城市軌道交通主變電所主變壓器鐵芯接地智能監測系統研究

代文平，汪秋賓，賀 毅

（四川艾德瑞電氣有限公司，四川成都 610031）

0 引言

城市軌道交通主變電所作為地鐵線路的總變電所，承擔整條地鐵線路的電力負荷用電。主變壓器作為主變電所的核心電氣設備，其正常運行要求鐵芯/夾件單點接地，當出現多點接地，會嚴重影響城市軌道交通運行安全[1-2]。國內外近年來對變壓器鐵芯接地監測技術展開了大量研究[3-7]，但存在測量精度及時效性差等問題。研究表明，鐵芯的故障大部分是由于鐵芯/夾件多點接地引起的[8]。目前，對城市軌道交通主變壓器的鐵芯接地電流監測技術仍處于一片空白，因此，本文提出一種適用于城市軌道交通主變電所主變壓器的鐵芯接地智能監測系統，對變壓器鐵芯接地故障檢測技術的研究具有重大意義[9]。

1 主變壓器鐵芯接地智能監測系統方案設計

1.1 總體架構

城市軌道交通主變電所主變壓器的鐵芯接地智能監測系統采用過程層、云端層和站控層的?3?層架構方式，主要由監測電子設備（監測?IED）、云服務器、Web?應用服務器、通信鏈路及監測軟件構成。系統總體架構如圖?1?所示。

圖1 主變壓器鐵芯接地智能監測系統總體架構

（1）過程層。監測?IED?就地化設置在主變壓器的鐵芯接地點附近，完成鐵芯接地電流的采集和處理，并通過?GPRS?的傳輸方式，將采集的電流數據通過移動基站傳送給云服務器。

（2）云端層。接收由監測?IED?發送的鐵芯電流數據，并進行數據儲存。

（3）站控層。通過電腦或手持式設備終端等設備登錄?WEB?應用服務器，完成電流數據的訪問。

該系統具有遠距離傳輸、組網方式靈活、功能擴展方便、抗干擾能力強等特點，可同時監測多個主變電所的主變壓器鐵芯接地電流，實現對主變壓器的實時監測和運行狀態控制，大大降低運維人員的勞動強度，提高工作效率。

1.2 硬件設計

城市軌道交通主變電所主變壓器的鐵芯接地智能監測系統的硬件主要由高精度單匝穿芯式傳感器、電源模塊、模擬信號處理模塊、模擬信號采集模塊、數字信號處理和通信管理模塊、GPRS?通信模塊和?RS485?通信模塊組成，其硬件框圖如圖?2?所示。

圖2 主變壓器的鐵芯接地智能監測系統硬件框圖

1.2.1 電源模塊

由于監測?IED?采用就地化安裝，因此電源設計應充分考慮電磁干擾（EMI）和電磁耐受（EMS）2?個方面的因素。電源模塊采用高性能的模塊化小型結構，選型應滿足DL/T?1498.2-2016《變電設備在線監測裝置技術規范第一部分?1：通則》中功耗、電磁兼容（EMC）等項目相關技術要求。

1.2.2 高精度單匝穿芯式傳感器

高精度單匝穿芯式傳感器作為監測本體取樣的接口元件，在設計時應充分考慮不影響監測本體的安全運行，選型應滿足?DL/T?1498.2-2016《變電設備在線監測裝置技術規范第一部分1：通則》中精度、溫度及?EMC等項目相關技術要求。

1.2.3 模擬信號處理模塊和采集模塊

模擬信號處理模塊應采用高精度、高輸入阻抗、低漂移阻抗單元的集成運算放大器，保證小電流和大電流信號的精度，避免由于傳感器線性度不高造成的誤差增大。采集模塊在電路設計時應與傳感器特性及處理模塊電路配合，保證滿足?DL/T?1498.2-2016《變電設備在線監測裝置技術規范第一部分?1：通則》中相關的精度要求。

1.2.4 數字信號處理和通信管理模塊

數字信號處理和通信管理模塊負責數據運算和通信管理。數據運算采用非遞歸型濾波器（FIR）高階低通數字濾波器和離散傅氏變換的快速算法（FFT分析算法），實時計算鐵芯接地電流及其諧波電流。數據計算完成后通過?GPRS?模塊上傳數據至云平臺服務器，也可由?RS485?接口采用?MODBUS?協議傳到當地?IED?或數據后臺。

1.2.5 GPRS 通信模塊

GPRS?通信模塊將由數字信號處理和通信管理模塊實時計算的鐵芯/夾件接地電流及其諧波電流數據上傳至云平臺服務器。設計時應從功耗低、體積小、高性能等特性方面考慮。

1.2.6 RS485 通信模塊

RS485?通信模塊負責將鐵芯接地電流數據傳到當地IED?或數據后臺。選型應滿足?DL/T?1498.2-2016《變電設備在線監測裝置技術規范第一部分1：通則》中相關的EMC項目技術要求。

1.3 軟件設計

鐵芯/夾件接地在線監測系統的軟件由監測裝置IED端和服務端?2?部分構成。

1.3.1 監測裝置 IED 端軟件

監測?IED?端軟件按照設定的采樣間隔對接地電流進行采樣，將采樣的數據處理后寫入數據傳輸緩存中并通過無線發射模塊發送至云端。其軟件流程如圖?3?所示。

1.3.2 服務端軟件

服務端的軟件包括系統配置、數據采集、歷史數據保存和實時告警模塊，其軟件框圖如圖?4?所示。

4.5 嚴格餐飲具清洗消毒。餐飲服務單位應配備洗碗機或以蒸汽、煮沸等方式，嚴格落實餐飲具和工用具使用后清洗，使用前消毒，消毒后的餐飲具應符合GB14934的規定。餐飲服務單位應配備專用、密閉餐飲具保潔設施，消毒后餐飲具和工用具并在保潔設施內存放。已消毒和未消毒的餐飲具和工用具應分開存放，保潔設施內不得存放其他物品。

（1）系統配置模塊。在移動端或無專用程序時可通過?WEB?端口進行系統配置，也可通過專用協議和專用配置程序通信完成系統配置。

（2）數據采集模塊。在傳輸控制協議（TCP）端口打開服務程序，啟動一定數目的服務線程等待監測IED?的連接，當監測?IED?連接成功時，立即分配空閑的服務器處理監測?IED?上傳的數據，并將數據解析后存入實時數據庫。

圖3 監測 IED 端軟件流程圖

（3）歷史數據保存模塊。實時數據保存完成后，數據進入變化保存服務程序隊列，變化保存服務程序根據配置文件定義，保存該點的歷史數據。

（4）實時告警模塊。實時數據保存完成后，數據進入報警服務程序隊列，報警服務程序根據配置文件定義，判斷當前數據是否異常，并按要求寫入或清除正在報警庫，同時存入歷史事件庫。

2 主變壓器鐵芯接地智能監測系統的應用

根據?DL/T?596-2005《電力設備預防性試驗規程》要求，運行中的鐵芯/夾件接地電流一般不大于?0.1?A。為驗證上述系統方案的可行性，設計了一臺主變壓器鐵芯接地智能?IED，搭建智能監測系統，進行了測試。

鐵芯智能?IED?的安裝方式方便靈活，主變壓器的鐵芯接地采用扁鐵連接，智能?IED?直接安裝在扁鐵走向經過的位置，接地扁鐵直接穿過智能?IED?上的穿線孔；也可將主變壓器的接地扁鐵截斷，換用軟導線穿過智能IED?設備上的穿線孔后進行就近接地。智能?IED?采用固定支架固定方式，可利用主變壓器的螺栓來固定安裝支架，也可將支架設計成夾具形式固定在主變壓器上，亦或將支架直接焊接在主變壓器本體上。

由于鐵芯接地智能?IED?采用單匝穿芯式進行信號取樣，考慮智能?IED?的安裝現場工況，將樣機掛網點的主變壓器接地扁鐵截斷，換用軟導線穿過設備上的穿線孔后采用螺栓連接兩端的扁鐵進行鐵芯的接地，同時采用主變壓器的螺栓固定智能?IED?的安裝支架，如圖?5所示。

智能?IED?正常運行后，通過?GPRS?通信模塊將由數字信號處理和通信管理模塊實時計算的鐵芯/夾件接地電流及其諧波電流數據上傳至云平臺服務器，用戶登錄云平臺可對主變壓器進行遠程實時監測和運行狀態控制，監測的實時數據如圖?6?所示。

圖?7?顯示出了監測的鐵芯電流月歷史數據，通過這些數據有利于掌握鐵芯電流的變化情況和趨勢，為運營維護人員提供有效的數據支撐，實現狀態檢修。

圖4 服務端軟件框圖

圖5 智能 IED 掛網圖

通過圖?6、圖?7?的鐵芯接地智能監測系統的測試數據可知，該系統完成了主變壓器鐵芯接地電流的實時采集與顯示、歷史數據存儲等功能，為提高監測主變壓器安全運行提供了有效的技術手段。

圖6 鐵芯實時監測數據

圖7 鐵芯監測數據曲線及報表

3 結論

本文設計了一種適用于城市軌道交通主變電所主變壓器的鐵芯接地智能監測系統，實現了對主變壓器的遠程實時監測和運行狀態控制。同時，該系統具有組網方式靈活、功能擴展方便、數據存儲和歷史查詢等功能特點，為城市軌道交通的運營及維護提供了有效的技術手段，提高了供電系統的安全性和可靠性。

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