智能變電站變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張智杰

摘要：變壓器是電力系統(tǒng)中的核心設(shè)備，其運(yùn)行安全性直接影響著整個(gè)電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行。目前，變壓器在線監(jiān)測普遍存在以下問題：一臺變壓器有多種監(jiān)測裝置，各監(jiān)測裝置兼容性差，監(jiān)測信息各自孤立，未得到全面綜合的利用。為了提高變壓器狀態(tài)評估與故障診斷的水平，本文對變壓器綜合在線監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行研究，主要從智能感知技術(shù)和狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析處理算法兩方面開展。

關(guān)鍵詞：智能變電站;變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng);設(shè)計(jì);實(shí)現(xiàn)

1變壓器監(jiān)測技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)狀

變壓器正常運(yùn)行或故障前后均伴有“點(diǎn)、聲、光、化、熱”等多種特征信息，通過對這些特征信息的在線監(jiān)測，感知并分析變壓器狀態(tài)，從而可發(fā)現(xiàn)和消除變壓器的缺陷和隱患，進(jìn)而避免變壓器故障引發(fā)的電網(wǎng)安全事故。目前，大多數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)廠家的設(shè)備都是對單一參數(shù)進(jìn)線監(jiān)測，而靠單一的性能指標(biāo)只能從某一側(cè)面反映變壓器的絕緣狀態(tài)。為此，亟待推動多種感知手段與變壓器設(shè)備融合設(shè)計(jì)，多種參數(shù)綜合判定，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合互補(bǔ)，對于提高變壓器在線監(jiān)測的可靠性尤為重要。

2變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1主控板軟件功能

（1）數(shù)據(jù)采集。主控板每個(gè)周期采樣多次，可以定期采集96路高電壓信號模擬量，數(shù)據(jù)存儲在RAM中，可以作為監(jiān)控量數(shù)據(jù)傳至PC機(jī)。主控板上使用數(shù)字信號處理器完成數(shù)字信號采樣。數(shù)字信號處理器的電路輸入和輸出具有線性關(guān)系，可以通過調(diào)整電阻器來調(diào)整信號間隔。隨著轉(zhuǎn)換電路放大系數(shù)的變化，信號的零點(diǎn)（對應(yīng)4mA的輸出電流）會相應(yīng)地改變。當(dāng)輸入輸出比調(diào)整到250時(shí)，4～20mA的輸入電流可以轉(zhuǎn)換成1～5V的電壓信號。LM317是一款輸出電壓可調(diào)的芯片，其輸出值可以通過調(diào)節(jié)其中的電阻R7來改變。在數(shù)據(jù)采樣完成后，還應(yīng)計(jì)算存儲器中儲存的采樣數(shù)據(jù)。（2）確定系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。主控板通過讀取采樣間隔內(nèi)的開入量或開出量，可以確定系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。（3）數(shù)據(jù)傳輸。主控板遵循“先進(jìn)先出”原則，通過控制器局域網(wǎng)可以將數(shù)據(jù)傳至管理板。

2.2局部放電采集單元

局部放電雖然時(shí)間短，能量也很小，但具有很大的危害性，它的長期存在將對絕緣材料產(chǎn)生較大的破壞作用。局部放電檢測能夠提前反映變壓器的絕緣狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部的絕緣缺陷，從而預(yù)防潛伏性和突發(fā)性事故的發(fā)生。變壓器內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，其信號的頻譜很寬，放電過程可激發(fā)出數(shù)百甚至數(shù)千兆赫茲的特高頻電磁波信號。通過在變壓器本體安裝傳感器獲取特高頻電磁波信號，可實(shí)現(xiàn)對局部放電的檢測。特高頻法抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、實(shí)時(shí)性好且能進(jìn)行故障定位，具有較好的感知效果，可根據(jù)特高頻電磁波的變化情況確定變壓器是否發(fā)生局部放電。

2.3管理板軟件功能

儀表板可以接收來自主儀表板的數(shù)據(jù)，并將參數(shù)信息存儲在RAM存儲器中。數(shù)據(jù)由數(shù)字信號處理器（TMS320F206）處理，并根據(jù)需要傳輸?shù)捷敵霭?、顯示板或上位機(jī)通信系統(tǒng)。另外，管理板內(nèi)有一個(gè)8路開放信號，可發(fā)送至主控板同步信號，保證各主機(jī)運(yùn)行有序，無混亂。在條件允許的情況下，董事會可以查詢主控板的設(shè)定值，并在取得相應(yīng)權(quán)限后修改主控板的設(shè)定值。無運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)監(jiān)控時(shí)，管理板有權(quán)查詢主控板的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)檢測到主控板故障時(shí)，管理板能迅速做出反應(yīng)，記錄各種異常參數(shù)。在調(diào)試狀態(tài)下，可以使用駕駛模式測試數(shù)據(jù)或手動模擬數(shù)據(jù)來簡化裝置的測試。管理委員會可發(fā)出指令，允許主控制板收集數(shù)據(jù)。為了使主控板能夠同步開始收集數(shù)據(jù)，管理委員會可以在一定的時(shí)間間隔內(nèi)同步每個(gè)主控板，以同步每個(gè)主控板接收到的指令。

2.4通用變壓器性能在線監(jiān)測

變壓器發(fā)生故障時(shí)造成的影響很大，因此變壓器保護(hù)必須非常完善，反映變壓器本體內(nèi)部故障的非電量保護(hù)（如變壓器的油溫、繞組溫度、油位、壓力釋放等）也必須引起足夠重視。變壓器油溫關(guān)系到變壓器絕緣材料壽命，當(dāng)變壓器內(nèi)有機(jī)絕緣材料老化時(shí)，其機(jī)械強(qiáng)度降低，無法承受正常工作的外力，因此需設(shè)置變壓器油溫監(jiān)測，通過傳感器將溫度信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA電信號接入采集單元。有資料統(tǒng)計(jì)表明，變壓器鐵芯問題在變壓器故障中占比是第三位，因此設(shè)置鐵芯電流傳感器，傳感器輸出轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA電信號接入采集單元，實(shí)現(xiàn)鐵芯接地監(jiān)測。

2.5上位機(jī)管理軟件功能

上位機(jī)管理軟件在Windows操作系統(tǒng)中運(yùn)行。一臺上位機(jī)可以配置多臺下位機(jī)。上位機(jī)管理軟件的功能主要包括監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示、變壓器故障原因分析和啟動參數(shù)設(shè)置。特別是變壓器參數(shù)數(shù)據(jù)處理、變壓器在線狀態(tài)診斷分析、自動定時(shí)、遠(yuǎn)程傳輸、接收下位機(jī)發(fā)送的監(jiān)測數(shù)據(jù)、向下位機(jī)發(fā)送新的整定參數(shù)，是上位機(jī)管理軟件的功能。運(yùn)營管理。當(dāng)電氣設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，管理軟件可對設(shè)備狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，通過實(shí)時(shí)計(jì)算和顯示交流頻率值和通道波形（根據(jù)電流、電壓信號進(jìn)行跟蹤）來控制各開關(guān)的開、關(guān)。此外，管理軟件還可以檢查和更改設(shè)備設(shè)置，并管理數(shù)據(jù)內(nèi)存分配。調(diào)試管理。當(dāng)電氣設(shè)備停機(jī)需要進(jìn)行維護(hù)調(diào)試時(shí)，管理軟件可對仿真通道進(jìn)行檢查和調(diào)整，檢查監(jiān)控環(huán)境和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的存儲狀態(tài)，查詢監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，讀取和修改時(shí)間和日期，完成監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)記錄和系統(tǒng)調(diào)試。

3結(jié)論

本文詳細(xì)分析了基于單片機(jī)的在線監(jiān)測系統(tǒng)的裝置結(jié)構(gòu)和工作原理，并詳細(xì)分析了裝置各部分在系統(tǒng)中的功能。系統(tǒng)硬件包括電源電路、模擬數(shù)據(jù)采集電路、開關(guān)量輸入輸出電路、顯示模塊、鍵盤模塊和通信模塊。輸入模擬值包括變壓器的電壓、電流和頻率。每個(gè)設(shè)備和結(jié)構(gòu)都有自己的工作任務(wù)。變壓器可根據(jù)主機(jī)設(shè)置程序進(jìn)行監(jiān)控。監(jiān)測結(jié)果可以通過顯示器直接顯示，也可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)上。整個(gè)過程是自動化的。通過各部分的協(xié)調(diào)配合，建立了變壓器在線智能監(jiān)測系統(tǒng)。

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