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(xué)能源與電氣學(xué)院,南京 00;3.江蘇省電力公司檢修分公司揚(yáng)州分部,揚(yáng)州 5000)
基于振動(dòng)的電力變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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(xué)能源與電氣學(xué)院,南京 211100;3.江蘇省電力公司檢修分公司揚(yáng)州分部,揚(yáng)州 225000)
為在線監(jiān)測(cè)變壓器的運(yùn)行狀態(tài),文中對(duì)以機(jī)械參數(shù)為主、電氣參數(shù)為輔的變壓器振動(dòng)分析法進(jìn)行了研究,在Windows CE平臺(tái)上搭建了基于振動(dòng)信號(hào)的電力變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。選用EPC-8000嵌入式工控機(jī)主板作為操作系統(tǒng)平臺(tái),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(shí)時(shí)采集變壓器的振動(dòng)信號(hào)并進(jìn)行分析,繪制出實(shí)時(shí)的時(shí)域波形圖、頻譜圖和能量譜圖,得出變壓器的運(yùn)行狀態(tài),并進(jìn)行故障預(yù)警,具有良好的在線監(jiān)測(cè)效果。
電力變壓器;振動(dòng);故障診斷;狀態(tài)監(jiān)測(cè)
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(dǎo)致繞組抗短路能力的下降,事故隱患增大[1]。因此,對(duì)變壓器運(yùn)行狀況進(jìn)行在線監(jiān)測(cè),及時(shí)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(cè)的方法理論中,油色譜分析是目前對(duì)油浸式電力變壓器早期故障進(jìn)行判斷的最常用的方法之一[3]??捎蜕V分析法主要針對(duì)變壓器內(nèi)部的過熱以及放電故障,對(duì)于機(jī)械故障等故障不能及時(shí)有效判斷[4]。文獻(xiàn)[5]分析了變壓器振動(dòng)的產(chǎn)生原理,對(duì)利用振動(dòng)法來監(jiān)測(cè)變壓器運(yùn)行狀態(tài)的可行性進(jìn)行了分析研究。文獻(xiàn)[6]研究了利用變壓器箱體振動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行中的變壓器油箱表面的振動(dòng)進(jìn)行采集,并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,然后根據(jù)相關(guān)診斷理論對(duì)變壓器進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估,從而得到變壓器的運(yùn)行狀況。綜合考慮所需時(shí)間以及資源,選擇周立功公司的EPC-8000嵌入式工控機(jī)主板作為操作系統(tǒng)平臺(tái),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)。
本文設(shè)計(jì)的以EPC-8000為核心的電力變壓器監(jiān)測(cè)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(dòng)傳感器、嵌入式工控機(jī)、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(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采集。嵌入式工控機(jī)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)采集卡的控制、采集信號(hào)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(yùn)行狀態(tài)并予以顯示。由于工作現(xiàn)場(chǎng)的磁場(chǎng)比較強(qiáng),為減小電磁干擾,系統(tǒng)裝置電纜均采用同軸電纜[7]。整個(gè)系統(tǒng)通過對(duì)采集的振動(dòng)進(jìn)行分析,根據(jù)相關(guān)診斷理論對(duì)變壓器狀態(tài)進(jìn)行分析評(píng)估。
圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 System hardware structure
監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件程序采用微軟公司推出的Visu?al C++語(yǔ)言進(jìn)行編寫,可實(shí)現(xiàn)變壓器故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各種應(yīng)用要求[7]。
1.1加速度傳感器及信號(hào)調(diào)理模塊
通過前期對(duì)電力變壓器油箱表面采集的振動(dòng)進(jìn)行分析,得出振動(dòng)信號(hào)特征量頻率主要在10 kHz以內(nèi)。針對(duì)上述特點(diǎn),本設(shè)計(jì)采用型號(hào)為CA-YD-182壓電式振動(dòng)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(hào)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(hào)調(diào)理電路部分。信號(hào)調(diào)理模塊主要對(duì)微弱的加速度信號(hào)進(jìn)行放大及濾波。調(diào)理后模擬信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。
信號(hào)傳輸電纜的寄生電容是影響信號(hào)建立時(shí)間的一項(xiàng)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(hào)到采集卡,減小交叉干擾與噪聲。
圖2 傳感器與信號(hào)調(diào)理電路Fig.2 Sensor and signal conditioning circuit
1.2EPC-8000嵌入式工控機(jī)主板
由于變電站內(nèi)的電磁場(chǎng)比較強(qiáng),而狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就工作在這種環(huán)境中,因此工控機(jī)主板應(yīng)能夠抗電磁干擾[7]。工控機(jī)需要能夠進(jìn)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(jì)算以及采樣數(shù)據(jù)的時(shí)頻域、功率譜曲線的繪制等,所以要求主控板的運(yùn)算速度很高。而且系統(tǒng)要能夠保存一到兩年變壓器的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù),工作人員能實(shí)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取查看。最重要的是能夠長(zhǎng)時(shí)間安全穩(wěn)定的運(yùn)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(jī)主板。
1.3PCM-8208BS數(shù)據(jù)采集卡
根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)以及分析的要求,希望能采集2 kHz頻率以內(nèi)的振動(dòng)信號(hào)。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(duì)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(yuǎn)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(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求,而且其所有輸入端口都具備過壓保護(hù)功能。
在本系統(tǒng)應(yīng)用中,為排除未使用端口對(duì)采集信號(hào)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(jī)EPC-8000進(jìn)行連接。
1.4無線通信模塊
為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)和客戶端的通訊,選取了北京天同誠(chéng)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(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)與Internet相連,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連。DTU組網(wǎng)通信的整個(gè)應(yīng)用過程如圖3所示,大致可分為5步。
圖3 DTU應(yīng)用步驟Fig.3 DTU application step
當(dāng)數(shù)據(jù)監(jiān)控中心主站要向某個(gè)監(jiān)控終端提出信息數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí),它會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)里的IP地址以及ID號(hào)來找到相應(yīng)的監(jiān)控終端。當(dāng)監(jiān)控終端響應(yīng)后,便通過通用分組無線服務(wù)技術(shù)GRPS(general packet radio service)模塊把監(jiān)測(cè)采集的數(shù)據(jù)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)器端口,再由端口映射轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中心即完成一個(gè)應(yīng)答式的通訊流程。
2.1振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的選擇
依據(jù)變壓器鐵芯、繞組振動(dòng)的傳播原理可得,徑向振動(dòng)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(cè)得的振動(dòng)幅值比較高,因此,在油箱正面中部布置3個(gè)振動(dòng)測(cè)量點(diǎn)。為測(cè)量變壓器軸向方向的振動(dòng),選取了變壓器油箱頂部A、B、C三相繞組正上方的3個(gè)點(diǎn)來測(cè)量振動(dòng)信號(hào)。選擇的監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)具體布放如圖4所示,振動(dòng)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(cè)點(diǎn)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(dòng)傳播路程與時(shí)間等量的關(guān)系。由于變壓器的三維尺寸有限,信號(hào)傳播時(shí)差極小,因此,根據(jù)時(shí)差識(shí)別方法來對(duì)變壓器進(jìn)行故障定位是比較困難的。
本文研究發(fā)現(xiàn),機(jī)械振動(dòng)傳播不同于電氣量傳播,振動(dòng)信號(hào)在變壓器固體構(gòu)件中傳播時(shí)比電氣量在導(dǎo)體中傳播時(shí)的衰減程度大很多。雖然理論上定量計(jì)算仍需要進(jìn)一步研究,但這一點(diǎn)已具有實(shí)用價(jià)值。根據(jù)振動(dòng)在變壓器內(nèi)的傳播途徑和振動(dòng)的衰減特點(diǎn),可利用油箱表面不同位置測(cè)得振動(dòng)信號(hào)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(gè)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(shí)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(dòng)變形、鐵芯松動(dòng)、繞組絕緣弱化等3種類型。針對(duì)這3種故障進(jìn)行變壓器故障模擬實(shí)驗(yàn),分正常運(yùn)行狀態(tài)(無故障)和故障狀態(tài)兩種情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn),并對(duì)不同狀態(tài)下油箱表面的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。
利用測(cè)量裝置分別對(duì)變壓器正常時(shí)(無故障)和3種故障狀態(tài)時(shí)的振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量。將測(cè)得的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并保存,以便分辨正常狀態(tài)和每種故障狀態(tài)時(shí)振動(dòng)信號(hào)的差異。為防止隨機(jī)影響,故每次實(shí)驗(yàn)測(cè)量3次,以提高實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠。
采用以下步驟對(duì)變壓器油箱表面測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析:①首先將測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波降噪處理,降噪后的信號(hào)降低了噪聲的干擾。②采用FFT及功率譜對(duì)經(jīng)過步驟①處理的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)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(gè)不同測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)特征頻率幅值與初始化的閾值(變壓器無故障時(shí)的值)進(jìn)行對(duì)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(duì)FFT的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行頻率分段,計(jì)算各頻率段的能量和。當(dāng)特征頻率段能量和超過初始化的閾值(變壓器無故障時(shí)的值)時(shí),就可以根據(jù)不同情況判斷出相應(yīng)的故障類型。
當(dāng)然,還可利用希爾伯特-黃變換HHT(Hil?bert-Huang transform)[8]對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,以獲得信號(hào)的時(shí)頻數(shù)據(jù),通過分析信號(hào)的能量分布,就可提取故障特征。根據(jù)第1個(gè)基本模式分量IMF (intrinsic mode function)的瞬時(shí)頻率或瞬時(shí)幅值可進(jìn)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(fù)雜的HHT算法無法在嵌入式工控機(jī)上實(shí)現(xiàn)。
3.1算法程序設(shè)計(jì)
FFT、功率譜及小波分析算法均使用C語(yǔ)言開發(fā),C語(yǔ)言編程比較靈活,可讀性和可移植性很強(qiáng),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(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),對(duì)振動(dòng)信號(hào)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(huì)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(shí)際應(yīng)用時(shí)需要對(duì)幅值譜進(jìn)行校正,本文采用加矩形窗的幅值比進(jìn)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(duì)應(yīng)主瓣中心 x0的真實(shí)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(dāng) N>>1, 1 N→0,所以存在簡(jiǎn)化條件
設(shè)譜線處于Δk和Δk-1兩點(diǎn),且已知相應(yīng)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(jìn)行頻譜校正后,再進(jìn)行功率譜以及小波算法編程計(jì)算。
3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
變壓器故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在Visual C++環(huán)境下進(jìn)行程序開發(fā)。PCM-8208BS數(shù)據(jù)采集板采用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)編程技術(shù),實(shí)現(xiàn)在Visual C++平臺(tái)對(duì)采集卡進(jìn)行編程寫。對(duì)于PCM-8208BS的編程控制,周立功單片機(jī)公司提供了在Windows CE操作系統(tǒng)下的應(yīng)用程序編程接口API(application program? ming interface)函數(shù)的ZwaPCM8208BTBSDrv動(dòng)態(tài)庫(kù),該動(dòng)態(tài)庫(kù)封裝了對(duì)板卡內(nèi)部寄存器的底層操作,實(shí)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(duì)處理結(jié)果進(jìn)行故障分析,如果出現(xiàn)故障,則發(fā)出警報(bào),并存儲(chǔ)實(shí)時(shí)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(chǔ)
軟件系統(tǒng)大致實(shí)現(xiàn)3個(gè)功能:控制功能、曲線顯示功能、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析功能以及告警提示功能等。軟件運(yùn)行界面如圖7所示,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)行狀態(tài)提示、系統(tǒng)時(shí)間以及文件存儲(chǔ)設(shè)置等。右邊數(shù)據(jù)的顯示部分包括時(shí)域?qū)崟r(shí)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(rèn)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式為文本格式。在系統(tǒng)運(yùn)行自動(dòng)(或手動(dòng))采集數(shù)據(jù)時(shí),選中實(shí)時(shí)讀取到文件復(fù)選框,系統(tǒng)會(huì)按照默認(rèn)存儲(chǔ)路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)文本文件以采集數(shù)據(jù)信號(hào)為開始保存標(biāo)志,對(duì)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(jìn)行存儲(chǔ)。原始數(shù)據(jù)文件名為“變電所名縮寫+變壓器號(hào)+日期時(shí)間”;分析后的數(shù)據(jù)文件名為“變壓器號(hào)+日期年份”;故障數(shù)據(jù)文件名為“變壓器號(hào)+故障+日期時(shí)間”。系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)為振動(dòng)信號(hào),保存的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為進(jìn)行一次的采樣。
本文列取系統(tǒng)對(duì)變壓器鐵芯松動(dòng)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(dòng)時(shí),振動(dòng)信號(hào)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(dòng)時(shí),振動(dòng)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(dòng)時(shí)相比正常狀態(tài)時(shí)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(dòng),系統(tǒng)以此設(shè)置閾值來進(jìn)行故障判斷。
為開發(fā)基于振動(dòng)的電力變壓器狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng),本文對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行了選擇,并對(duì)系統(tǒng)軟件以及算法進(jìn)行了設(shè)計(jì)開發(fā)。系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的變壓器油箱表面的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行FFT、功率譜及小波變換分析。將提取的振動(dòng)特征量與正常無故障時(shí)的進(jìn)行比較,就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)以及狀態(tài)評(píng)估。該監(jiān)控系統(tǒng)具有良好的推廣和應(yīng)用價(jià)值。
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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?yàn)殡娏ο到y(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?yàn)殡娏ο到y(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?yàn)殡姎庠O(shè)備狀態(tài)檢測(cè)與故障診斷。Email:zhaohongfei198810@ 126.com