基于LabVIEW的變壓器在線狀態監測系統

李雙科 吳記群

(蘭州工業高等專科學校電氣工程系1，甘肅 蘭州 730050;蘭州工業高等專科學校電子信息工程系2，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

變壓器是電力系統各種設備中十分重要且比較貴重的關鍵設備之一，其安全運行對保證電網安全可靠意義重大。運行中的變壓器一旦出現故障，則可能造成大面積的停電，由此造成巨大的經濟損失。因此，變壓器的狀態監測具有重要的意義。有關部門的統計資料表明［1－2］，在變壓器故障中，繞組、鐵心和有載分接開關 (onload tap changer，OLTC)的故障分別占46.4%、23.6%和 18.5%，三項故障總和達到 88.5%，它們是變壓器發生故障的主要部件。

目前，變壓器在線檢測的主要方法有:短路電抗法［3］、傳遞函數法［4］、聲強法［5］、油樣氣相色譜法［6］和振動分析法［7－8］等。本文基于振動信號分析設計了大型電力變壓器在線狀態監測和故障診斷系統，通過監測變壓器的振動信號、電壓信號、電流信號和開關量信號，對信號進行綜合分析后判斷變壓器的工作狀態。該系統實現了在線測量的精確性和實時性，具有很好的應用前景。

1 振動分析法

變壓器在穩定運行時，鐵心由于硅鋼片的磁滯伸縮引起振動，繞組在負載電流的電場力作用下也會產生振動，繞組和鐵心的振動通過變壓器器身和油傳遞到變壓器的油箱，引起油箱的振動。變壓器油箱表面的振動與變壓器繞組和鐵心的壓緊狀況、位移和變形狀態密切相關。因此，變壓器油箱的振動信號能夠直接、有效地反映出變壓器運行中的繞組和鐵心的狀況［9］。

振動分析法就是通過固定在變壓器油箱壁上的振動傳感器得到振動信號，根據建立的數學模型對振動信號進行分析與處理，得出變壓器的運行狀態、故障原因、具體部件和損失程度等。

由于三相電力變壓器每相的振動信號與該相的電壓、電流信號密切相關，因此應對振動信號、電壓和電流信號同時進行采樣，以便分析振動信號與電壓電流信號的相互關系［10］。

2 系統介紹

系統主要包括系數據采集終端和上位機兩部分。數據采集終端安裝在工作現場，主要完成數據采集和數據存儲。上位機通過與數據采集終端進行通信(包括串口通信和以太網通信)，取得終端采樣數據后主要對數據進行分析(包括波形分析和頻譜分析)、顯示和故障診斷。這部分主要采用LabVIEW編寫程序實現。系統組成框圖如圖1所示。

圖1 系統組成Fig.1 System structure

2.1 數據采集終端

終端硬件選擇具有工業級的PC-104模塊，其中，CPU模塊選用臺灣研華的PCM-3350，A/D模塊為研華的PCM-3718。PCM-3718的主要指標是16路單端模擬輸入或8路差分模擬輸入、2個8位的數字輸入端、轉換精度可達12位、采樣頻率最高可達100 kHz。

由于需要監測三相電力變壓器每一相的振動信號，因此至少需要3路振動傳感器，系統設計有4路振動信號。此外，需要對變壓器的三相電壓、電流進行監測，同時系統各預留1路電壓、電流測量通道，即各有4路采集通道，還有1路溫度采集通道，共有13路模擬輸入通道。

由于PCM-3718可采用16路單端模擬輸入或8路差分模擬輸入方式，而系統共有13路模擬輸入，因此PCM-3718應采用單端輸入方式。此外還須采集變壓器的有載分接開關信息，故用到了PCM-3718的1個數字輸入端口。變壓器振動信號能量主要集中在基頻(100Hz)附近，諧波分量都很小，500Hz以后基本衰減到0，因此，采樣頻率選擇為4096Hz，可以保證信號分析的準確性。終端每10s采集一次數據。

操作系統選用WinCE，采用Embedded Visual C++進行監測軟件編程。數據采集終端對采集到的變壓器振動、電壓、電流和溫度信號進行一定的數據處理，并作出簡單的狀態診斷，最后通過RS-232、Ethernet把處理獲得的數據和異常信息發送給上位機。上位機利用LabVIEW軟件作進一步的分析處理，最終得到變壓器的運行狀況。

2.2 上位機

上位機部分采用LabVIEW軟件編程。LabVIEW是由NI公司推出的一個功能強大而又靈活的儀器和分析軟件應用開發工具，是科學研究和工程領域最主要的圖形開發環境，廣泛應用于仿真、數據采集、儀器控制、測量分析和數據顯示等嵌入式應用開發系統。由于采用圖形化編程，LabVIEW特別適用于做圖形顯示的系統界面。

上位機主要功能包括:實時波形和頻譜顯示、實時趨勢分析、實時棒圖和數據列表顯示、天趨勢分析、年趨勢分析和報警分析。上位機實時波形和頻譜顯示流程如圖2所示。

圖2 實時波形和頻譜顯示流程圖Fig.2 Flowchart of real-time waveform and spectrum display

上位機部分首先根據數據分析的需要生成相應的請求幀，通過串口或以太網通信方式把請求幀發送給數據采集終端，終端收到請求幀后組織數據，然后發送相應的數據給上位機。上位機收到數據后首先判斷數據接收是否正確:若數據接收錯誤，則發送數據接收錯誤響應幀給終端，通知終端重新發送數據;如果數據接收正確，則首先發送數據接收正確響應幀給下位機，表明此次數據通信完成。然后上位機對數據進行相應的處理，并進行波形、頻譜顯示和系統工作狀態顯示，以及當前變壓器工作是否正常等信息顯示。

①實時波形和頻譜顯示部分用來顯示當前時刻12路信號中的1～4路信號的實時波形、實時頻譜和選中通道的靜態數據。波形數據每10s更新一次，顯示的通道最多可以選擇4路，最少1路，頻譜顯示的范圍為0～2 kHz。

②實時趨勢分析部分用來顯示當前5 min內4個振動組通道的靜態數據，并對數據進行分析以及顯示當前變壓器趨勢變化。

③實時棒圖和數據列表部分分別用棒圖和列表的形式顯示當前10s內的靜態數據。

④天趨勢分析部分用來顯示從當前時刻開始往前24 h內的靜態數據。天趨勢分析可以反映當前一天內變壓器的運行情況。

⑤年趨勢分析部分用來顯示過去某天內的靜態數據。年趨勢分析可以用來查詢過去某天內的歷史數據。

⑥報警分析部分是用來顯示報警時刻振動、電壓和電流波形、頻譜以及報警前后各150s的靜態數據，并記錄同時刻的振動、電壓和電流波形數據，以便進一步分析報警時刻的振動與電壓、電流的相互關系。

3 實時波形和頻譜顯示界面

實時波形和頻譜顯示界面主要包括:工作狀態指示燈、通道選擇、波形顯示、頻譜顯示、靜態數據顯示和各功能按鈕。

①工作狀態指示部分包括變壓器狀態指示燈和終端狀態指示燈。變壓器狀態指示燈為綠色，表示當前變壓器處于正常工作狀態，紅色代表當前變壓器處于報警狀態。終端狀態指示燈為綠色，代表當前終端處于正常工作狀態，紅色代表當前終端處于故障狀態。

②通道選擇部分包含4路振動、4路電壓和4路電流共12路通道選擇按鈕。用戶可以從中選擇1～4路，若選擇超過4路，則選擇無效，需重新進行選擇。選擇完成后按確認按鈕便可實現通道更新，下一次數據顯示就按此次選擇的通道進行顯示。

③實時波形顯示部分實時顯示當前時刻所選通道的波形數據。用戶可以通過改變波形顯示界面的橫坐標范圍來更清楚地觀察波形，此外可以通過游標移動讀取所在位置的數據。

④實時頻譜顯示部分通過對波形數據進行FFT運算，得到對應的頻譜數據并進行顯示。顯示的頻譜數據范圍最大為2 kHz。通過頻譜圖可以更有利于在頻域分析信號。

⑤靜態數據顯示部分顯示所選通道的振動組靜態數據。

⑥各功能按鈕主要包括凍結、存儲、打印。如果對某一時刻的數據特別感興趣，可以通過凍結按鈕停止數據更新;如果想保存某一時刻的數據，可以在凍結的情況下通過存儲按鈕保存該時刻的數據，以便于將來進一步分析該時刻的數據。此外還可以通過打印按鈕打印當前時刻的波形圖。

4 結束語

本系統采用振動分析法對變壓器的振動、電壓、電流和溫度信號同步采樣，更有利于分析變壓器的振動信號與電壓、電流之間的相互關系，對于故障診斷能夠起到更好的作用。

［1］王夢云.全國110 kV及以上變壓器事故統計分析［J］.供用電，2006，23(1):1 －5.

［2］梁義明，武志勇，敖明.變壓器鐵芯內部故障分析［J］.吉林電力，2006，34(5):41 －44.

［3］李強.基于短路電抗分析的變壓器繞組變形在線監測的研究［D］.成都:西南交通大學，2005.

［4］何平，文習山.變壓器繞組變形的頻率響應分析法綜述［J］.高電壓技術，2006，32(5):37 －40.

［5］譚聞，張小武.電力變壓器噪聲研究與控制［J］.高壓電器，2009，45(2):70 －76.

［6］陳偉根，劉冰潔，周恒逸，等.變壓器油中溶解氣體光聲光譜檢測的溫度特性［J］.電工技術學報，2010，25(11):15 －20.

［7］劉瑾，楊海馬，張青.虛擬儀器在變壓器故障診斷中的應用［J］.自動化儀表，2010，31(10):16 －18.

［8］唐衛民，傅堅，邵宇鷹.大型變壓器繞組狀態振動分析法的試驗研究［J］.變壓器，2010，47(1):25 －27.

［9］馬宏彬，柯金良，陳青恒.500 kV單相電力變壓器的振動與噪聲波形分析［J］.高電壓技術，2008，34(8):1599 －1604.

［10］傅堅，徐劍，陳柯良，等.基于振動分析法的變壓器在線監測［J］.華東電力，2009，37(7):29－32.