基于LabVIEW的換流變壓器溫度巡檢系統(tǒng)設(shè)計

林萬德 沈潔 王理麗 李淵 馬驥

摘? 要：換流變壓器作為直流輸電系統(tǒng)的重要設(shè)備，其工作狀態(tài)對整個交直流電氣隔離系統(tǒng)至關(guān)重要，溫升試驗是檢驗換流變壓器品質(zhì)的重要項目之一。文章設(shè)計了一款基于LabVIEW的換流變壓器溫度巡檢系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過采集Pt100鉑熱電阻溫度傳感器的測溫數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對64路通道溫度的實時監(jiān)測。該溫升試驗的結(jié)果表明：頂層油溫、繞組溫度以及環(huán)境溫度均可準(zhǔn)確獲取，同時可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時保存和分析。目前，該系統(tǒng)已被東北電力科學(xué)研究院有限公司高壓試驗場運用于換流變壓器現(xiàn)場溫升試驗中，其工作性能穩(wěn)定，監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，明顯提升了測試效率。

關(guān)鍵詞：LabVIEW;溫度巡檢;換流變壓器

中圖分類號：TP274+.2? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）09-0031-03

Abstract： As an important equipment of DC transmission system， converter transformer plays an important part of the entire AC and DC electrical isolation system. Temperature rise test is one of the important items to check the quality of converter transformers. One temperature inspection system for converter transformer was designed here based on LabVIEW， which could achieve real-time monitoring of the temperature of 64 channels by collecting temperature data from Pt100 platinum thermal resistance temperature sensor. The results show that top oil temperature， winding temperature and ambient temperature can be accurately achieved as well as real-time data storage and analysis. At present， the system has been applied to the field temperature rise test of converter transformers by the Northeast Electric Power Research Institute Co.， Ltd.， with stable working performance， accurate monitoring data and high test efficiency.

Keywords： LabVIEW; temperature inspection; converter transformer

引言

換流變壓器作為電網(wǎng)直流輸電系統(tǒng)的重要設(shè)備，其作用是向換流器供給交流功率或從換流器接受交流功率，同時將網(wǎng)側(cè)交流電壓轉(zhuǎn)換成閥側(cè)所需電壓[1，2]。鑒于換流變壓器在電網(wǎng)中的重要作用，其安全性備受關(guān)注。

溫升是影響變壓器類產(chǎn)品安全運行的重要性能指標(biāo)，其對換流變壓器產(chǎn)品的重要性不言而喻。目前，國內(nèi)換流變壓器溫升測試基本上還是使用溫度采集裝置如溫度巡檢儀自帶的通用軟件進(jìn)行測量，其主要缺點是測試軟件沒有針對換流變壓器溫升試驗的特點進(jìn)行設(shè)計。在測試過程中，換流變壓器各測點的溫度還要靠人員監(jiān)控，耗時耗力，測試效率較低[3，4]。因此，構(gòu)建功能完善的換流變壓器溫度巡檢系統(tǒng)，以快速、準(zhǔn)確地采集監(jiān)控測試過程的溫度參數(shù)，顯得尤為重要。

本文針對換流變壓器現(xiàn)場溫升試驗，分別以基于LabVIEW應(yīng)用軟件的Windows平臺和溫度巡檢儀為上位機(jī)和下位機(jī)，設(shè)計了一套換流變壓器溫度巡檢系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有實時溫度監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)保存以及溫度閾值報警等功能。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

針對換流變壓器測溫系統(tǒng)，在其工作過程中，首先通過內(nèi)置LabVIEW應(yīng)用軟件的溫度巡檢儀（即下位機(jī)）來獲取溫度數(shù)據(jù)，接著將該數(shù)據(jù)按照一定的格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換并傳送至上位機(jī)進(jìn)行顯示。因此，在硬件方面，下位機(jī)主要包括溫度測量和數(shù)據(jù)通訊兩大模塊。

1.1 溫度測量模塊

由于監(jiān)測溫度為非電量信號，因此需借助測溫傳感器首先將溫度信號轉(zhuǎn)換為電參量信號，再借助信號調(diào)節(jié)模塊最終轉(zhuǎn)換為可以被計算機(jī)識別的電量。在測溫傳感器方面，基于換流變壓器溫升試驗溫度通常在100℃以下，故選用Pt100鉑熱電阻溫度傳感器，該傳感器具有性能穩(wěn)定、輸出特性好、測量精度高等優(yōu)點[5]，因此被廣泛應(yīng)用于中低溫區(qū)的溫度測量。本系統(tǒng)所用為WZP-187-3PBO型鉑熱電阻溫度傳感器。在信號調(diào)節(jié)模塊，采用隔離型溫度變送器，該變送器不僅可以實現(xiàn)溫度信號的轉(zhuǎn)換，同時具有信號穩(wěn)定精度高、三端隔離抗干擾等優(yōu)點。本系統(tǒng)所用為LU-GS11型溫度變送器，其與上述溫度傳感器采用三線制接線法進(jìn)行連接。

1.2 數(shù)據(jù)通訊模塊

本系統(tǒng)利用LABVIEW編寫下位機(jī)軟件，可通過網(wǎng)口通訊和串口通訊與上位機(jī)進(jìn)行通訊。網(wǎng)口通訊可借助網(wǎng)線將下位機(jī)與上位機(jī)相連，通過修改下位機(jī)的IP地址，使之與上位機(jī)處于同一網(wǎng)段;串口通訊則是通過連接下位機(jī)和上位機(jī)的RS232串口并選擇合適的波特率來實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。此外，下位機(jī)軟件可連接多臺設(shè)備，因此該軟件可支持64路通道的實時溫度監(jiān)測。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在換流變壓器測溫系統(tǒng)中，下位機(jī)主要負(fù)責(zé)溫度測量和數(shù)據(jù)傳輸，而上位機(jī)在實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和傳輸?shù)幕A(chǔ)上，還支持如下功能：

（1）通道選擇與設(shè)置。該軟件共支持64路通道（8只8通道模塊）的溫度測量，故主界面可直觀顯示各通道信息。

（2）溫度報警。當(dāng)通道的采集數(shù)據(jù)大于該通道的上限或小于其下限時，系統(tǒng)會通過外部報警設(shè)備向管理員發(fā)送報警信息。

（3）數(shù)據(jù)顯示。該系統(tǒng)可實時顯示下位機(jī)傳送的測溫信息，通過后臺界面隨時查詢所測設(shè)備的溫度變化情況以及告警信息。

（4）歷史數(shù)據(jù)保存與導(dǎo)出功能。

結(jié)合上述功能，該應(yīng)用軟件前面板的具體設(shè)計如圖1所示：

可以看到，左側(cè)為64路通道溫度顯示模塊，右側(cè)為功能設(shè)置模塊，界面簡潔，易于使用。溫升試驗過程中，上位機(jī)通過接收下位機(jī)所傳數(shù)據(jù)對各路通道的溫度進(jìn)行實時監(jiān)測。此外，其還支持某時段內(nèi)溫度曲線的直觀顯示。因此，在軟件方面，上位機(jī)主要包括數(shù)據(jù)通訊和數(shù)據(jù)顯示兩大模塊。

2.1 數(shù)據(jù)通訊模塊

結(jié)合硬件系統(tǒng)屬性，上位機(jī)和下位機(jī)可以采用兩種方式進(jìn)行通訊，即網(wǎng)口通訊和串口通訊，這里主要介紹網(wǎng)口通訊。網(wǎng)口通訊過程分三步：第一步，上位機(jī)與下位機(jī)建立TCP連接，即TCP檢測;第二步，上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令，即數(shù)據(jù)請求;第三步，上位機(jī)解析由下位機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)并將其按照一定的格式取出，即數(shù)據(jù)解析與提取。圖2所示是TCP檢測模塊的程序框圖。

由圖可知，上位機(jī)每隔0.5秒會嘗試對地址為192.168.191.101：8899的下位機(jī)進(jìn)行一次TCP連接的建立，同時設(shè)定建立連接完成的最長時限為3秒，超出該時長即認(rèn)為建立連接失敗，并拋出錯誤。若連接建立成功，則進(jìn)入下一步。

在數(shù)據(jù)請求過程中，上位機(jī)按照通信協(xié)議對指令字節(jié)碼進(jìn)行組裝，隨后通過TCP連接，將其發(fā)送至下位機(jī)。若發(fā)送成功，則記錄本次操作，同時為下次指令發(fā)送做準(zhǔn)備;若發(fā)送失敗，則標(biāo)記“命令超時”。具體程序框圖如圖3所示。

數(shù)據(jù)請求命令發(fā)送成功后，上位機(jī)根據(jù)所接收的命令讀取下位機(jī)傳送的不同字節(jié)長度的數(shù)據(jù)。接著，通過Modbus CRC算法確認(rèn)該串字節(jié)碼的完整性和有效性。最后，取出該字節(jié)碼的實際數(shù)據(jù)部分并進(jìn)行相應(yīng)處理。如圖4所示，針對上位機(jī)所接收數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的小數(shù)點后位數(shù)并結(jié)合相應(yīng)的運算規(guī)則，即可得到實際溫度測量值，并將該數(shù)值發(fā)送到前面板進(jìn)行顯示。

2.2 數(shù)據(jù)顯示模塊

通過系統(tǒng)前面板，不僅可以實時顯示通道溫度值，還可以選擇觀測單一或多路通道在某一時段內(nèi)的溫度變化曲線。結(jié)合圖5可以看到：工作過程中，上位機(jī)首先根據(jù)更新間隔和顯示時間來確定一個二維數(shù)組的長度。然后，將所接收的新數(shù)據(jù)不斷地追加到該數(shù)組結(jié)尾，同時將部分舊數(shù)據(jù)刪除。最后，將該數(shù)組送至圖6所示曲線圖界面進(jìn)行顯示。該設(shè)定有助于全面監(jiān)測換流變壓器在整個溫升試驗中的溫度變化情況。

3 結(jié)束語

本文引入了一種基于LabVIEW的換流變壓器溫度巡檢系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過將下位機(jī)所采集的溫度信息傳輸至上位機(jī)進(jìn)行解析，實現(xiàn)對所測通道溫度的實時顯示與監(jiān)測。文中分別從硬件和軟件兩個方面介紹了該系統(tǒng)的設(shè)計理念以及設(shè)計方法，并通過東北電力科學(xué)研究院有限公司高壓試驗場現(xiàn)場溫升試驗予以證實。研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有操作界面簡潔、易用，數(shù)據(jù)獲取準(zhǔn)確、快速等優(yōu)點，可廣泛適用于各類換流變壓器溫升試驗項目。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉恩洲，王連鵬.兩種不同換流變油流溫升技術(shù)淺析[J].變壓器，2018，55（8）：48-51.

[2]周峰，張丹丹，劉弘景，等.溫度對換流變壓器繞組端部電場分布的影響研究[J].高壓電器，2020，56（1）：80-86.

[3]楊潔民，王振.換流變繞組溫度測量裝置故障原因分析及測量裝置原理介紹[J].變壓器，2014，51（8）：48-51.

[4]趙宇，張邦民，蔡珍.基于LabVIEW的變壓器溫升數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（4）：155-158.

[5]劉振全，王漢芝.金屬熱電阻溫度傳感器在多路溫度監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].傳感器世界，2006，12：25-27+36.