便攜式變壓器振動監(jiān)測與故障診斷系統設計

王澤波,周建平,劉江明,鄭 婧,鄭 宏

(1.浙江大學儀器科學與工程學系,杭州310013;2.浙江省電力公司檢修分公司,杭州310007;

3.杭州柯林電力設備有限公司,杭州310005)

便攜式變壓器振動監(jiān)測與故障診斷系統設計

王澤波1,周建平2,劉江明2,鄭 婧1,鄭 宏3

(1.浙江大學儀器科學與工程學系,杭州310013;2.浙江省電力公司檢修分公司,杭州310007;

3.杭州柯林電力設備有限公司,杭州310005)

設計一種基于嵌入式Windows系統的便攜式變壓器振動監(jiān)測與故障診斷系統。介紹系統設計與實現的關鍵技術,包括信號采集、信號調理、A/D轉換等硬件模塊以及數據庫、故障診斷算法、用戶界面等軟件模塊的開發(fā)過程。該系統通過采集變壓器的振動、電流、電壓等信號對變壓器狀態(tài)及其故障進行分析與診斷,使用多種分析診斷算法,包括譜分析、幅值分析等常規(guī)方法,以及周期性診斷算法、模型診斷算法等新的分析診斷方法,用于及時地發(fā)現變壓器的異常并發(fā)出警報。應用結果表明,該系統能夠方便、有效地實現變壓器運行狀態(tài)及其故障的帶電監(jiān)測。

嵌入式系統;便攜式;電力變壓器;振動分析法;帶電監(jiān)測;故障診斷

1 概述

電力變壓器的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷研究對維護電網的健康運行有重要意義。目前電力變壓器在線監(jiān)測方法主要有油色譜分析法和振動分析法。其中,油色譜分析法相對成熟,能夠有效地檢測油浸式變壓器早期潛伏性故障。但是油色譜分析法主要針對過熱和放電等會引起絕緣油變化的故障類型,所以對于繞組的機械故障反應不靈敏,而且油色譜分析儀設備大多存在著成本高、安裝不便等限制［1］。相比于油色譜分析,基于振動分析的監(jiān)測方法能有效和靈敏地反映變壓器機械結構的變化,如文獻［2-4］利用振動法研究變壓器繞組故障,文獻［5］利用變壓器振動信號判斷有載分接開關的狀態(tài),文獻［6-7］分析了鐵芯的振動特征并根據鐵芯振動監(jiān)測鐵芯壓緊力,文獻［8］還研究了變壓器偏磁狀態(tài)下的振動特性。

本文在現有的振動監(jiān)測系統［9］基礎上,研制了一種基于振動的便攜式變壓器狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(PTCMS)。本文將主要敘述該系統的設計與實現,以及系統內置的診斷算法。

2 系統設計

系統的研發(fā)工作主要包含硬件設計與實現、軟件設計與開發(fā)以及診斷算法研究3個部分。

2.1 硬件設計

本系統硬件部分包含信號采集部分(傳感器)、信號調理模塊、數據采集模塊、CPU模塊、電源模塊、數據存儲模塊以及輸入/顯示模塊。硬件部分設計如圖1所示。

圖1 系統硬件結構

2.1.1 傳感器選擇

本文系統能夠同時采集3路電流信號、3路電壓信號以及8路振動信號,并預留1路溫度信號擴展通道。

振動信號采集的精度在很大程度上影響著系統的分析結果。考慮到在變壓器周圍磁場干擾較大,位移傳感器在磁場干擾較大的情況下精度無法保證,同時一般速度傳感器的測量范圍(10 Hz～1 000 Hz)無法完全覆蓋變壓器振動頻率范圍。因此,本文系統選擇ICP加速度傳感器,傳感器的頻率范圍為5 Hz～10 000 Hz,靈敏度為500 mV/g,基本滿足變壓器振動信號的采集要求,同時所有連接傳感器的電纜應采用屏蔽同軸電纜［9］。

同時電流信號由電流互感器從CT端子測得,電壓信號則由PT100直接引出。

2.1.2 信號調理模塊

信號調理模塊包括振動、電流、電壓、溫度信號的調理電路。

由于系統使用ICP加速度傳感器,振動信號調理電路中包含ICP傳感器的恒流供電電路、振動信號放大電路以及抗混疊濾波電路。

電流信號由電流互感器采集得到,為交流電流信號,電流信號需要經過電流/電壓轉換電路、放大電路以及抗混疊濾波電路。

電壓信號調理模塊包含電壓互感電路(電壓衰減)以及抗混疊濾波電路。

預留直流溫度信號輸入,其調理電路主要為電壓幅值調整。

2.1.3 數據采集模塊和CPU模塊

考慮到變壓器振動的頻域范圍在0～2 000 Hz甚至更高,同時需要兼顧抗電磁干擾性能,本文系統選用北京阿爾泰公司生產的PCH2153數據采集卡。該采集卡采用PC/104+總線與CPU模塊通信,共32通道(單端采樣),精度為16 bit,量程為［-10 V, +10 V］,最高系統采樣頻率為250 kHz,17通道采樣時最高采樣頻率為14.7 kHz。

CPU模塊選用研華公司生產的嵌入式主板PCM3362,該模塊同樣支持 PC/104+總線,支持-40℃～85℃溫度下工作,支持Window及Linux系統,同時支持USB、以太網等常用接口。

2.1.4 數據存儲

由于在采集時間較長的情況下需要存儲較大的數據量,同時考慮到便攜式設備特性,需要有一定抗震能力,因此本文系統配有一個16 GB固態(tài)硬盤存儲數據。系統自帶液晶顯示屏和鍵盤,同時由于系統使用Windows Embedded操作系統,因此可以外接鼠標及其他USB設備。

2.2 軟件設計

由于本文系統對數據采集及通訊的實時性要求并不是很高,因此采用了嵌入式Windows系統,在操作系統上運行LabVIEW開發(fā)的應用軟件。軟件主要包括數據采集程序、分析診斷模塊、數據庫以及用戶界面,其組織結構如圖2所示。其中,分析診斷模塊是根據筆者所在課題組多年來研究并提出的變壓器振動監(jiān)測診斷方法編程實現的。

2.2.1 數據采集程序設計

數據采集模塊可分為實時采樣和瞬時采樣,其中,實時采樣用于采集變壓器穩(wěn)態(tài)運行時的信號;瞬時采樣則用于采集變壓器進行上下電、投切等操作時以及進行突發(fā)短路沖擊時的瞬態(tài)信號。實時采樣和瞬時采樣切換以及數據采集流程如圖3所示。

圖3 采樣模式切換及數據采集流程

實時采樣為周期性采樣,采樣頻率8 192 Hz,每10 s采樣一次,每次采樣時間為1 s。瞬時采樣則只采樣一次,用戶可以設置瞬時采樣的采樣頻率、采樣時間,設定完成后開始連續(xù)采樣,瞬時采樣時會中斷實時采樣。

2.2.2 數據庫設計

系統采用微軟的 SQL Server 2008,軟件通過ADO技術訪問數據庫。數據庫主要包括:變壓器信息表,原始數據表,診斷結果表,傳感器參數表等。其中,變壓器信息表用于記錄監(jiān)測變壓器的ID、型號、生產廠家、投運日期、測點位置信息等基本信息;原始數據表用于保存每次采樣數據、采樣時間、類型(實時和瞬時)、變壓器ID等信息;診斷結果表則記錄各診斷算法結果,并記錄對應原始數據ID、診斷時間等相關信息;傳感器參數表用于記錄傳感器靈敏度、量程等信息用于傳感器標定。

2.2.3 用戶界面設計

本文系統的用戶界面以實用為原則,包括變壓器信息管理、實時數據顯示、診斷結果顯示以及其他設置頁面,如實時采樣和瞬時采樣切換、瞬時采樣設置等。

2.3 診斷算法

分析診斷算法是本文系統的核心部分,有效的診斷算法可以及時地發(fā)現變壓器的異常并發(fā)出警報,從而降低因變壓器故障帶來的經濟損失。

本文系統中內置多種分析診斷算法,這些診斷算法是筆者所在課題組多年來研究并提出的。算法可以根據是否依賴于監(jiān)測對象的歷史數據分為非先驗性算法和先驗性算法。

非先驗性算法包括常見的時域分析和頻域分析,如頻譜分析和振動幅值分析等,同時還包括頻率復雜度診斷算法和周期性診斷算法［10-11］:

(1)頻率復雜度診斷算法是根據變壓器振動的頻率成分的分布及各頻率峰值來計算振動頻率復雜程度,并以此衡量變壓器是否故障。其原理是變壓器繞組在正常情況下其頻率成分相對簡單,而繞組故障后一般繞組振動頻率成分就會增加,從而導致變壓器振動諧波的復雜度上升。

(2)周期性診斷算法通過檢測振動信號的周期性是否被破壞來判斷變壓器異常與否,正常狀態(tài)下的變壓器振動信號為周期性信號［10-11］。

非先驗性算法因為不依賴于監(jiān)測對象的歷史數據,所以可以直接應用于大部分變壓器。不過非先驗性診斷算法可檢測出的故障類型比較少,如周期性診斷算法只有在變壓器故障后導致振動信號的周期被破壞時發(fā)出警報,但是很多變壓器故障后振動信號還是周期性的。而且實際運行的變壓器由于型號、油箱結構、運行年限、負載的不同使得各變壓器振動的相差較大,因此非先驗性診斷算法的閾值也較難確定。

先驗性算法需要根據監(jiān)測對象的歷史數據訓練得到變壓器正常狀態(tài)下的特征參數,并以此分析當前測得的數據是否正常。先驗性算法包括模型診斷算法、相似度診斷算法等,本文以模型診斷算法為例介紹先驗性算法的診斷流程。

模型診斷算法流程如下:

(1)根據變壓器振動原理、多項式逼近以及多元線性回歸方法得到變壓器的電-振動模型,模型公式如下:

其中,vf表示變壓器油箱壁振動頻率為f的分量;β0,β1,…,βs+r表示多元線性回歸模型系數;x1,x2,…,xs+r為回歸模型自變量。且xk=i2k,k=1,2,…,s為電流平方的高次項,xs+j=u2j,j=1,2,…,r為電壓平方的高次項。ε表示滿足方差為σ的標準正態(tài)分布的隨機誤差項。

考慮變壓器油箱壁不同位置振動的關系以及振動各次諧波之間的相關性等,將模型擴展成多測點多諧波的矩陣表示形式,如式(2)所示:

其中,V(p×m)×1=［V1,V2,…,Vi,…,Vm］T,表示第1個～第m個測點振動,Vi=［vi,f1,vi,f2,…,vi,fp］T表示第i測點的頻率為f1,f2,…,fp的諧波;B(p×m)×(s+r+1)為模型的系數矩陣;X(s+r+1)×1表示模型自變量;E(p×m)×1表示誤差矩陣。

(2)采集正常數據訓練模型參數,并將計算得到的模型參數保存。考慮模型有多因變量多自變量,且自變量之間存在高度相關性,因此,本文在計算模型參數時采用偏最小二乘回歸法［12］,并利用交叉驗證法確定偏最小二乘法的成分數目。

(3)利用回歸分析的中的F檢驗和T檢驗以及訓練數據對模型進行顯著性檢驗,以確定回歸模型的有效性。若不能通過模型的顯著性檢驗,則放棄使用模型診斷算法。

(4)將模型診斷算法應用于在線監(jiān)測,將實時監(jiān)測采集數據(電流和電壓信號)輸入模型可計算得到模型的振動預測值。

(5)通過比較分析模型的預測值和實際采集得到的振動來判斷變壓器運行是否正常,本文系統采用模型預測值和實際測量值之間的相對誤差來分析變壓器狀態(tài)。系統對一段時間內采樣得到的數據進行模型診斷分析,平均多次計算結果后給出診斷信息。

本文系統中還包括其他先驗性診斷算法,如相似度診斷算法,限于篇幅本文不再敘述。先驗性算法雖然需要數據訓練,且訓練所得參數基本只能針對某一臺監(jiān)測變壓器,但是相比于非先驗性算法,這些算法的診斷分析準確性更高,其診斷結果更有參考價值。

3 系統實現

設計的PTCMS實物如圖4所示,PTCMS帶有17個通道的傳感器插座,方便傳感器安裝。

圖4 PTCMS照片

PTCMS在浙北變1 000 kV#4主變上試運行,測試現場照片如圖 5所示。測試結果表明,通過PTCMS系統現場工作人員可以快速、有效地監(jiān)測變壓器狀態(tài)。

圖5 PTCMS測試現場

圖6為PCTMS時間采樣時的數據顯示界面,界面中可以顯示4個通道的實時信號波形或者頻譜等形式。圖6(a)為實時信號波形界面,圖6(b)為實時信號頻譜界面。圖7為變壓器信息管理中的振動測點選擇界面,用戶可以選擇測點位置及個數,并根據測點分布圖將傳感器安置在變壓器油箱上。圖8為診斷分析界面,顯示幾種診斷算法的診斷結果,若某種診斷算法不適用則放棄該算法結果。

圖6 實時顯示信號界面

圖7 振動測點選擇界面

圖8 診斷分析界面

4 結束語

本文設計了一種基于振動的便攜式電力變壓器狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(PTCMS),描述了系統的硬件和軟件的設計,同時介紹了本文系統的主要診斷算法。該系統可以帶電采集并分析變壓器穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)運行時的振動信號,根據內置的診斷算法對變壓器狀態(tài)進行診斷,若診斷結果為變壓器異常則發(fā)出警報。在浙北變電站現場的試用結果表明,該系統可以方便、有效地實現對變壓器振動、電流、電壓等信號的采集和變壓器運行狀態(tài)的分析診斷工作,為工作人員提供了一種監(jiān)測變壓器運行狀態(tài)的便捷手段。今后,需要對PTCMS做進一步的結構優(yōu)化,減小其體積和重量,同時還需對診斷算法進行深入研究,以提高系統對變壓器狀態(tài)診斷的準確性。

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編輯 顧逸斐

Design of Portable Transformer Vibration Monitoring and Fault Diagnosis System

WANG Zebo1,ZHOU Jianping2,LIU Jiangming2,ZHENG Jing1,ZHENG Hong3
(1.Department of Instrumentation Science and Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310013,China;
2.Branch Overhaul,Zhejiang Electric Power Corporation,Hangzhou 310007,China;
3.Hangzhou KeLinPower Device Co.,Ltd.,Hangzhou 310005,China)

This paper designs a portable transformer condition monitoring and fault diagnosis system based on vibration analysis method.The system designs and offers pivotal technologies,including hardware and software modules such as signal sampling and conditioning,A/D converting,database,fault diagnosis algorithms and user interface.This system can analyze the condition of transformer based on monitoring transformer signals including vibration,current,voltage and temperature.It contains fault diagnosis algorithms,besides normal signal processing method such as spectrum analysis and amplitude analysis.There are also new diagnosis methods like periodicity diagnosis algorithm and the diagnosis algorithm based on transformer vibration modeling.The methods are used for detecting the transformer abnormal and sending alarm.The test result shows that this system conveniently and effectively realizes live monitoring of transformer condition and fault.

embedded system;portable;power transformer;vibration analysis method;electriferous monitoring;fault diagnosis

1000-3428(2014)11-0292-05

A

TM93

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.11.058

浙江省電力公司科技基金資助項目(ZB13-026B-039);浙江省科技廳公益類基金資助項目(2013C31008)。

王澤波(1986-),男,碩士研究生,主研方向:故障診斷系統,變壓器振動在線監(jiān)測;周建平、劉江明,工程師;鄭 婧,博士研究生;鄭 宏,工程師。

2013-11-18

2013-12-24E-mail:langkebobo@163.com

中文引用格式:王澤波,周建平,劉江明,等.便攜式變壓器振動監(jiān)測與故障診斷系統設計［J］.計算機工程,2014, 40(11):292-296.

英文引用格式:Wang Zebo,Zhou Jianping,Liu Jiangming,et al.Design of Portable Transformer Vibration Monitoring and Fault Diagnosis System［J］.Computer Engineering,2014,40(11):292-296.