基于振動的電力變壓器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

陸　杰，張　淼，趙宏飛，馬宏忠（.江蘇省電力公司泰州供電公司，泰州 5300；.河海大學能源與電氣學院，南京 00；3.江蘇省電力公司檢修分公司揚州分部，揚州 5000）

基于振動的電力變壓器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

陸杰1，張淼1，趙宏飛2，3，馬宏忠2
（1.江蘇省電力公司泰州供電公司，泰州 225300；2.河海大學能源與電氣學院，南京 211100；3.江蘇省電力公司檢修分公司揚州分部，揚州 225000）

為在線監(jiān)測變壓器的運行狀態(tài)，文中對以機械參數(shù)為主、電氣參數(shù)為輔的變壓器振動分析法進行了研究，在Windows CE平臺上搭建了基于振動信號的電力變壓器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。選用EPC-8000嵌入式工控機主板作為操作系統(tǒng)平臺，PCM-8208BS高速模擬量輸入卡作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，VC++作為軟件開發(fā)環(huán)境。系統(tǒng)裝置能實時采集變壓器的振動信號并進行分析，繪制出實時的時域波形圖、頻譜圖和能量譜圖，得出變壓器的運行狀態(tài)，并進行故障預警，具有良好的在線監(jiān)測效果。

電力變壓器；振動；故障診斷；狀態(tài)監(jiān)測

DOI：10.3969/j.issn.1003-8930.2016.04.013

電力變壓器繞組和鐵芯壓緊程度的降低，將導致繞組抗短路能力的下降，事故隱患增大［1］。因此，對變壓器運行狀況進行在線監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)故障隱患具有非常重要的意義［2］。目前變壓器在線監(jiān)測的方法理論中，油色譜分析是目前對油浸式電力變壓器早期故障進行判斷的最常用的方法之一［3］。可油色譜分析法主要針對變壓器內(nèi)部的過熱以及放電故障，對于機械故障等故障不能及時有效判斷［4］。文獻［5］分析了變壓器振動的產(chǎn)生原理，對利用振動法來監(jiān)測變壓器運行狀態(tài)的可行性進行了分析研究。文獻［6］研究了利用變壓器箱體振動模型確定變壓器故障閾值的診斷方法。

本文研制的變壓器狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)需實現(xiàn)對運行中的變壓器油箱表面的振動進行采集，并對采集數(shù)據(jù)進行處理，然后根據(jù)相關(guān)診斷理論對變壓器進行狀態(tài)評估，從而得到變壓器的運行狀況。綜合考慮所需時間以及資源，選擇周立功公司的EPC-8000嵌入式工控機主板作為操作系統(tǒng)平臺，PCM-8208BS高速模擬量輸入卡作為采集裝置，VC++作為軟件開發(fā)環(huán)境構(gòu)。

1　硬件系統(tǒng)設(shè)計與選型

本文設(shè)計的以EPC-8000為核心的電力變壓器監(jiān)測系統(tǒng)主要分為硬件和軟件兩大部分。

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由振動傳感器、嵌入式工控機、調(diào)理模塊以及數(shù)據(jù)采集卡等組成。數(shù)據(jù)采集卡主要實現(xiàn)對模擬信號進行采集。嵌入式工控機主要實現(xiàn)對采集卡的控制、采集信號的處理分析以及波形顯示控制功能，根據(jù)相關(guān)診斷理論得出變壓器的運行狀態(tài)并予以顯示。由于工作現(xiàn)場的磁場比較強，為減小電磁干擾，系統(tǒng)裝置電纜均采用同軸電纜［7］。整個系統(tǒng)通過對采集的振動進行分析，根據(jù)相關(guān)診斷理論對變壓器狀態(tài)進行分析評估。

圖1　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.1　System hardware structure

監(jiān)測系統(tǒng)軟件程序采用微軟公司推出的Visu?al C++語言進行編寫，可實現(xiàn)變壓器故障在線監(jiān)測系統(tǒng)的各種應用要求［7］。

1.1加速度傳感器及信號調(diào)理模塊

通過前期對電力變壓器油箱表面采集的振動進行分析，得出振動信號特征量頻率主要在10 kHz以內(nèi)。針對上述特點，本設(shè)計采用型號為CA-YD-182壓電式振動加速度傳感器，其具體參數(shù)如表1所示。

表1　傳感器的參數(shù)Tab.1　Sensor parameters

加速度傳感器與外接信號調(diào)理電路如圖2所示。圖中，左邊部分為集成IC的壓電式加速度傳感器，右邊為信號調(diào)理電路部分。信號調(diào)理模塊主要對微弱的加速度信號進行放大及濾波。調(diào)理后模擬信號通過數(shù)據(jù)采集卡進行A/D轉(zhuǎn)換。

信號傳輸電纜的寄生電容是影響信號建立時間的一項重要參數(shù)，因此本文使用盡可能短的帶屏蔽電纜連接傳感器信號到采集卡，減小交叉干擾與噪聲。

圖2　傳感器與信號調(diào)理電路Fig.2　Sensor and signal conditioning circuit

1.2EPC-8000嵌入式工控機主板

由于變電站內(nèi)的電磁場比較強，而狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)就工作在這種環(huán)境中，因此工控機主板應能夠抗電磁干擾［7］。工控機需要能夠進行6路以上通道數(shù)據(jù)的FFT（快速傅里葉變換）、功率譜、小波等算法計算以及采樣數(shù)據(jù)的時頻域、功率譜曲線的繪制等，所以要求主控板的運算速度很高。而且系統(tǒng)要能夠保存一到兩年變壓器的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，工作人員能實時對數(shù)據(jù)進行讀取查看。最重要的是能夠長時間安全穩(wěn)定的運行。綜合上述要求的考慮，選擇周立功公司的EPC-8000嵌入式工控機主板。

1.3PCM-8208BS數(shù)據(jù)采集卡

根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)測以及分析的要求，希望能采集2 kHz頻率以內(nèi)的振動信號。這就要求系統(tǒng)采集模塊的模數(shù)轉(zhuǎn)換具有較高的采樣率，較快的傳輸速率以及較高的A/D采樣精度，并能對增益可編程以及可靠的穩(wěn)定性。

基于以上的要求系統(tǒng)采用廣州致遠電子公司的PCM-8208BS高速模擬量輸入數(shù)據(jù)采集卡。它擁有16路單端輸入通道以及16位的數(shù)據(jù)采樣精度，因此能滿足監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的要求，而且其所有輸入端口都具備過壓保護功能。

在本系統(tǒng)應用中，為排除未使用端口對采集信號的干擾，需將未使用的A/D端口接地。PCM-8208BS采集卡采用PC/104總線與嵌入式工控機EPC-8000進行連接。

1.4無線通信模塊

為實現(xiàn)現(xiàn)場和客戶端的通訊，選取了北京天同誠業(yè)科技有限公司W(wǎng)G-8010GPRS DTU無線通訊模塊。通常工作人員只需設(shè)置一些參數(shù)就可實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)與Internet相連，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連。DTU組網(wǎng)通信的整個應用過程如圖3所示，大致可分為5步。

圖3　DTU應用步驟Fig.3　DTU application step

當數(shù)據(jù)監(jiān)控中心主站要向某個監(jiān)控終端提出信息數(shù)據(jù)請求時，它會根據(jù)數(shù)據(jù)庫里的IP地址以及ID號來找到相應的監(jiān)控終端。當監(jiān)控終端響應后，便通過通用分組無線服務技術(shù)GRPS（general packet radio service）模塊把監(jiān)測采集的數(shù)據(jù)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)代理服務器端口，再由端口映射轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)控數(shù)據(jù)中心即完成一個應答式的通訊流程。

2　振動測點選擇與監(jiān)測方法

2.1振動測點的選擇

依據(jù)變壓器鐵芯、繞組振動的傳播原理可得，徑向振動傳播到變壓器油箱正面中部（靠近高壓側(cè)）油箱的傳播路徑最短，測得的振動幅值比較高，因此，在油箱正面中部布置3個振動測量點。為測量變壓器軸向方向的振動，選取了變壓器油箱頂部A、B、C三相繞組正上方的3個點來測量振動信號。選擇的監(jiān)測測點具體布放如圖4所示，振動傳感器利用磁鐵吸附在變壓器油箱表面。

圖4　變壓器油箱測點分布Fig.4　Transformer tank measuring point maps

2.2故障定位研究

傳統(tǒng)故障定位的核心原理：振動傳播路程與時間等量的關(guān)系。由于變壓器的三維尺寸有限，信號傳播時差極小，因此，根據(jù)時差識別方法來對變壓器進行故障定位是比較困難的。

本文研究發(fā)現(xiàn)，機械振動傳播不同于電氣量傳播，振動信號在變壓器固體構(gòu)件中傳播時比電氣量在導體中傳播時的衰減程度大很多。雖然理論上定量計算仍需要進一步研究，但這一點已具有實用價值。根據(jù)振動在變壓器內(nèi)的傳播途徑和振動的衰減特點，可利用油箱表面不同位置測得振動信號的衰減程度來判斷哪一相發(fā)生了故障。通過布置不同位置傳感器，比較哪一個傳感器的故障特征變化明顯，則故障就發(fā)生在該傳感器附近，實現(xiàn)初步定位。

2.3故障診斷方法分析

油浸式電力變壓器常見故障有繞組松動變形、鐵芯松動、繞組絕緣弱化等3種類型。針對這3種故障進行變壓器故障模擬實驗，分正常運行狀態(tài)（無故障）和故障狀態(tài)兩種情況進行實驗，并對不同狀態(tài)下油箱表面的振動信號進行測量。

利用測量裝置分別對變壓器正常時（無故障）和3種故障狀態(tài)時的振動進行測量。將測得的振動數(shù)據(jù)進行分析并保存，以便分辨正常狀態(tài)和每種故障狀態(tài)時振動信號的差異。為防止隨機影響，故每次實驗測量3次，以提高實驗測量數(shù)據(jù)的可靠。

采用以下步驟對變壓器油箱表面測得的振動信號進行分析：①首先將測得的振動信號進行濾波降噪處理，降噪后的信號降低了噪聲的干擾。②采用FFT及功率譜對經(jīng)過步驟①處理的振動信號進行頻譜分析，將有用的特征頻率分量提取出來，然后將變壓器油箱表面6個不同測點的振動信號特征頻率幅值與初始化的閾值（變壓器無故障時的值）進行對比，來判斷變壓器是否故障以及故障發(fā)生的大概位置（三相中的一相繞組或鐵芯）。③對FFT的計算結(jié)果進行頻率分段，計算各頻率段的能量和。當特征頻率段能量和超過初始化的閾值（變壓器無故障時的值）時，就可以根據(jù)不同情況判斷出相應的故障類型。

當然，還可利用希爾伯特-黃變換HHT（Hil?bert-Huang transform）［8］對測量數(shù)據(jù)進行分析，以獲得信號的時頻數(shù)據(jù)，通過分析信號的能量分布，就可提取故障特征。根據(jù)第1個基本模式分量IMF （intrinsic mode function）的瞬時頻率或瞬時幅值可進行故障特征提取。以此來判斷變壓器的故障情況。由于主頻的限制，復雜的HHT算法無法在嵌入式工控機上實現(xiàn)。

3　軟件設(shè)計

3.1算法程序設(shè)計

FFT、功率譜及小波分析算法均使用C語言開發(fā)，C語言編程比較靈活，可讀性和可移植性很強，有利于程序的修改，加快了開發(fā)的速度。其中FFT是功率譜和小波算法的基礎(chǔ)，F(xiàn)FT算法的流程如圖5所示。

圖5　FFT算法流程Fig.5　flow chart of FFT algorithm

在實際應用中發(fā)現(xiàn)，對振動信號經(jīng)過快速傅里葉變換得到的頻譜數(shù)據(jù)，其幅值、頻率以及相位都會有誤差。就算通過加窗的方法處理后也不能完全將誤差消除［9］，因此，實際應用時需要對幅值譜進行校正，本文采用加矩形窗的幅值比進行頻譜校正。

設(shè)窗函數(shù)的頻譜模函數(shù)為f（x），主瓣函數(shù)為

式中，A為對應主瓣中心 x0的真實幅值，現(xiàn)將y=yk，x=k代入式（1）得

式中，k-x0=Δk，解出幅值A(chǔ)的值為

在頻譜分析中，矩形窗定義為

矩形窗的頻譜函數(shù)為

k的取值范圍為［-1，+1］區(qū)間，當 N＞＞1， 1 N→0，所以存在簡化條件

設(shè)譜線處于Δk和Δk-1兩點，且已知相應的譜線高度為y1和y2，則有

由式（8）可以求出頻率的修正量為

將式（9）代入式（3），可得到矩形窗幅值校正公式為

快速傅里葉變換后的數(shù)據(jù)通過式（10）進行頻譜校正后，再進行功率譜以及小波算法編程計算。

3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計

變壓器故障在線監(jiān)測系統(tǒng)在Visual C++環(huán)境下進行程序開發(fā)。PCM-8208BS數(shù)據(jù)采集板采用動態(tài)鏈接庫編程技術(shù)，實現(xiàn)在Visual C++平臺對采集卡進行編程寫。對于PCM-8208BS的編程控制，周立功單片機公司提供了在Windows CE操作系統(tǒng)下的應用程序編程接口API（application program? ming interface）函數(shù)的ZwaPCM8208BTBSDrv動態(tài)庫，該動態(tài)庫封裝了對板卡內(nèi)部寄存器的底層操作，實現(xiàn)了板卡的所有功能。系統(tǒng)程序流程如圖6所示，最后根據(jù)相關(guān)診斷理論對處理結(jié)果進行故障分析，如果出現(xiàn)故障，則發(fā)出警報，并存儲實時數(shù)據(jù)。

圖6　系統(tǒng)程序流程Fig.6　Flow chart of system program

3.3系統(tǒng)界面顯示與數(shù)據(jù)存儲

軟件系統(tǒng)大致實現(xiàn)3個功能：控制功能、曲線顯示功能、數(shù)據(jù)存儲分析功能以及告警提示功能等。軟件運行界面如圖7所示，監(jiān)測系統(tǒng)運行的界面的左邊設(shè)置部分包括：故障閾值設(shè)置、數(shù)據(jù)采集控制設(shè)置、運行狀態(tài)提示、系統(tǒng)時間以及文件存儲設(shè)置等。右邊數(shù)據(jù)的顯示部分包括時域?qū)崟r波形圖、FFT圖、功率譜圖等。

圖7　系統(tǒng)界面顯示Fig.7　System interface display

系統(tǒng)默認的數(shù)據(jù)存儲格式為文本格式。在系統(tǒng)運行自動（或手動）采集數(shù)據(jù)時，選中實時讀取到文件復選框，系統(tǒng)會按照默認存儲路徑進行數(shù)據(jù)存儲。數(shù)據(jù)文本文件以采集數(shù)據(jù)信號為開始保存標志，對采集到的原始數(shù)據(jù)、分析后的數(shù)據(jù)以及故障數(shù)據(jù)分別進行存儲。原始數(shù)據(jù)文件名為“變電所名縮寫+變壓器號+日期時間”；分析后的數(shù)據(jù)文件名為“變壓器號+日期年份”；故障數(shù)據(jù)文件名為“變壓器號+故障+日期時間”。系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)為振動信號，保存的數(shù)據(jù)長度為進行一次的采樣。

4　實測數(shù)據(jù)分析

本文列取系統(tǒng)對變壓器鐵芯松動情況下的分析結(jié)果。表2所示變壓器低壓側(cè)外加電壓在360 V～440 V之間變化，變壓器正常和鐵芯松動時，振動信號中100 Hz特征頻率分量的幅值比較。

表2　變壓器鐵芯正常、松動時，振動幅值比較Tab.2　Comparison of vibration amplitude when transformer core normal and loose

由表2可得出，變壓器在鐵芯松動時相比正常狀態(tài)時的100 Hz特征頻率分量要大，為1.5倍左右。因此，可依據(jù)上述特征判斷變壓器發(fā)生鐵芯松動，系統(tǒng)以此設(shè)置閾值來進行故障判斷。

5　結(jié)語

為開發(fā)基于振動的電力變壓器狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，本文對系統(tǒng)硬件進行了選擇，并對系統(tǒng)軟件以及算法進行了設(shè)計開發(fā)。系統(tǒng)能實現(xiàn)對采集到的變壓器油箱表面的振動信號進行FFT、功率譜及小波變換分析。將提取的振動特征量與正常無故障時的進行比較，就可以實現(xiàn)對變壓器狀態(tài)進行在線監(jiān)測以及狀態(tài)評估。該監(jiān)控系統(tǒng)具有良好的推廣和應用價值。

［1］Berler Z，Golubev A，Rosov V，et al.Vibro-acoustic meth?od of transformer clamping pressure monitoring［C］//IEEE International Symposium on Electrical Insulation，Ana?heim，USA，2000：263-266.

［2］ 王鈺，李彥明，張成良（Wang Yu，Li Yanming，Zhang Chengliang）.變壓器繞組變形檢測的LVI法和FRA法的比較研究（The comparisonal study on LVI and FRA method of detecting winding deformation faults in trans? formers）［J］.高電壓技術(shù)（High Voltage Engineering），1997，23（1）：13-15，18.

［3］李候明（Li Houming）.變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測發(fā)展現(xiàn)狀（Development conditions of dissolved gas online monitoring in transformer oil）［J］.電氣開關(guān)（Elec?tric Switchgear），2012（1）：14-16.

［4］ 馮永新，鄧小文，范立莉，等（Feng Yongxin，Deng Xiaowen，F(xiàn)an Lili，et al）.大型電力變壓器振動法故障診斷與發(fā)展趨勢（Vibration method for large power transformer fault diagnosis and its trend）［J］.變壓器（Transformer），2009，46（10）：69-73.

［5］陳健，丁巧林，李中（Chen Jian，Ding Qiaolin，Li Zhong）.變壓器振動波譜在線監(jiān)測的可行性研究（Feasibility study of vibration wave spectrum on-line monitoring for transformer）［J］.變壓器（Transformer），2011，48（9）：32-34.

［6］ 劉洪濤，馬宏忠，高鵬，等（Liu Hongtao，Ma Hong?zhong，Gao Peng，et al）.利用變壓器箱體振動模型確定故障閾值（Method of determining the threshold of transformer fault using transformer tank vibration model）［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學報（Proceedings of the CSUEPSA），2012，24（6）：36-40，82.

［7］王付宗，馬宏忠，姜寧，等（Wang Fuzong，Ma Hong?zhong，Jiang Ning，et al）.基于數(shù)據(jù)采集卡的變壓器分接開關(guān)監(jiān)控系統(tǒng)的研制（Development of monitoring system for tap-changer in transformer based on data ac?quisition card）［J］.變壓器（Transformer），2010，47（4）：54-57.

［8］ 杜輝，王清亮，張璐，等（Du Hui，Wang Qingliang，Zhang Lu，et al）.采用希爾伯特黃變換方法實現(xiàn)配電網(wǎng)故障選線（Fault line selection of distribution network based on Hilbert-Huang transform）［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2013，25 （5）：60-64.

［9］蔡曉峰，張鴻博，魯改鳳（Cai Xiaofeng，Zhang Hongbo，Lu Gaifeng）.應用三譜線插值FFT分析電力諧波的改進算法（Improvement algorithm for harmonic analysis of power system using triple-spectrum-line interpolation al?gorithm based on window FFT）［J］.電力系統(tǒng)保護與控制（Power System Protection and Control），2015，43（2）：33-39.

Design of Power Transformer Condition Monitoring System Based on the Vibration Signal

LU Jie1，ZHANG Miao1，ZHAO Hongfei2，3，MA Hongzhong2
（1.Taizhou Power Supply Company，Jiangsu Electric Power Company，Taizhou 225300，China；2.College of Energy and Electrical Engineering，Hohai University，Nanjing 211100，China；3.Yangzhou Department of Jiangsu Electric Power Company's Maintenance Branch，Yangzhou 225000，China）

In order to monitor the running state of transformer online，the method of transformer vibration analysis main?ly depending on mechanical parameters and supplementary with electrical parameters is researched in this paper.And the on-line monitoring and fault diagnosis system for power transformer based vibration signal is built on Windows CE platform.The system device uses EPC-8000 as the operating system platform，PCM-8208BS high-speed analog input card as a data acquisition device，VC++as software development environment.The system device can acquire the vibra?tion signal of the transformer in real time and do signal analysis.It can also draw a real-time time-domain waveform，fre?quency spectrum，the energy spectrum，obtain the status of operation of the transformer and do fault warning.It has a good line monitoring effect.

power transformer；vibration；fault diagnosis；condition monitoring

TM406

A

1003-8930（2016）04-0073-05

2014-04-30；

2015-05-11

陸杰（1989—），男，本科，助理工程師，研究方向為電力系統(tǒng)分析、電氣設(shè)備故障診斷。Email：244689530@qq.com

張淼（1986—），男，本科，助理工程師，研究方向為電力系統(tǒng)分析、電氣設(shè)備故障診斷。Email：382643026@qq.com

趙宏飛（1988—），男，碩士，助理工程師，研究方向為電氣設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷。Email：zhaohongfei198810@ 126.com