王澤波,周建平,劉江明,鄭 婧,鄭 宏

(1.浙江大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)系,杭州310013;2.浙江省電力公司檢修分公司,杭州310007;

3.杭州柯林電力設(shè)備有限公司,杭州310005)

便攜式變壓器振動(dòng)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王澤波1,周建平2,劉江明2,鄭 婧1,鄭 宏3

(1.浙江大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)系,杭州310013;2.浙江省電力公司檢修分公司,杭州310007;

3.杭州柯林電力設(shè)備有限公司,杭州310005)

設(shè)計(jì)一種基于嵌入式Windows系統(tǒng)的便攜式變壓器振動(dòng)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)。介紹系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù),包括信號(hào)采集、信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換等硬件模塊以及數(shù)據(jù)庫、故障診斷算法、用戶界面等軟件模塊的開發(fā)過程。該系統(tǒng)通過采集變壓器的振動(dòng)、電流、電壓等信號(hào)對(duì)變壓器狀態(tài)及其故障進(jìn)行分析與診斷,使用多種分析診斷算法,包括譜分析、幅值分析等常規(guī)方法,以及周期性診斷算法、模型診斷算法等新的分析診斷方法,用于及時(shí)地發(fā)現(xiàn)變壓器的異常并發(fā)出警報(bào)。應(yīng)用結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠方便、有效地實(shí)現(xiàn)變壓器運(yùn)行狀態(tài)及其故障的帶電監(jiān)測。

嵌入式系統(tǒng);便攜式;電力變壓器;振動(dòng)分析法;帶電監(jiān)測;故障診斷

1 概述

電力變壓器的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷研究對(duì)維護(hù)電網(wǎng)的健康運(yùn)行有重要意義。目前電力變壓器在線監(jiān)測方法主要有油色譜分析法和振動(dòng)分析法。其中,油色譜分析法相對(duì)成熟,能夠有效地檢測油浸式變壓器早期潛伏性故障。但是油色譜分析法主要針對(duì)過熱和放電等會(huì)引起絕緣油變化的故障類型,所以對(duì)于繞組的機(jī)械故障反應(yīng)不靈敏,而且油色譜分析儀設(shè)備大多存在著成本高、安裝不便等限制［1］。相比于油色譜分析,基于振動(dòng)分析的監(jiān)測方法能有效和靈敏地反映變壓器機(jī)械結(jié)構(gòu)的變化,如文獻(xiàn)［2-4］利用振動(dòng)法研究變壓器繞組故障,文獻(xiàn)［5］利用變壓器振動(dòng)信號(hào)判斷有載分接開關(guān)的狀態(tài),文獻(xiàn)［6-7］分析了鐵芯的振動(dòng)特征并根據(jù)鐵芯振動(dòng)監(jiān)測鐵芯壓緊力,文獻(xiàn)［8］還研究了變壓器偏磁狀態(tài)下的振動(dòng)特性。

本文在現(xiàn)有的振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)［9］基礎(chǔ)上,研制了一種基于振動(dòng)的便攜式變壓器狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)(PTCMS)。本文將主要敘述該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),以及系統(tǒng)內(nèi)置的診斷算法。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的研發(fā)工作主要包含硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)以及診斷算法研究3個(gè)部分。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件部分包含信號(hào)采集部分(傳感器)、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、CPU模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊以及輸入/顯示模塊。硬件部分設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1.1 傳感器選擇

本文系統(tǒng)能夠同時(shí)采集3路電流信號(hào)、3路電壓信號(hào)以及8路振動(dòng)信號(hào),并預(yù)留1路溫度信號(hào)擴(kuò)展通道。

振動(dòng)信號(hào)采集的精度在很大程度上影響著系統(tǒng)的分析結(jié)果。考慮到在變壓器周圍磁場干擾較大,位移傳感器在磁場干擾較大的情況下精度無法保證,同時(shí)一般速度傳感器的測量范圍(10 Hz～1 000 Hz)無法完全覆蓋變壓器振動(dòng)頻率范圍。因此,本文系統(tǒng)選擇ICP加速度傳感器,傳感器的頻率范圍為5 Hz～10 000 Hz,靈敏度為500 mV/g,基本滿足變壓器振動(dòng)信號(hào)的采集要求,同時(shí)所有連接傳感器的電纜應(yīng)采用屏蔽同軸電纜［9］。

同時(shí)電流信號(hào)由電流互感器從CT端子測得,電壓信號(hào)則由PT100直接引出。

2.1.2 信號(hào)調(diào)理模塊

信號(hào)調(diào)理模塊包括振動(dòng)、電流、電壓、溫度信號(hào)的調(diào)理電路。

由于系統(tǒng)使用ICP加速度傳感器,振動(dòng)信號(hào)調(diào)理電路中包含ICP傳感器的恒流供電電路、振動(dòng)信號(hào)放大電路以及抗混疊濾波電路。

電流信號(hào)由電流互感器采集得到,為交流電流信號(hào),電流信號(hào)需要經(jīng)過電流/電壓轉(zhuǎn)換電路、放大電路以及抗混疊濾波電路。

電壓信號(hào)調(diào)理模塊包含電壓互感電路(電壓衰減)以及抗混疊濾波電路。

預(yù)留直流溫度信號(hào)輸入,其調(diào)理電路主要為電壓幅值調(diào)整。

2.1.3 數(shù)據(jù)采集模塊和CPU模塊

考慮到變壓器振動(dòng)的頻域范圍在0～2 000 Hz甚至更高,同時(shí)需要兼顧抗電磁干擾性能,本文系統(tǒng)選用北京阿爾泰公司生產(chǎn)的PCH2153數(shù)據(jù)采集卡。該采集卡采用PC/104+總線與CPU模塊通信,共32通道(單端采樣),精度為16 bit,量程為［-10 V, +10 V］,最高系統(tǒng)采樣頻率為250 kHz,17通道采樣時(shí)最高采樣頻率為14.7 kHz。

CPU模塊選用研華公司生產(chǎn)的嵌入式主板PCM3362,該模塊同樣支持 PC/104+總線,支持-40℃～85℃溫度下工作,支持Window及Linux系統(tǒng),同時(shí)支持USB、以太網(wǎng)等常用接口。

2.1.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

由于在采集時(shí)間較長的情況下需要存儲(chǔ)較大的數(shù)據(jù)量,同時(shí)考慮到便攜式設(shè)備特性,需要有一定抗震能力,因此本文系統(tǒng)配有一個(gè)16 GB固態(tài)硬盤存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)自帶液晶顯示屏和鍵盤,同時(shí)由于系統(tǒng)使用Windows Embedded操作系統(tǒng),因此可以外接鼠標(biāo)及其他USB設(shè)備。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

由于本文系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集及通訊的實(shí)時(shí)性要求并不是很高,因此采用了嵌入式Windows系統(tǒng),在操作系統(tǒng)上運(yùn)行LabVIEW開發(fā)的應(yīng)用軟件。軟件主要包括數(shù)據(jù)采集程序、分析診斷模塊、數(shù)據(jù)庫以及用戶界面,其組織結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中,分析診斷模塊是根據(jù)筆者所在課題組多年來研究并提出的變壓器振動(dòng)監(jiān)測診斷方法編程實(shí)現(xiàn)的。

2.2.1 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊可分為實(shí)時(shí)采樣和瞬時(shí)采樣,其中,實(shí)時(shí)采樣用于采集變壓器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的信號(hào);瞬時(shí)采樣則用于采集變壓器進(jìn)行上下電、投切等操作時(shí)以及進(jìn)行突發(fā)短路沖擊時(shí)的瞬態(tài)信號(hào)。實(shí)時(shí)采樣和瞬時(shí)采樣切換以及數(shù)據(jù)采集流程如圖3所示。

圖3 采樣模式切換及數(shù)據(jù)采集流程

實(shí)時(shí)采樣為周期性采樣,采樣頻率8 192 Hz,每10 s采樣一次,每次采樣時(shí)間為1 s。瞬時(shí)采樣則只采樣一次,用戶可以設(shè)置瞬時(shí)采樣的采樣頻率、采樣時(shí)間,設(shè)定完成后開始連續(xù)采樣,瞬時(shí)采樣時(shí)會(huì)中斷實(shí)時(shí)采樣。

2.2.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用微軟的 SQL Server 2008,軟件通過ADO技術(shù)訪問數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫主要包括:變壓器信息表,原始數(shù)據(jù)表,診斷結(jié)果表,傳感器參數(shù)表等。其中,變壓器信息表用于記錄監(jiān)測變壓器的ID、型號(hào)、生產(chǎn)廠家、投運(yùn)日期、測點(diǎn)位置信息等基本信息;原始數(shù)據(jù)表用于保存每次采樣數(shù)據(jù)、采樣時(shí)間、類型(實(shí)時(shí)和瞬時(shí))、變壓器ID等信息;診斷結(jié)果表則記錄各診斷算法結(jié)果,并記錄對(duì)應(yīng)原始數(shù)據(jù)ID、診斷時(shí)間等相關(guān)信息;傳感器參數(shù)表用于記錄傳感器靈敏度、量程等信息用于傳感器標(biāo)定。

2.2.3 用戶界面設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)的用戶界面以實(shí)用為原則,包括變壓器信息管理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、診斷結(jié)果顯示以及其他設(shè)置頁面,如實(shí)時(shí)采樣和瞬時(shí)采樣切換、瞬時(shí)采樣設(shè)置等。

2.3 診斷算法

分析診斷算法是本文系統(tǒng)的核心部分,有效的診斷算法可以及時(shí)地發(fā)現(xiàn)變壓器的異常并發(fā)出警報(bào),從而降低因變壓器故障帶來的經(jīng)濟(jì)損失。

本文系統(tǒng)中內(nèi)置多種分析診斷算法,這些診斷算法是筆者所在課題組多年來研究并提出的。算法可以根據(jù)是否依賴于監(jiān)測對(duì)象的歷史數(shù)據(jù)分為非先驗(yàn)性算法和先驗(yàn)性算法。

非先驗(yàn)性算法包括常見的時(shí)域分析和頻域分析,如頻譜分析和振動(dòng)幅值分析等,同時(shí)還包括頻率復(fù)雜度診斷算法和周期性診斷算法［10-11］:

(1)頻率復(fù)雜度診斷算法是根據(jù)變壓器振動(dòng)的頻率成分的分布及各頻率峰值來計(jì)算振動(dòng)頻率復(fù)雜程度,并以此衡量變壓器是否故障。其原理是變壓器繞組在正常情況下其頻率成分相對(duì)簡單,而繞組故障后一般繞組振動(dòng)頻率成分就會(huì)增加,從而導(dǎo)致變壓器振動(dòng)諧波的復(fù)雜度上升。

(2)周期性診斷算法通過檢測振動(dòng)信號(hào)的周期性是否被破壞來判斷變壓器異常與否,正常狀態(tài)下的變壓器振動(dòng)信號(hào)為周期性信號(hào)［10-11］。

非先驗(yàn)性算法因?yàn)椴灰蕾囉诒O(jiān)測對(duì)象的歷史數(shù)據(jù),所以可以直接應(yīng)用于大部分變壓器。不過非先驗(yàn)性診斷算法可檢測出的故障類型比較少,如周期性診斷算法只有在變壓器故障后導(dǎo)致振動(dòng)信號(hào)的周期被破壞時(shí)發(fā)出警報(bào),但是很多變壓器故障后振動(dòng)信號(hào)還是周期性的。而且實(shí)際運(yùn)行的變壓器由于型號(hào)、油箱結(jié)構(gòu)、運(yùn)行年限、負(fù)載的不同使得各變壓器振動(dòng)的相差較大,因此非先驗(yàn)性診斷算法的閾值也較難確定。

先驗(yàn)性算法需要根據(jù)監(jiān)測對(duì)象的歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練得到變壓器正常狀態(tài)下的特征參數(shù),并以此分析當(dāng)前測得的數(shù)據(jù)是否正常。先驗(yàn)性算法包括模型診斷算法、相似度診斷算法等,本文以模型診斷算法為例介紹先驗(yàn)性算法的診斷流程。

模型診斷算法流程如下:

(1)根據(jù)變壓器振動(dòng)原理、多項(xiàng)式逼近以及多元線性回歸方法得到變壓器的電-振動(dòng)模型,模型公式如下:

其中,vf表示變壓器油箱壁振動(dòng)頻率為f的分量;β0,β1,…,βs+r表示多元線性回歸模型系數(shù);x1,x2,…,xs+r為回歸模型自變量。且xk=i2k,k=1,2,…,s為電流平方的高次項(xiàng),xs+j=u2j,j=1,2,…,r為電壓平方的高次項(xiàng)。ε表示滿足方差為σ的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的隨機(jī)誤差項(xiàng)。

考慮變壓器油箱壁不同位置振動(dòng)的關(guān)系以及振動(dòng)各次諧波之間的相關(guān)性等,將模型擴(kuò)展成多測點(diǎn)多諧波的矩陣表示形式,如式(2)所示:

其中,V(p×m)×1=［V1,V2,…,Vi,…,Vm］T,表示第1個(gè)～第m個(gè)測點(diǎn)振動(dòng),Vi=［vi,f1,vi,f2,…,vi,fp］T表示第i測點(diǎn)的頻率為f1,f2,…,fp的諧波;B(p×m)×(s+r+1)為模型的系數(shù)矩陣;X(s+r+1)×1表示模型自變量;E(p×m)×1表示誤差矩陣。

(2)采集正常數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型參數(shù),并將計(jì)算得到的模型參數(shù)保存?？紤]模型有多因變量多自變量,且自變量之間存在高度相關(guān)性,因此,本文在計(jì)算模型參數(shù)時(shí)采用偏最小二乘回歸法［12］,并利用交叉驗(yàn)證法確定偏最小二乘法的成分?jǐn)?shù)目。

(3)利用回歸分析的中的F檢驗(yàn)和T檢驗(yàn)以及訓(xùn)練數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),以確定回歸模型的有效性。若不能通過模型的顯著性檢驗(yàn),則放棄使用模型診斷算法。

(4)將模型診斷算法應(yīng)用于在線監(jiān)測,將實(shí)時(shí)監(jiān)測采集數(shù)據(jù)(電流和電壓信號(hào))輸入模型可計(jì)算得到模型的振動(dòng)預(yù)測值。

(5)通過比較分析模型的預(yù)測值和實(shí)際采集得到的振動(dòng)來判斷變壓器運(yùn)行是否正常,本文系統(tǒng)采用模型預(yù)測值和實(shí)際測量值之間的相對(duì)誤差來分析變壓器狀態(tài)。系統(tǒng)對(duì)一段時(shí)間內(nèi)采樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型診斷分析,平均多次計(jì)算結(jié)果后給出診斷信息。

本文系統(tǒng)中還包括其他先驗(yàn)性診斷算法,如相似度診斷算法,限于篇幅本文不再敘述。先驗(yàn)性算法雖然需要數(shù)據(jù)訓(xùn)練,且訓(xùn)練所得參數(shù)基本只能針對(duì)某一臺(tái)監(jiān)測變壓器,但是相比于非先驗(yàn)性算法,這些算法的診斷分析準(zhǔn)確性更高,其診斷結(jié)果更有參考價(jià)值。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)的PTCMS實(shí)物如圖4所示,PTCMS帶有17個(gè)通道的傳感器插座,方便傳感器安裝。

圖4 PTCMS照片

PTCMS在浙北變1 000 kV#4主變上試運(yùn)行,測試現(xiàn)場照片如圖 5所示。測試結(jié)果表明,通過PTCMS系統(tǒng)現(xiàn)場工作人員可以快速、有效地監(jiān)測變壓器狀態(tài)。

圖5 PTCMS測試現(xiàn)場

圖6為PCTMS時(shí)間采樣時(shí)的數(shù)據(jù)顯示界面,界面中可以顯示4個(gè)通道的實(shí)時(shí)信號(hào)波形或者頻譜等形式。圖6(a)為實(shí)時(shí)信號(hào)波形界面,圖6(b)為實(shí)時(shí)信號(hào)頻譜界面。圖7為變壓器信息管理中的振動(dòng)測點(diǎn)選擇界面,用戶可以選擇測點(diǎn)位置及個(gè)數(shù),并根據(jù)測點(diǎn)分布圖將傳感器安置在變壓器油箱上。圖8為診斷分析界面,顯示幾種診斷算法的診斷結(jié)果,若某種診斷算法不適用則放棄該算法結(jié)果。

圖6 實(shí)時(shí)顯示信號(hào)界面

圖7 振動(dòng)測點(diǎn)選擇界面

圖8 診斷分析界面

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于振動(dòng)的便攜式電力變壓器狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)(PTCMS),描述了系統(tǒng)的硬件和軟件的設(shè)計(jì),同時(shí)介紹了本文系統(tǒng)的主要診斷算法。該系統(tǒng)可以帶電采集并分析變壓器穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)信號(hào),根據(jù)內(nèi)置的診斷算法對(duì)變壓器狀態(tài)進(jìn)行診斷,若診斷結(jié)果為變壓器異常則發(fā)出警報(bào)。在浙北變電站現(xiàn)場的試用結(jié)果表明,該系統(tǒng)可以方便、有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器振動(dòng)、電流、電壓等信號(hào)的采集和變壓器運(yùn)行狀態(tài)的分析診斷工作,為工作人員提供了一種監(jiān)測變壓器運(yùn)行狀態(tài)的便捷手段。今后,需要對(duì)PTCMS做進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,減小其體積和重量,同時(shí)還需對(duì)診斷算法進(jìn)行深入研究,以提高系統(tǒng)對(duì)變壓器狀態(tài)診斷的準(zhǔn)確性。

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編輯 顧逸斐

Design of Portable Transformer Vibration Monitoring and Fault Diagnosis System

WANG Zebo1,ZHOU Jianping2,LIU Jiangming2,ZHENG Jing1,ZHENG Hong3
(1.Department of Instrumentation Science and Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310013,China;
2.Branch Overhaul,Zhejiang Electric Power Corporation,Hangzhou 310007,China;
3.Hangzhou KeLinPower Device Co.,Ltd.,Hangzhou 310005,China)

This paper designs a portable transformer condition monitoring and fault diagnosis system based on vibration analysis method.The system designs and offers pivotal technologies,including hardware and software modules such as signal sampling and conditioning,A/D converting,database,fault diagnosis algorithms and user interface.This system can analyze the condition of transformer based on monitoring transformer signals including vibration,current,voltage and temperature.It contains fault diagnosis algorithms,besides normal signal processing method such as spectrum analysis and amplitude analysis.There are also new diagnosis methods like periodicity diagnosis algorithm and the diagnosis algorithm based on transformer vibration modeling.The methods are used for detecting the transformer abnormal and sending alarm.The test result shows that this system conveniently and effectively realizes live monitoring of transformer condition and fault.

embedded system;portable;power transformer;vibration analysis method;electriferous monitoring;fault diagnosis

1000-3428(2014)11-0292-05

A

TM93

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.11.058

浙江省電力公司科技基金資助項(xiàng)目(ZB13-026B-039);浙江省科技廳公益類基金資助項(xiàng)目(2013C31008)。

王澤波(1986-),男,碩士研究生,主研方向:故障診斷系統(tǒng),變壓器振動(dòng)在線監(jiān)測;周建平、劉江明,工程師;鄭 婧,博士研究生;鄭 宏,工程師。

2013-11-18

2013-12-24E-mail:langkebobo@163.com

中文引用格式:王澤波,周建平,劉江明,等.便攜式變壓器振動(dòng)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)工程,2014, 40(11):292-296.

英文引用格式:Wang Zebo,Zhou Jianping,Liu Jiangming,et al.Design of Portable Transformer Vibration Monitoring and Fault Diagnosis System［J］.Computer Engineering,2014,40(11):292-296.