基于LabVIEW 的10 kV 配电变压器绕组变形测试系统研究

杨海生，刘 玲，杨孟卓，王彦波

(1．山西电网公司 晋中供电公司，山西 晋中030600;2．华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定071003)

0 引言

随着计算机技术的发展，使得现代仪器技术与计算机技术有机地结合起来，从而产生功能强大、多变的虚拟仪器［1］。虚拟仪器是以计算机强大的硬件支持作为基础，一般再辅以数据采集设备、电压或者电流传感器以及一些滤波设备等，利用计算机各种输入、输出接口进行信号的采集，测量和调理，然后利用软件对所获得的信号进行处理。

LabVIEW 是这类软件中的代表产品。在它的驱动程序中，有支持各种测试测量功能的底层程序供用户使用，用户只需根据自身实际的需要在此基础上进行修改即可。它更提供了强大的数据处理功能以及一些用于工业控制、测量方面的实用功能等。利用软件用户可以在计算机上模拟各种实际的设备［2］，实现以及修改它的各种功能，这也正是虚拟一词的由来。然后再对所获得的数据进行各种运算、分析及处理［3］。

目前，国内外针对变压器绕组变形的检测方法主要有低压脉冲法、短路阻抗法和频率响应法［4］。但这些方法大都是离线检测法，因此，发展一种不影响变压器运行状态的在线监测与诊断技术是非常重要的。频响法是实现这一技术的典型方法，它的原理如下:当变压器在高频电压的作用下，可以将它的绕组等效为由电阻、电感、电容等分布参数组成的二端口网络，并用传递函数来描述这一网络特性［5］。当绕组发生局部变形，会导致网络中电气参数的改变，从而引起传递函数的变化。应用频响法来判断变压器的绕组变形，主要是通过测量变压器每相绕组的频响曲线，再通过纵向或者横向比较的方式来得到结果［6，7］。

1 系统硬件介绍

总体硬件电路结构如图1 所示。利用信号发生器向系统注入高频脉冲信号，信号经保护电路、电容分压器进入变压器的低压绕组［8］，在中性线处利用高频电流传感器测量响应信号。该响应信号经信号调理单元、数据采集卡进入工控机。本系统所使用的主要硬件设备如下:脉冲信号发生器、保护电路、电容分压器、电流传感器、高速数据采集卡、工控机。

图1 总体硬件结构示意图

利用LabVIEW 软件对采集到的信号进行处理，得到变压器绕组的频响曲线，从而判断变压器的绕组变形。

2 软件介绍

文中测试系统的软件部分主要包括以下内容:用户登录、数据采集、数据分析及处理、历史数据查询。

2.1 用户登录

用户登录模块主要是防止非授权用户的非法进入，只有合法的用户方可进入测试系统进行操作。这增加了系统和测试数据的安全性。该模块提供了一个良好的人机交互界面，用户需要输入指定的用户名及密码方可使用该系统。后台程序提供了增加登录用户、密码修改等功能。

2.2 数据采集

本文的数据采集模块的编程原则是采用生产者－消费者模型编写［9］。它将多个并行循环分为生产数据和消费数据的两类循环，循环间采用队列的方式进行通讯。这样当产生数据的速度比处理数据的速度快时，队列的缓冲作用保证数据不会丢失。新采集到的数据直接放入队列中，这一简单过程耗时很少。程序的另一部分则不停地从队列中取出数据，对其进行处理［10］。如果需要，还可以把这个模型中的数据显示和数据保存部分也放到另一单独的循环中去运行。模型中，上半部分的循环是产生(采集)数据的，而下半部分的循环是消费(处理)数据的。

采集程序是采用差分方式下的连续的数据采集方式。利用两个通道，分别采集了电压信号和电流信号，前面板中所显示的是一个全频域的脉冲波形。系统采用将采集到的脉冲信号以波形数据的方式保存在磁盘中，之后通过数据处理单元对信号进行处理。历史数据查询模块也可以对这一数据进行查询。

2.3 数据分析

本模块是对数据采集部分的波形数据进行拆分，单独对数组进行操作，这包括数据截断、滤波以及曲线的拟合。其中滤波是采用LabVIEW 自带的快速虚拟仪器程序，利用的是3 阶巴特沃兹滤波器。而曲线拟合经多次试验后选择0.7 是比较合适的。所采集到的波形数据经这一程序运行后就会得到变压器的频响曲线。图2 是数据分析模块的前面板。

图2 数据分析模块前面板

2.4 历史数据查询

该模块是方便用户对变压器历史数据的查询。用户只需输入要查询的时间段，点击查询按钮后，数据将以波形图的形式显示在屏幕上，用户也可以单独对查询到的历史数据进行数据分析。

3 实验验证

以下是对两台10 kV 变压器进行测试的结果。分析方法是采用纵向及横向比较两种方式来判断变压器绕组变形的情况。

图3 所示是实验室某10 kV 变压器A 相绕组纵向比较后的结果。我国电力行业标准《电力变压器绕组变形频率响应分析法》采用求取相关系数的方法量化分析频响曲线的变形程度。设有两个长度为N的传递函数幅度序列X(k)，Y(k)，k=0，1，…，N－ 1。采用以下公式计算相关系数。

式中:Cxy是序列X与Y的协方差;Dx，Dy是标准方差。若(1 －Cxy/) ＜10－10，Rxy则取10。软件程序通过计算两条频响曲线的相关系数给出了绕组变形程度—轻微变形。

图3 试验变压器低压绕组幅频响应曲线

图3 中在350 ～800 kHz 的频段内出现了谐振频率偏移，而在约750 kHz 处最为明显，说明变压器绕组发生了变形。经过在实验室打开后发现，绕组有鼓包、断股等局部轻微变形。

图4 试验变压器低压绕组幅频响应曲线

图4 所示是实验室另一台10 kV 变压器通过横向比较后的结果。从图中可见，在整个频段内A，B 相曲线相关性很好，而在440 kHz 以后，C相曲线与A，B 相曲线明显不同。说明C 相绕组发生了变形。软件程序同样根据公式(1)给出了C 相绕组发生了明显变形。后经打开后发现C相绕组有不同程度的扭曲及鼓包现象发生。

4 结论

本文论述了基于LabVIEW 的10 kV 变压器绕组变形测试系统的研究开发。重点阐述了软件系统的组成、各个模块的功能、运行机制及开发原理。利用该系统对多台10 kV 变压器进行了测试，结果表明该系统可以准确、有效地检测出变压器绕组变形情况。进一步的工作是加强软件系统数据处理部分的灵活性。

［1］朱光伟．基于LabVIEW 的电力变压器在线振动监测系统的设计及研究［D］．成都:西华大学，2009．

［2］徐志钮，律方成，赵立刚，等．基于LabVIEW 的变压器油色谱分析故障诊断系统［J］．电力科学与工程，2005，(4):37-40．

［3］文家昌．基于LABVIEW 机器视觉的产品检测平台设计与应用［D］．广州:华南理工大学，2012．

［4］诸兵，曾雪梅，黄晓艳．变压器绕组变形监测的研究现状综述［J］．广东输电与变电技术，2009，11(3):48-53．

［5］DL/T 911-2004．电力变压器绕组变形的频率响应分析法［S］．

［6］何平，文习山．变压器绕组变形的频率响应分析法综述［J］．高电压技术，2006，32 (5):37-41．

［7］徐虎，侯勇，徐凯川．电力变压器绕组变形现场测试影响因素与对策［J］．电力科学与工程，2009，25(10):47-49．

［8］De Rybel T，Singh A，Vandermaar J A，et al．Apparatus for online power transformer winding monitoring using bushing tap injection ［J］．IEEE Trans．on Power Delivery，2009，24 (3):996-1003．

［9］雷振山，魏丽，赵晨光，等．LabVIEW 高级编程与虚拟仪器工程应用［M］．北京:中国铁道出版社，2009．

［10］阮奇桢．我和LabVIEW:一个NI 工程师的十年编程经验［M］．北京:北京航空航天大学出版社，2012．