存储式变压器油压监测与保护系统的数据管理

唐玉玲

(中南民族大学计算机科学学院,武汉,430074)

电力变压器是电力系统中最重要的设备,其安全运行具有很大的现实和经济意义,故电力变压器都采用了多种保护措施[1,2].速动压力继电器(SPR)是变压器众多保护设备之一,当变压器在运行过程中由各种原因导致内部发生放电,继而引发电弧时,变压器油将产生大量气体,使油箱内压力突增,SPR就是根据油箱内油压或气压的动态增加速率进行保护,发出信号切断变压器运行,防止事故进一步扩大.国内外都对速动压力继电器进行过研究和开发,并取得了一系列成果和产品[3,4].但目前应用的机械式速动压力继电器存在诸如动作特性调整不便,存在误动作,以及只能输出开关量信号不能提供变压器油压的实时测量值等缺点.

针对机械式速动压力继电器的不足,本文设计了以微处理器为核心的存储式变压器油压监测与保护系统.其不仅提供多种开关量报警(高压报警、低压报警)或保护信号(油压速动保护),且可以实时检测并长期存储(U盘)变压器油箱的压力.配套设计了一套上位机软件(变压器油压分析系统),可以完成数据的存储、管理与分析.与机械式速动压力继电器相比,数据存储与处理能力是本系统最突出的特点,本文将着重介绍整个系统的数据管理.

1 变压器油压监测与保护系统总体设计

系统总体结构如图1所示.为了适应现场安装条件,将系统分成探头(安装于变压器油箱,即图1中探头板集成安装在压力传感器金属机壳内)和后端处理器(远离变压器,可考虑与变压器冷却器控制箱或其他就地控制箱集成)两部分,两者之间用光纤传输.这样可以保证信号通道不受变压器的电磁干扰[5-6],且处理器与变压器之间完全没有电的联系,进一步保证系统的安全等级.光纤接口采用A gilen t Techno logies Inc的高性能HFBR-1521/HFBR-2521接头[7].系统主要功能由后端处理器完成,后端处理器采用高性能单片机C8051F340.由于需要完成的功能比较复杂,且要求保护系统具备较好的实时性和可靠性,故按照功能又将后端处理器分成两个部分:控制器和存储器,采用双单片机结构,两片单片机之间采用I2C和串口(UART 0)两种方式通信,使用冗余配置提高通信的可靠性.变压器油压数据以及速动保护信号的动作状态存储在U盘中,当U盘未插入时(例如,更换U 盘)数据存入单片机RAM(缓冲区).本系统U SB接口电路采用了南京沁恒提供的U SB文件读写模块,其与单片机之间以串口通信连接(使用单片机的UART 1).该模块基于CH 375的U盘文件级子程序库设计,外围电路精简,性能价格比高.

图1 变压器油压监测与保护系统总体结构Fig.1 F ram ew o rk o f the o il p ressu re superviso ry and p ro tection system s fo r pow er transfo rm ers

2 系统数据管理

2.1 系统数据类型

在本系统中,将数据分成3种主要类型:测量数据、参数、速动油压保护信号的状态.系统参数需要掉电保存,将其全部存入C8051F340的FL A SH中(C8051F340片内具有64KB FLA SH存储器).测量数据是通过光纤传输、频率测量以及标度变换处理后的变压器油压测量值.测量数据可以传送到上位机绘制实时曲线并传送到存储器进行长期保存.速动油压保护信号的状态则由控制器根据油压增加速率来确定.

2.2 下位机数据管理

系统各存储区以及数据的关系如图2所示.探头板将压力传感器信号变换成频率后通过光纤传输到控制器,控制器采用测周期的方法测量频率,频率测量值标度变换(变换系数存储在FLA SH)后即得油压.从图2可以可看出,为了便于调试,若上位机通过RS232与控制器连接,则油压数据可以传送到油压分析系统的实时曲线模块绘制实时曲线.数据还通过I2C或UART传送到存储器.若U盘插入存储器或当前时间为00:00:00(即每天自动产生一个数据文件),则存储器在U盘中自动生成一个数据文件(＊.TXT),并将油压数据和速动保护信号保存在数据文件中.若没有U盘连接,则将数据和保护信号写入缓冲区,缓冲区构建于单片机的RAM中(C8051F340片内具有4KB RAM).缓冲区采用循环存储方式,若数据量大于缓冲区上限则最早的数据会被覆盖.当U盘插入后缓冲区内数据会导入U盘数据文件.

U盘数据文件采用便于处理和阅读的＊.TXT文件格式,数据格式如图3所示。

图2 系统数据关系简图Fig.2 D iagram of the data relationsh ip

文件第1行以“[BEG IN]”开始,以下各行每个部分以“;”隔开.例如,第2行依次保存变压器编号、油压高报警值、油压低报警值、存储间隔(m s)、文件建立日期、时间.从第3行开始保存数据,每行保存压力值、速动压力保护信号动作状态(0-未动作;1-动作)以及保存时间间隔.文件名为变压器编号的首字符加上000～999的序数.例如,若变压器编号为“BYQ 1”,则文件名为B 000.TXT～B 999.TXT,故最多可以存储1000个文件,若超过1000个文件还不更换U 盘,则旧文件就会被覆盖.

图3 数据文件格式Fig.3 Fo rm atof the data files

为了提高灵活性,便于使用,系统设置了一系列参数:传感器测量上/下限、变压器编号、高/低报警值、存储死区、秒/分钟/小时、日期/星期/月/年.最后两个参数用于实时时钟DS1302的时间设置.参数保存在FLA SH 中,当上位机与控制器连接(RS232)时,可以采用油压分析系统的参数设置模块对系统参数进行查询和设置.油压速动保护是系统输出中最重要的信号,它根据油压上升速率设置其动作的延时时间.其动作特性按照表1进行整定.

表1 油压速动保护信号动作特性Tab.1 Operating characteristics o f p ro tection signalo f sudden o ilp ressu re

为了减少数据存储量,在进行数据存储时进行如下压缩处理:判断当前值与上次存储数据值之间差值的绝对值是否大于存储死区(即“例外报告”,死区大小可在线设置),若小于则不存储当前数据,反之则存储;若未存储次数＞9,即使差值绝对值在死区内也需要存储当前值,以防止由于数据的缓慢变化而导致的数据失真.

2.3 上位机数据管理

变压器油压分析系统以ACCESS数据库为核心.为了能处理多台变压器数据,设计了BYQ IN FO表格用于存储变压器信息,其字段包括变压器编号、油压高报警值、油压低报警值以及变压器描述,每台变压器保存为一条记录.表格DB IN FO用于管理导入数据的信息,字段包括变压器编号、数据表名称、数据文件名称、数据文件建立日期、数据文件建立时间、数据保存周期、备注.每导入一个数据文件增加一条记录,BYQ IN FO与DB IN FO 之间以“变压器编号”字段进行关联.具体油压测量数据也采用表格来存储,字段包括编号、压力数据、速动保护信号状态以及存储间隔.每个文件对应一个表格,这类表格自动生成.以变压器编号以及数据文件的生成日期联合产生表格名称,例如,表格名称BYQ 12008-11-11,其中BYQ 1是变压器编号,2008-11-11为文件产生日期.DB IN FO中数据表名称字段与此数据表名称对应.当U 盘中的数据文件导入时,一方面将数据导入数据表格,另外还将数据文件备份到系统的指定目录下,DB IN FO数据文件名称字段则与此文件名对应.变压器油压分析系统用D elph i开发完成,采用ADO 进行数据库操作,新建数据表格的程序代码如下:

针对存储式变压器油压监测与保护系统数据的特点,上位机软件提供了丰富的工具和友好的界面,如图4所示.以树形列表管理变压器和数据;以曲线和表格回放、分析油压数据;为曲线分析提供了放大、平移、指针、测距等工具,且油压速动保护信号的动作和复位时刻会在曲线上标示出来.

图4 变压器油压分析系统实验曲线Fig.4 Experim en tal cu rve from the o ilp ressure analysis system fo r pow er transfo rm er

3 系统调试

设计完成的存储式变压器油压监测与保护系统在实验室进行了各项测试,获得了大量的实验数据和结果.图4所示为系统在压力实验台上测试时所保存的数据文件在分析系统中回放所得的曲线.可以看出,压力实验台产生的压力飞升引起了速动保护保护信号动作,动作点和信号复位在曲线中分别用竖线“动作”和“复位”标出.系统还设计了日志文件,将系统运行过程中的重要操作和错误信息记录下来.经过验证,本文设计的存储式变压器油压监测与保护系统已经完全达到设计要求和可靠性指标,目前已经开始应用在实际工业现场.

在实验和现场验证中发现了系统对U盘容量的限制,这是由于使用南京沁恒U盘文件模块对U盘进行操作,其对U盘的容量限制在1GB以内.但针对本系统的具体应用,1GB的容量已经可以远远满足存储要求.

4 结语

油压速动保护对大型电力变压器具有很大意义,但当前应用的机械式速动油压继电器在使用中存在一些局限性.本文设计的存储式变压器油压监测与保护系统在功能上超越了机械式速动油压继电器,除了具有最基本的油压速动保护功能外,还能进行高/低压报警,并能长期存储油压测量数据.系统选用应用广泛、方便的U盘为存储介质,顺应了技术的最新发展.采用便于操作和直观阅读的＊.TXT文件,数据格式简单明朗.上位机以数据库为手段对数据进行存储和管理,可借助数据库的操作方便性,增加系统对数据的管理和分析能力.系统的成功应用将为现场技术人员提供又一了解变压器运行状态的重要信息源.还可以将变压器油压与溶解气体分析(DGA)进行数据融合,为变压器故障诊断和分析提供更准确的依据.

[1] Charles J.M ozina. Pro tection o f pow er p lan t transfo rm ers using d igital techno logy [J].T ransm ission and distribu tion conference, 1999(4):421-432.

[2] Kasztenny B,Kezunovic M.D igital relay im p rove p ro tection o f large transfo rm ers[J].IEEE com pu ter app lications in pow er,1998,11(4):39-45.

[3] Bean R L,Co le H L.A sudden gas p ressu re relay fo r transfo rm er p ro tection[J]. Pow er apparatus and system s,Part III,T ransactions o f the Am erican Institu te o f E lectrical Engineers,1953,72(2):480-483.

[4] 周仲民.一种动作灵敏的大型变压器保护装置-SYJ型速动油压继电器[J].变压器,1994(5):18-20.

[5] L iJianw ei,Xu L iuw ei,L iu X iaon ing,et al.A design of high-p recision high-vo ltage fiber-op tic analog signal iso lation converter[J].Plasm a Science&Techno logy,2002,4(3):1 281-1 287.

[6] M ervynW ong,Fred K irsten,CarlHaber,et al.U se o f fiber-op tics fo r real-tim e con tro l and data acquisition[J].IEEE transaction on nuclear science,1990,37(2):336-341.

[7] 金明亮,游大海,李正天,等.一种微机保护的光纤通讯设计[J].继电器,2005,33(12):56-61.