电力变压器振动在线监测系统的开发与应用

2014-10-18周求宽万军彪王丰华徐晨博

电力自动化设备 2014年3期

周求宽，万军彪，王丰华，徐晨博

（1.江西省电力科学研究院，江西南昌 330096；2.上海交通大学电气工程系，上海 200240）

0 引言

作为电力系统中的关键设备之一，变压器的运行状态直接关系到电力系统的安全稳定。统计结果表明［1-2］，12%～15%的变压器故障由遭受短路冲击时强大电动力引发的绕组变形引起，且该类绕组故障逐年增加，已成为电力变压器的主要故障。此外，变压器绕组变形与松动具有累积效应，虽然并不一定会立即发生绝缘击穿事故，但具有此类故障隐患的变压器会在再次遭受不大的过电流或过电压，甚至在正常运行的铁磁振动作用下发生绝缘击穿，因此，对变压器进行实时状态监测与故障判别意义重大。

变压器绕组变形的检测方法主要有频响分析法 FRA（Frequency Response Analysis）［3］和短路阻抗法［4］，这2种方法可有效检测出较为明显的绕组变形故障，但对绕组松动等早期故障不甚敏感。从绕组动力学特性出发的变压器绕组变形振动检测法近年来得到了国内外的广泛关注，研究人员主要从变压器绕组的振动特性建模［5］、变压器振动信号特性分析［6］以及基于振动分析法的变压器绕组变形检测［7］等方面展开了较为深入的研究。与已有的绕组变形检测方法相比，振动分析法通过粘贴在变压器箱壁上的振动传感器获取振动信号来评估变压器的运行状态，且测试系统与电力系统无电气连接，安全可靠，抗干扰能力强，可方便实现电力变压器运行状态的在线监测。

智能变电站及电力设备状态检修的建设与发展对变压器振动在线监测系统的推广应用提出了新的要求，因此，需要进一步深入研制和开发高效可靠的可用于实际变电站中的振动在线监测系统，基于IEC61850标准的变压器振动在线监测系统模型也亟待建立。本文在分析变压器振动在线监测实际功能与数据需求的基础上，应用LabVIEW/CompactRIO软硬件平台设计和研制电力变压器振动在线监测系统，同时根据IEC61850标准，尝试开发变压器振动在线监测系统智能电子装置IED（Intelligent Electronic Device）信息模型，为其在智能变电站的推广应用奠定基础。

1 系统监测信号描述

1.1 振动信号

运行中的变压器本体振动主要源于铁芯振动和绕组振动［8］，因此，对振动信号的采集与监测是本文在线监测系统的核心功能。

变压器的铁芯振动主要由硅钢片的磁滞伸缩引起。若忽略变压器的磁滞现象，可认为引起铁芯振动的电磁力与励磁电压的平方成正比，如式（1）所示。

其中，Fc为铁芯电磁力；U为励磁电压。

变压器绕组的振动是由流过绕组的负载电流所产生的电磁力引起，该电磁力与绕组电流的平方成正比，如式（2）所示。

其中，Fw为绕组电磁力；i为绕组电流。

由式（1）、（2）可见，铁芯振动和绕组振动均以 2倍电源频率为基频，即为100 Hz。对运行中的变压器而言，铁芯振动和绕组振动信号经绝缘油或结构件传递到油箱，再经置于箱壁上的振动加速度传感器采集后送入振动在线监测系统，通过内置的分析软件中的相关判据监测和评估变压器的运行状态。

1.2 电压信号

变压器运行电压的变化会对铁芯的振动特性产生影响，那么根据监测到的变压器的运行电压，可对铁芯的振动状态进行辅助判别。因此，在线监测系统中使用电压互感器采集变压器三相运行电压信号。

1.3 电流信号

变压器的绕组振动与负载电流的变化密切相关，变压器绕组振动幅值与负载电流的平方成正比，相应地，根据监测到的变压器的工作电流，可对绕组的振动状态进行辅助判别。因此，在线监测系统中使用电流互感器采集变压器的三相运行电流信号。

2 在线监测系统整体设计与实现

2.1 系统整体设计

图1为所设计的变压器振动在线监测系统的结构框图，该系统由传感模块、实时处理器模块和上位机模块构成。传感模块由振动传感器、电流互感器和电压互感器组成，用于振动、电流和电压数据的采集；实时处理器模块由数据采集板卡与实时控制器组成，对采集的数据进行预处理后传输至上位机；上位机模块实时接收实时处理器模块上传的数据，进行显示、存储与数据分析。

图1 振动在线监测系统结构框图Fig.1 Block diagram of online vibration monitoring system

2.2 硬件选择

变压器振动在线监测系统中的硬件部分主要包括传感器和NI公司提供的CompactRIO相关模块。

考虑到变压器振动信号的幅值和频宽，本文选用IEPE压电式加速度传感器采集振动信号，其基本技术参数如表1所示。具体应用时，分别放置3路振动传感器于电力变压器的箱壁A相绕组、B相绕组和C相绕组处。

表1 振动传感器参数Tab.1 Parameters of vibration sensor

考虑到在线监测系统数据处理速率和变压器监测及状态评估的需求，选用NI公司实时处理器模块中的CompactRIO硬件平台进行数据采集参数设置和系统内数据传输，该平台主要由实时控制器、可重配置现场可编程门阵列FPGA（Field Programmable Gate Array）背板和工业级 I/O 模块三部分组成［9-10］。传感模块采集的数据由I/O模块进行信号调理，然后经过A/D转换后进入FPGA背板对数据进行预滤波等算法，最后通过PCI总线通信将数据送入实时控制器进行数据传输，满足系统实时数据处理的需要。具体地，选用的振动信号采集模块为NI9234 I/O模块，信号输入范围为±5 V，具有24位A/D转换功能，各通道采样率最高可达51.2 kS/s。三相电压和电流数据的采集模块为NI9206模块，具有16路模拟差分测量通道，总采样率为250 kS/s。

2.3 数据通信

变压器振动在线监测系统运行时，所采集的振动、电流和电压数据需由实时处理器模块进行预处理并向上位机传输，再由上位机模块接收并进行实时显示与分析，这对系统内实时数据处理与数据传输的精确性和可靠性提出了较高的要求。

根据图1中的监测系统结构，开发的LabVIEW程序分为FPGA层虚拟仪器VI（Visual Instrument）、RT层VI和PC层VI。FPGA层VI运行于FPGA背板，直接读取NI9234和NI9206板卡各端口数据，并通过PCI总线向RT层VI传输；RT层VI运行于CompactRIO实时控制器中，读取FPGA层VI采集的数据并向PC层VI传输，此外，还实现对FPGA层VI各数据端口的参数设置；PC层VI运行于上位机模块，负责实时接收RT层VI上传的数据并分别对振动数据和电压、电流数据进行显示、存储和数据分析。各个VI层间的数据通信流程见图2。

图2 VI层间通信流程Fig.2 Process of communication among VI layers

程序运行时，为防止上溢或下溢造成数据丢失，在FPGA层VI和RT层VI之间引入了先入先出FIFO（First In First Out）数据缓存机制，即FPGA层 VI将NI9234和NI9206数据端口采集的数据捆绑后循环写入FIFO，再由RT层VI循环读取，通过同步FIFO的数据写入与数据读取操作实现FPGA层VI和RT层VI间精确的数据通信。此外，根据变电站现场的实际需求，在RT层VI与PC层VI间通过TCP/IP网络体系实现了远距离数据传输，即系统采用服务器/客户机模式，实现VI层间的数据通信。

2.4 数据在线存储与分析

上位机模块中PC层VI负责对RT层VI上传的数据进行解捆绑，并将数据送入不同功能模块进行处理，主要包括数据显示、数据存储与数据分析。

对采集的实时振动及电压、电流数据进行分析是变压器振动在线监测系统的核心所在。根据变压器振动机理及振动信号典型特征，由内嵌于上位机分析软件中的稳态振动信号分析模块和突发短路时的振动信号分析模块结合模糊评判法对变压器的运行状态进行监测。

稳态振动信号分析模块中主要包括3个模块。

a.快速傅里叶变换函数模块：对振动信号进行频谱分析，获取振动信号100 Hz分量的时变曲线。

b.变压器振动信号预测模块：根据历史电压、电流信号和振动信号使用改进BP神经网络对振动信号的100 Hz分量进行预测。

c.变压器振动烈度分析模块：通常认为运行中的变压器的工作电压保持不变，将监测到振动信号归算到变压器额定电流时的数值，进而计算其均方根值，即振动烈度［7］。

突发短路时变压器的振动信号呈现强时变性和非平稳性，因此，分析软件利用内嵌总体经验模态分解 EEMD（Ensemble Empirical Mode Decomposition）法对突发短路时的振动信号进行时频分析，通过计算希尔伯特边际谱和希尔伯特能量识别绕组状态［11］。

根据前述判据，考虑到变压器的箱壁振动特性及变压器绕组的运行状态与多种因素密切相关，且存在着若干不确定因素，分析软件中引入模糊综合评判法根据监测到的振动信号对绕组状态进行评估，如图3所示。

图3 变压器绕组状态监测方法Fig.3 Monitoring of power transformer winding states

2.5 程序扩展性

现有的变压器振动在线监测系统共采集变压器三相振动信号、变压器三相电压信号和三相电流信号，测试系统程序可通过修改FIFO深度及数据读写操作相关参数方便地扩展数据通道、新增振动测点或引入新的监测量。此外，LabVIEW函数节点的应用使得系统可方便地根据需要内嵌自定义的数据处理函数，可实时更新内嵌的系统自定义模块，进一步补充完善现有的振动信号分析模块。

3 振动在线监测系统的IED建模

以实现互操作性为首要目标的IEC61850标准是智能化变电站的发展方向，因此，开发基于IEC61850标准的变压器振动在线监测系统的IED信息模型对其推广应用意义重大。根据IEC61850标准［12］，变压器振动在线监测系统属于间隔层设备，其与过程层数据采集器间通过以太网进行系统内数据通信，与站控层通过光纤以报告形式进行数据交换，其整体架构如图4所示。

图4 振动在线监测系统IED的整体架构Fig.4 Overall IED architecture of online vibration monitoring system

3.1 在线监测系统IED信息模型

对IED进行建模，首先需将监测系统IED抽象成虚拟的逻辑设备（LD），再根据实际系统功能需要，将逻辑设备合理分解为若干逻辑节点（LN），由其实现应用功能。针对变压器振动在线监测系统IED实际功能需要和数据需求，将其功能建模为GGIO、MMXU、MMXN、LPHD和LLN0逻辑节点，具体说明如表2所示。表中，LLN0和LPHD是IED建模中必需的2个逻辑节点，GGIO、MMXU和MMXN是实现变压器振动在线监测功能的逻辑节点。其中，通用过程I/O逻辑节点GGIO用于表征变压器振动监测功能，对采集的振动信号进行处理，当系统判定状态异常时由该节点产生告警信号，完成监测系统IED的核心数据交换；MMXN节点获取并上传变压器三相绕组振动幅值；MMXU节点获取并上传变压器三相运行电压和电流信号。

由于要实现对三相绕组振动状态的分别监测和预警，需对GGIO和MMXN节点的数据对象进行扩展。对于GGIO节点，对数据对象总告警（Alm）加字母后缀扩展为 VibAlmA、VibAlmB、VibAlmC，分别表征A、B、C相绕组振动告警。对于MMXN节点，增加了数据对象VibMeaA、VibMeaB、VibMeaC表征监测系统三相振动幅值实测值，数据对象VibTheA、VibTheB、VibTheC表征计算得到的三相振动幅值预测值，数据对象VibIntA、VibIntB、VibIntC表征三相振动烈度。

表2 在线监测系统IED逻辑节点Tab.2 IED logical nodes of online monitoring system

3.2 在线监测系统IED信息通信

监测系统IED通过报告机制实现与站控层间的信息通信，其中，报告上传的是数据集（DataSet）中的数据值。在IED中，可通过设置数据集VibAlm和VibMea实现振动告警、振动实测量及预测量的数据交换，分别如表3和表4所示。

表3 数据集VibAlm数据对象Tab.3 Data objects of data-set VibAlm

表4 数据集VibMea数据对象Tab.4 Data objects of data-set VibMea

此外，IED中的2个报告控制块TrgOPS选项均设置为数据变化（dchg）、品质变化（qchg）和数据更新（dupd）。通过 SetBRCBValues和 SetURCBValues服务将2个报告使能属性RptEna均设定为TRUE后，ACSI服务器事件监视器即不断监视数据集VibAlm和VibMea中所引用的数据对象，若发生dchg、qchg或dupd的内部事件，即触发数据的主动上传。除此之外，2个报告控制块中还设置完整性周期（IntgPd）为2000，即以 2000 ms为周期循环发送数据集中的所有数据，实现变压器告警和测量数据的定时上报。

3.3 振动波形文件传输机制

突发短路时变压器的振动波形蕴含着大量设备信息，因此，对其波形特征进行分析是监测和评估变压器绕组状态的关键，因此，变压器振动在线监测系统IED将突发短路时变压器箱壁振动加速度信号存储为COMTRADE格式文件，保存在存储器中等待文件传输的启动。

实际运行时，监测系统IED实时监测变压器运行电流，当运行电流大于某一定值时系统认定可能发生短路冲击，从而触发振动波形文件的存储。通过1个扰动功能节点RDRE和3个模拟量通道节点RADR实现振动信号录波。RDRE节点采用外部触发模式，监测SPTR节点数据对象ShortCircuitAlm，当其值为True表示发生突发短路，监测系统开始录波，同时RDRE节点数据对象RcdStr（扰动记录启动）实例值被更新。当录波结束后，RDRE节点数据对象RcdMade（扰动记录结束）实例值被更新，监测系统IED即发送“数据准备就绪状态”节点信息，等待客户端接口轮巡读取数据后启动文件传输。