基于變壓器振動的監(jiān)測系統(tǒng)研究

謝傳真

摘要：變壓器是電力系統(tǒng)的重要設(shè)備，變壓器振動反應(yīng)著內(nèi)部繞組與鐵芯的機械狀態(tài)，通過振動信號采集、特征提取、分析可以判斷變壓器運行狀態(tài)，對變壓器安全評估提供意見。

關(guān)鍵詞：變壓器振動;信號處理;在線檢測

在線監(jiān)測系統(tǒng)通過對變壓器表面振動的監(jiān)測、分析與診斷獲得變壓器的運行狀態(tài)和故障信息。這種診斷方法與整個電力系統(tǒng)沒有電氣連接，不需要停用變壓器而損失負(fù)荷，傳感器可以靈活快速布置在變壓器箱體表面，便于對投運變壓器改造，可以快速、安全、可靠地實現(xiàn)變壓器在線狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的目的。在提倡狀態(tài)檢修的情況下，對于變壓器運行狀況的評估具有實際意義。

一、在線監(jiān)測系統(tǒng)研究

針對變壓器內(nèi)部鐵芯和繞組松動、變形、絕緣墊損壞等異?，F(xiàn)象，利用變壓器箱體表面的振動信號進(jìn)行分析處理，提出基于變壓器內(nèi)部異常振動的無線通信在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)變壓器異常振動在線監(jiān)測，以評估變壓器的運行狀態(tài)。

1.1監(jiān)測算法的研究

首先探究變壓器振動機理，變壓器振動信號特性。通過查詢資料已經(jīng)知道，變壓器振動主要來源于鐵芯和繞組兩部分，且理論上振動基頻為加載電壓和負(fù)載電流頻率的兩倍，由于變壓器鐵芯材料、墊圈材料存在非線性等原因，鐵芯磁通密度波形并非標(biāo)準(zhǔn)正弦波，大量實驗表明振動除了基頻分量外，含有大量高次諧波分量。另一方面，冷卻系統(tǒng)的振動需要通過硬件或算法進(jìn)行過濾以免干擾對故障的判斷。因此，監(jiān)測算法從振動信號中提取有效的振動信息，利用振動的幅值特性或振動的頻域特征，設(shè)定相應(yīng)的閾值，以鑒別故障情況。

1.2系統(tǒng)硬件的設(shè)計

硬件上主要有振動傳感器、采集單元、處理器、通信模塊、電源模塊、顯示模塊等。振動傳感器的選擇考慮振動信號頻率范圍并且能夠可靠工作。為了避免電纜接線等對振動信號的干擾，采取無線通信方式，可以靈活布置傳感器，也可以布置多個傳感器構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)。由于現(xiàn)場的電磁環(huán)境比較特殊，所選擇的處理器和通信模塊要有較強的抗電磁干擾能力，并且考慮到電源供電問題，盡量采取體積小、功耗低的模塊。電源應(yīng)能夠持續(xù)穩(wěn)定地為各單元提供電源，除電池外加裝電磁場能量搜集或太陽能等方式進(jìn)行充電，具備電源監(jiān)控功能。

1.3功能軟件的實現(xiàn)

在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件具備實時數(shù)據(jù)采集、信號處理、協(xié)調(diào)通信、信息上報、人機交互等功能。數(shù)據(jù)采集和處理要能夠保證信號不失真，通信上要能夠協(xié)調(diào)多個傳感器協(xié)同工作，信息上傳和人機交互要簡單明了。設(shè)計合理的程序流程，使系統(tǒng)簡單易用，并且能夠與變電站內(nèi)現(xiàn)有資源進(jìn)行結(jié)合。

二、在線監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)方案

2.1基本思路：在線監(jiān)測系統(tǒng)主要分為無線通信采集終端和在線監(jiān)測主機

無線通信采集終端通過安裝在變壓器箱體上的振動傳感器采集變壓器振動信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊濾波放大、量化、編碼等一系列處理轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號，再將數(shù)字信號通過無線通信方式發(fā)送給在線監(jiān)測系統(tǒng)主機。在線監(jiān)測主機可安裝在變壓器邊上的本體端子箱內(nèi)，距離變壓器10M以內(nèi)，因此無線通信擬采用ZigBee技術(shù)，ZigBee技術(shù)是一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線通信技術(shù)。

在線監(jiān)測主機將收到的振動信號按程序算法進(jìn)行分析處理，處理后得出振動特征參數(shù)，同時在線監(jiān)測系統(tǒng)主機接收來自電流傳感器的模擬電流信號并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，將振動特征參數(shù)與電流參數(shù)結(jié)合形成電流-振動數(shù)據(jù)。變壓器正常運行時在線監(jiān)測主機已預(yù)先進(jìn)行電流和振動信號采集，形成電流-振動特性曲線并保存為特性表，監(jiān)測主機輸入按一定的裕度計算的定值，形成電流-振動預(yù)警線。當(dāng)實時運行的電流-振動參數(shù)經(jīng)與預(yù)警線對比，若超過預(yù)警值，則監(jiān)測主機發(fā)出異常 振動告警信號給原有設(shè)備，原有設(shè)備將告警信號上送到變電站及調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)。

2.2硬件設(shè)計：硬件設(shè)計分為在線監(jiān)測主機和無線通信采集終端

在線監(jiān)測主機主要的功能是接收與處理變壓器振動信號和電流信號，分析處理變壓器信號量，通過人機界面設(shè)置定值，判斷變壓器是否存在異常振動現(xiàn)象，并將異常振動告警信號接入到原有設(shè)備，變電站監(jiān)控系統(tǒng)和調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)將收到告警信號。在線監(jiān)測主機包括以下模塊：主控芯片模塊、無線通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、人機交互模塊、信號開出模塊、電源模塊。

無線通信采集終端主要功能是利用振動傳感器采集變壓器振動信號，數(shù)據(jù)處理模塊將振動信號轉(zhuǎn)換處理后，通過無線通信模塊將信號發(fā)送給在線監(jiān)測主機，電源模塊為各硬件提供穩(wěn)定的電源，具備一定的續(xù)航能力，減少維護(hù)工作量。無線通信采集終端包括以下模塊：振動傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線通信模塊、電源模塊。

2.3軟件設(shè)計：軟件設(shè)計可分為任務(wù)級程序設(shè)計和系統(tǒng)級程序設(shè)計

任務(wù)級程序設(shè)計是對實現(xiàn)某種具體功能的程序進(jìn)行設(shè)計，如數(shù)據(jù)采集程序負(fù)責(zé)在線監(jiān)測主機向無線通信采集終端發(fā)送開始采集命令后，無線通信采集終端立即進(jìn)行采樣、量化、編碼，并將數(shù)據(jù)傳遞給無線通信模塊;無線通信程序負(fù)責(zé)采樣數(shù)據(jù)與控制命令的收發(fā)，人機交互程序負(fù)責(zé)鍵盤輸入與液晶顯示;信號分析程序負(fù)責(zé)對振動信號按某種算法并提取特征參數(shù)。而系統(tǒng)級程序設(shè)計即是對嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，實現(xiàn)CPU管理、內(nèi)存管理、外設(shè)管理、任務(wù)管理等功能，對多任務(wù)進(jìn)行切換和調(diào)度，以提高CPU利用率。因此在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計應(yīng)包含：數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計、無線通信程序設(shè)計、人機交互程序設(shè)計、信號分析程序設(shè)計、嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計。

2.4研發(fā)流程：研發(fā)流程分為仿真調(diào)試、實物調(diào)試和現(xiàn)場調(diào)試三個階段

首先進(jìn)行功能與目標(biāo)的確定，然后對軟硬件功能細(xì)化描述，對軟硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，利用計算機仿真軟件設(shè)計電路和編程軟件編譯代碼，通過軟硬件結(jié)合進(jìn)行仿真試驗。若仿真調(diào)試失敗，則對軟硬件設(shè)計進(jìn)行修改;仿真調(diào)試通過則進(jìn)入實物電路設(shè)計組裝，同時根據(jù)實物電路對程序進(jìn)一步優(yōu)化，完成后進(jìn)行實物調(diào)試階段。調(diào)試若失敗，則進(jìn)一步調(diào)整電路、優(yōu)化程序;實物仿真調(diào)試通過，則進(jìn)行現(xiàn)場實際調(diào)試?，F(xiàn)場安裝，根據(jù)變壓器運行情況設(shè)置參數(shù)，模擬異常振動，在線監(jiān)測裝置是否正確告警?，F(xiàn)場調(diào)試失敗，者重新優(yōu)化程序;現(xiàn)場調(diào)試通過，編輯相關(guān)的資料歸檔，完成設(shè)計。

結(jié)束語

電力系統(tǒng)最重要的設(shè)備就是變壓器，它是否可靠運行，影響著整個電網(wǎng)的安全。針對變壓器的特殊性，宜采用在線監(jiān)測的方法進(jìn)行隱患排查，振動分析方法就提供了一種在不停電情況下對變壓器運行狀態(tài)做出判斷的方法。

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