基于超聲測(cè)距的變壓器油位在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

劉東陽(yáng),朱永燦,李科鋒

(西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院,陜西 西安 710048)

電力變壓器作為電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一,其是否安全穩(wěn)定運(yùn)行將直接影響電力供應(yīng)的穩(wěn)定[1-2]。油浸式變壓器因造價(jià)低、適應(yīng)環(huán)境廣泛、過(guò)負(fù)荷能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),在電力變壓器中占比很大。油浸式變壓器以油作為主要絕緣手段,并依靠油作冷卻介質(zhì),將油位作為油浸式變壓器的重要監(jiān)測(cè)參數(shù)之一,及時(shí)發(fā)現(xiàn)油位異常并采取相應(yīng)措施對(duì)于確保電力變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義[3-4]。

運(yùn)維人員現(xiàn)場(chǎng)巡檢讀取油位計(jì)示數(shù)是目前常規(guī)方法,但其準(zhǔn)確性易受檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)影響,同時(shí)由于油位計(jì)進(jìn)水銹蝕、視窗受污染等因素而導(dǎo)致假油位,無(wú)法準(zhǔn)確判斷油位高度。特別是對(duì)于偏遠(yuǎn)地區(qū)的新能源場(chǎng)站變壓器、農(nóng)村配電變壓器等,往往存在設(shè)備制造水平低,日常運(yùn)維管理差,因變壓器油位引起的電力故障時(shí)有發(fā)生。針對(duì)此類問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)了大量研究:文獻(xiàn)[5]基于壓力傳感器的變壓器油位測(cè)量裝置,通過(guò)在儲(chǔ)油柜放油管加裝雙壓力傳感器,運(yùn)用二點(diǎn)壓力差分算法實(shí)現(xiàn)對(duì)油位的精準(zhǔn)測(cè)量;文獻(xiàn)[6]提出一種智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),在遺傳算法優(yōu)化的基礎(chǔ)上通過(guò)不同傳感器接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)計(jì)算變壓器的健康指數(shù)(HI),在過(guò)載、過(guò)壓、油溫過(guò)高和油位過(guò)低等極端情況下,算法可以發(fā)出本地跳閘命令,該系統(tǒng)促進(jìn)了智能變壓器在配電網(wǎng)中的發(fā)展。文獻(xiàn)[7]針對(duì)霧霾天氣下的視頻圖像測(cè)量,提出一種暗通道優(yōu)先和顏色空間變換的油位測(cè)量方法,測(cè)量油位誤差在±1%以內(nèi);文獻(xiàn)[8]基于光纖光柵溫度計(jì)與油位計(jì)的傳感特性實(shí)現(xiàn)變壓器油溫及油位監(jiān)測(cè),為變壓器在復(fù)雜環(huán)境下的安全預(yù)警、狀態(tài)評(píng)估及維修提供依據(jù)。

由于超聲波頻率高、傳播的方向性好、穿透能力強(qiáng)等特性,可用于測(cè)距、無(wú)損檢測(cè)等領(lǐng)域。文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了一種超聲波測(cè)距傳感器,可實(shí)現(xiàn)在化工、油氣行業(yè)等危險(xiǎn)環(huán)境下進(jìn)行非接觸式距離測(cè)量,具有較高的安全水平,同時(shí)拓寬了超聲波傳感器在不同領(lǐng)域的應(yīng)用;文獻(xiàn)[10-11]基于超聲波法設(shè)計(jì)油位帶電檢測(cè)儀,分別實(shí)現(xiàn)了充油瓷套內(nèi)部油位、油枕油位的帶電檢測(cè);文獻(xiàn)[12]提出一種超聲波充油設(shè)備油位檢測(cè)技術(shù),采用軟橡膠作為耦合劑,較好地解決了探頭與油箱壁的耦合問(wèn)題,采用超聲波第二個(gè)回波信號(hào)作為油位檢測(cè)信號(hào)實(shí)現(xiàn)油箱油位的簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確測(cè)量;文獻(xiàn)[13]基于改進(jìn)的Levenberg-Marquardt反向傳播人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(LMBP-ANN)架構(gòu)算法,通過(guò)比較不同深度的實(shí)際水位與訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出,驗(yàn)證了所提模型的有效性,提高了超聲波測(cè)量系統(tǒng)的精度。

本文基于超聲測(cè)距原理,提出一種針對(duì)變壓器儲(chǔ)油柜油位非接觸式在線監(jiān)測(cè)技術(shù)。首先對(duì)超聲波傳感器應(yīng)用于儲(chǔ)油柜油位監(jiān)測(cè)的原理進(jìn)行了分析,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了油位遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)裝置,并通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)裝置進(jìn)行測(cè)試與校準(zhǔn),驗(yàn)證了該監(jiān)測(cè)技術(shù)的可行性。

1 基于超聲測(cè)距的變壓器油位監(jiān)測(cè)技術(shù)

人耳能聽(tīng)到的聲波頻率范圍在20 ～20 kHz,頻率大于20 kHz的機(jī)械波被稱為超聲波,它的方向性好,穿透能力強(qiáng),易于獲得較集中的聲能,可用于測(cè)距、清洗、碎石、殺菌消毒等[14-16]?？v波可以在氣體、液體和固體中傳播,在測(cè)距方面更具優(yōu)勢(shì),基于本文研究對(duì)象為變壓器儲(chǔ)油柜油位以及超聲波傳播形式的特點(diǎn),采用縱波進(jìn)行測(cè)試分析。

超聲波在傳播過(guò)程中遇到由不同介質(zhì)組成的界面時(shí)會(huì)發(fā)生反射、透射現(xiàn)象。聲強(qiáng)作為聲音流動(dòng)的度量方式,具有幅值和方向,其反射率、透射率表達(dá)式如下:

(1)

(2)

式中:IR為聲強(qiáng)發(fā)射率;IT為聲強(qiáng)透射率;Z為介質(zhì)的聲阻抗[17-18],g/(cm2·s);Q235的聲阻抗為4.5×106g/(cm2·s),變壓器油的聲阻抗為1.2×105g/(cm2·s)。

由式(1)、式(2)可得,超聲波在兩種不同介質(zhì)中傳播,聲強(qiáng)反射率IR和聲強(qiáng)透射率IT的大小與從何種介質(zhì)入射無(wú)關(guān),可很好地滿足利用超聲波對(duì)多介質(zhì)儲(chǔ)油柜進(jìn)行非接觸式油位測(cè)量的需求。基于超聲回波測(cè)距技術(shù)的變壓器儲(chǔ)油柜油位測(cè)量如圖1所示。

圖1 變壓器儲(chǔ)油柜油位測(cè)量示意圖

超聲波傳感器安裝于油箱底部,發(fā)射特定頻率的超聲波激勵(lì)信號(hào),因不同介質(zhì)聲阻抗存在差異,如鋼-油界面聲強(qiáng)反射率和聲強(qiáng)透射率分別為0.893和0.107,該界面透射系數(shù)較小,聲波大部分能量被反射。本文即利用傳感器接收到的回波信號(hào)以及信號(hào)傳輸所經(jīng)歷的時(shí)間進(jìn)行油位計(jì)算。

2 油位監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

基于超聲波的變壓器儲(chǔ)油柜油位非接觸式在線監(jiān)測(cè)裝置的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示,主要包括超聲波傳感器、在線監(jiān)測(cè)裝置及輔助管理系統(tǒng)。超聲波傳感器進(jìn)行儲(chǔ)油柜油位的采集,在線監(jiān)測(cè)裝置對(duì)油位等數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理,實(shí)時(shí)顯示油位,當(dāng)油位異常時(shí)發(fā)出警報(bào);輔助管理系統(tǒng)通過(guò)遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸模塊與在線監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,可以快速判斷油位的異常狀態(tài),當(dāng)油位上升或泄漏超過(guò)預(yù)警值時(shí),會(huì)發(fā)出報(bào)警,同時(shí)存儲(chǔ)溫度、濕度、氣壓等環(huán)境數(shù)據(jù),利于后期運(yùn)行提前預(yù)測(cè)油位異常故障,保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

圖2 在線監(jiān)測(cè)裝置總體結(jié)構(gòu)

超聲波傳感器為收發(fā)一體式,采用壓電陶瓷晶片,在超聲波的發(fā)射與接收時(shí)實(shí)現(xiàn)電能與聲能的相互轉(zhuǎn)換。同一箱體應(yīng)用兩個(gè)相同參數(shù)的超聲波傳感器,分別用作測(cè)量探頭和校準(zhǔn)探頭,測(cè)量探頭安裝于油箱底部;校準(zhǔn)探頭安裝于油箱腰部及油位以下位置,用于輔助測(cè)量探頭,提高測(cè)量精度:需提前設(shè)定一個(gè)初值,即油箱的長(zhǎng)度,隨后啟動(dòng)自動(dòng)校準(zhǔn),通過(guò)選擇最優(yōu)參數(shù)如聲速、頻率等使其測(cè)量值愈接近設(shè)定初值,并將最優(yōu)參數(shù)應(yīng)用于測(cè)量探頭實(shí)現(xiàn)液位精準(zhǔn)測(cè)量。

2.2 在線監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

在線監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)如圖3所示,主要包括超聲波傳感器、發(fā)射與接收電路[19]、MCU、溫度補(bǔ)償電路、串口通信電路、按鍵與顯示電路以及報(bào)警電路。

圖3 在線監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

微控制器MCU提供驅(qū)動(dòng)脈沖,驅(qū)動(dòng)脈沖經(jīng)發(fā)射電路放大等處理后驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器,驅(qū)動(dòng)脈沖頻率通過(guò)軟件程序調(diào)整,要求能與超聲波傳感器的中心頻率形成良好的共振。由MCU控制定時(shí)器發(fā)出4～8個(gè)頻率為80～200 kHz、占空比為50%的方波,經(jīng)超聲波發(fā)射電路轉(zhuǎn)換為激勵(lì)脈沖。

接收電路主要是對(duì)傳感器接收到的微弱超聲波回波信號(hào)進(jìn)行放大、濾波,提供給MCU進(jìn)行計(jì)數(shù)定時(shí)。超聲波接收過(guò)程中,會(huì)受到外界諸多因素(如溫度、箱體壁厚、噪聲等)的影響,造成接收信號(hào)的強(qiáng)度衰減、波形不規(guī)則或失真、信噪比降低等現(xiàn)象[20-21],為提取出清晰的超聲波回波信號(hào),需設(shè)計(jì)放大電路、濾波電路、增益電路等進(jìn)行處理。其中放大濾波電路由二階低通濾波和二階高通濾波組成,帶通濾波器通頻帶為80～200 kHz,中心頻率設(shè)計(jì)為140 kHz,濾波同時(shí)具有放大作用。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于STM32單片機(jī)運(yùn)行時(shí),首先需要對(duì)外部設(shè)備如超聲波傳感器、溫度傳感器等進(jìn)行初始化,與單片機(jī)通信異常時(shí)發(fā)送異常報(bào)告并進(jìn)行修正,通信正常后初始化STM32、開(kāi)啟中斷,下發(fā)監(jiān)測(cè)指令,LCD顯示屏進(jìn)入等待界面;當(dāng)測(cè)量探頭無(wú)異常時(shí)獲取監(jiān)測(cè)參數(shù),通過(guò)有線傳輸至單片機(jī)進(jìn)行處理,并更新LCD顯示油位高度值;有按鍵操作時(shí),經(jīng)授權(quán)后可以人工設(shè)置數(shù)據(jù)參數(shù),保存參數(shù)修改后繼續(xù)獲取監(jiān)測(cè)參數(shù),更新LCD顯示的油位值,完成精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)測(cè)量,最后非必須進(jìn)行停機(jī)程序。其主要程序設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 軟件設(shè)計(jì)流程圖

3 試驗(yàn)與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

為了更準(zhǔn)確地控制實(shí)際油位進(jìn)行裝置測(cè)試與校準(zhǔn),首先搭建了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),如圖5所示。其中超聲波傳感器進(jìn)行油位測(cè)量,收集油位數(shù)據(jù),通過(guò)有線連接方式將數(shù)據(jù)傳輸至在線監(jiān)測(cè)裝置;經(jīng)溫度補(bǔ)償,在線監(jiān)測(cè)裝置實(shí)時(shí)顯示油位高度,同時(shí)可根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行校準(zhǔn)模式選擇與啟動(dòng)、自動(dòng)掃頻、參數(shù)修改等操作。超聲波傳感器在安裝時(shí)需涂抹超聲波耦合劑,用以減少探頭與被測(cè)物之間空氣層影響,提高測(cè)量精度。

圖5 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

通過(guò)改變金屬桶中油位,讀取實(shí)際的液位高度,并記錄監(jiān)測(cè)裝置測(cè)量的液位高度,不同液位對(duì)應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)誤差如圖6所示。

圖6 測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差

由圖6數(shù)據(jù)可得,當(dāng)實(shí)際液位為140 mm時(shí)誤差值最大為3.1 mm。為了提高測(cè)量精度,對(duì)參數(shù)k和b采用一次函數(shù)y=kx+b進(jìn)行標(biāo)定,k表示聲速的修正值,取值范圍為0.5～1.5;b表示液位的遷移量。根據(jù)所測(cè)量的多組數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)量液位-實(shí)際液位進(jìn)行最小二乘擬合,計(jì)算公式如下:

(3)

式中:xa為測(cè)量液位的平均值;ya為實(shí)際液位的測(cè)量值。計(jì)算得k=0.98<1,需將聲速系數(shù)修正為初始聲速的0.98倍;b=1.26 mm,因此將遷移量設(shè)置為1.3。

圖7為當(dāng)金屬桶中油位為150 mm時(shí),利用示波器對(duì)超聲波發(fā)射與接收信號(hào)捕捉到的波形,利用發(fā)射波與第一次接收回波所間隔時(shí)間Δx進(jìn)行油位計(jì)算,得此時(shí)油位高度為152.6 mm,誤差為2.6 mm,與圖6中測(cè)量油位誤差值幾乎一致。

圖7 y=150mm時(shí)發(fā)射與接收回波波形

3.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

對(duì)油位監(jiān)測(cè)裝置初始參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,測(cè)試平臺(tái)如圖8所示?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試應(yīng)用校內(nèi)110 kV閑置變壓器進(jìn)行:當(dāng)前儲(chǔ)油柜實(shí)際油位為139.5 mm,油位監(jiān)測(cè)裝置讀數(shù)為139.7 mm,誤差僅為0.2 mm。因此該油位監(jiān)測(cè)裝置能夠進(jìn)行儲(chǔ)油柜油位監(jiān)測(cè),測(cè)量誤差很小,在0.5 mm范圍內(nèi),滿足精度要求。

圖8 裝置現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

4 結(jié) 論

本文在分析超聲波測(cè)距原理的基礎(chǔ)上,通過(guò)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)油位在線監(jiān)測(cè)裝置并開(kāi)展實(shí)驗(yàn),對(duì)基于超聲波的變壓器油位非接觸式監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明,該在線監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)儲(chǔ)油柜油位監(jiān)測(cè)是可行和有效的,且安裝簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高,為變電站變壓器油位在線監(jiān)測(cè)提供參考。