变压器振动监测系统检测装置的设计与实现

李林锐 郑 浩 刘厚康 唐旭明 傅正财

（1.电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，上海交通大学电气工程系，上海 200240； 2.国网安徽省电力公司，合肥 230022；3.国网淮南供电公司，安徽 淮南 232007）

电力变压器是电力系统的核心电力设备，其可靠运行尤为重要，一旦出现事故，后果不堪设想。因此，对于电力变压器运行状态进行有效地监测尤为重要。近年来，国内外采用振动信号分析法监测电力变压器的铁心及绕组的运行情况，通过振动信号对铁心和绕组情况进行状态评估和故障诊断等，取得了一定的成果[1-4]。然而目前缺乏对电力变压器等电气设备振动特性的统一考核标准[5]，变压器振动监测系统监测振动信号的准确度、有效性还需进一步研究。

为此，本文设计了一种针对电力变压器振动监测系统的检测装置，应用DDS 技术及信号放大电路输出模拟电力变压器的振动信号，通过对比变压器振动监测系统的输出结果和标准振动信号测量的结果，对电力变压器振动监测系统监测振动信号的准确性、有效性进行检测。

1 电力变压器振动信号的特征

电力变压器振动主要来源于铁心与绕组。铁心的振动主要取决于硅钢片的磁致伸缩，铁心的硅钢片在强磁场下的磁致伸缩引发了铁心的振动。磁致伸缩的变化周期为电源电流周期的1/2，故磁致伸缩引起铁心振动的基频为2 倍电源频率，磁致伸缩的非线性以及沿铁心内框与外框的磁通路径长短不一致等多因素还造成了铁心振动信号中含有高次谐波成分[6]。电力变压器的绕组振动是绕组中电流产生的电磁力引起的，基本上集中在频率为100Hz 处，通过绝缘油传至油箱。电力变压器振动监测系统通过监测油箱表面的振动信号来监测电力变压器的铁心和绕组情况。

电力变压器振动信号是以基波频率为100Hz 的正弦信号叠加整数倍基波频率分量组成的。频率范围为100～1000Hz，100～500Hz 的频率范围内最为明显，＞1kHz 的高频分量基本可以忽略[7]，一般通过200Hz、300Hz 等高次谐波分量的变化诊断铁心状况，在铁心无故障的前提下，通过100Hz 基频幅值变化诊断绕组状况，所以模拟的振动信号组成为100Hz 频率的基波叠加高频分量（至多到10 次谐波），且主要集中在100～500Hz。

2 检测装置原理

在模拟电力变压器振动信号时，除了各个频率分量的幅值外，振动信号的基频率波动也是需要考虑在内的。时域离散系统的有限采样点会导致还原波形的失真，频谱特性与原始信号的频谱特性不同，所以一般使用平滑窗口函数改进频谱特性。基频率波动和高频率分量的共同影响，使得信号采集时难以进行整周期采样，可能造成频谱泄露和栅栏效应，从而造成振动信号幅值提取出现误差。为避免频谱泄露，同时达到高频谱分辨率的效果，采样窗口函数的窗口宽度应当取为振动信号周期的整数倍[8]。

模拟的电力变压器振动信号通过本装置产生，参考基频率可以通过通信接口精确控制，所以可以根据基波周期时间调整窗函数宽度，提高装置测量精度。GB/T 15945—2008《电力系统频率允许偏差》中规定电力系统正常的频率标准为50±0.2Hz，根据系统容量可以放宽到0.5Hz[9]。电力变压器振动信号的频率是以两倍电源频率为基频的，所以装置的参考基波频率为100±1Hz，作为模拟电网频率的波动。

检测装置的原理图如图1所示。装置采用模块化设计，包括标准源模块、上位机控制模块和数据采集模块。标准源模块负责生成模拟的振动信号，通过应用DDS（Direct Digital Synthesizer，直接数字式频率合成器）技术和信号放大输出正弦基波叠加高次谐波的信号即模拟的振动信号，上位机控制模块主要完成对数据的分析、处理和控制检测进程等功能，数据采集模块包括数据采集卡，对标准源模块输出的模拟振动信号和待检测的变压器振动监测系统输出的振动信号进行采集。各模块之间通信通过RS-232 接口进行。标准源模块输出的模拟振动信号幅值作为标准测量值，与待检测的变压器振动监测系统输出的振动信号幅值进行对比，计算待检测的变压器振动监测系统的测量误差，并给出评价。作为控制核心的处理器Nios Ⅱ完成频率变动、振动信号波形表达生成、控制检测流程等功能。

图1 检测装置原理图

3 硬件设计

3.1 可编程片上系统实现

可编程片上系统（System on a Programmable Chip）即SOPC 是利用可编程逻辑技术将系统放在一个芯片上的特殊嵌入式系统，系统集中了处理器、存储器、通信接口等各个模块，具有可编程性，设计方式非常灵活。

本装置应用SOPC 的设计理念，进行模块化设计，包括数据采样、片内存储波形的存储器RAM、核心处理器等多个功能部分。使用SOPC Builder 配置处理器为Nios Ⅱ/f 快速型，生成系统需要的时钟、控制检测流程、改变模拟振动信号的幅值和频率参数、进行UART 接口通信等功能。支持Nios Ⅱ CPU 的芯片选用Cyclone 系列的EPlCl2-Q240C8，具有5980 个逻辑单元，92160 个比特的嵌入RAM，两个锁相环（PLL），185 个用户I/O 管脚，通过使用Altera 的Nios Ⅱ软核和丰富的IP 库，可快速实现完整的可编程单芯片系统。

3.2 模拟振动信号波形输出

DDS 包括频率寄存器、累加器、存储波形的存储器RAM、数模转换器和低通滤波器。如图2所示，在系统时钟脉冲fs下，累加器根据频率寄存器中的频率控制码在时钟周期内进行累加，同时在存储波形的存储器RAM 中寻址对应的幅值后，进行信号输出的编码，经过数模转换器（D/A 变换）和低通滤波器，最终输出连续的波形[8]。采用相对带宽宽、分辨率高、频率转换时间极短的DDS 技术可实现不论幅值大小的任意信号的输出，配合信号放大电路可用来模拟电力变压器的振动信号。

图2 DDS 不同部分的输出信号

电力变压器的振动信号中有2 个变动参数：基频率和各个基频整数倍频率的分量的幅值。基频率的变动用来模拟电网频率的波动，而各个基频整数倍频率的分量的幅值变化则模拟电力变压器铁心和绕组的振动情况。

系统时钟脉冲fs，频率寄存器中的控制字K，二进制累加器的位数为N，则输出频率就可以通过频率寄存器中的控制字进行控制：

输出信号的频率分辨率为

从式（2）中可以知道，对于一确定的系统时钟脉冲装置，累加器的位数N越大，频率分辨率就越高，输出波形的精度越高。

存储器RAM 的输出信号序列为

DDS 输出的基波信号y=A0sin(2πfx)，叠加对应幅值的2～10 倍频率的高频分量后，得到最终模拟的电力变压器的振动信号。

3.3 低通滤波

数模转换器输出频谱会出现混叠现象，该混叠是以抽样率速率重复出现的，也就是数模转换器输出的模拟信号存在杂散信号，且该杂散信号以参考时钟整数倍频率为中心，因此需要低通滤波得到干净的输出信号。通过分析数模转换器输出的阶梯波的频谱，可以得出：数模转换器输出的阶梯波除主要输出频率f0外，在fs，2fs，…两边±f0处均存在非谐波分量[10]，通过将低通滤波器加在数模转换器的输出端，可得到主要输出频率f0。

由采样定理知本装置设计的DDS 电路最高输出频率为150MHz，考虑到波形的输出质量，设置低通滤波器的截至频率为120MHz。采用如图3所示的椭圆滤波器。椭圆型滤波器在通带内和阻带内都有等波纹的起伏，比巴特沃斯和切比雪夫滤波器有更陡的下降梯度，过渡带陡峭，在相同性能指标下，椭圆滤波器所需的阶数更小[11]。

图3 椭圆滤波器电路

3.4 振动信号数据采集

振动信号的数据采集通过数据采集卡实现，采用具有4 通道16 位同步采集的NI9215 高速数据采集卡，对标准源模块输出的模拟振动信号和待检测的变压器振动监测系统输出的振动信号进行采集。采集通道采用共地设置，可保证四个通道同步采样。采集的标准源模块输出的模拟振动信号作为标准测量值，待检测的变压器振动监测系统输出的振动信号作为待检测值。

4 软件设计

利用Quartus Ⅱ开发环境进行与硬件电路相匹配的软件内核设计，利用Visual Basic 6.0 编写上位机软件。上位机主要完成两个方面的功能。一是控制，即模拟振动信号的生成输出和检测流程的控制。二是数据处理，即对采集卡送入上位机的时域离散数据进行计算和分析。

4.1 数据处理

对于电力变压器的振动监测系统，测量的振动信号是跟随电网频率波动而在100Hz 左右波动的，克服频率波动保证采样的振动信号的完整性对于振动监测系统是非常重要的。模拟的振动信号由装置自身产生，其频率波动是已知的，所以在数据采集时，通过与上位机模块即时通信可保证整周期采样，避免了频谱泄漏，保证了测量数据的完整性，从而提高了测量的准确度。

在上位机控制模块对采集的数据进行频谱分析，针对特定的基波频率进行傅里叶变换，这个特定的基波频率就是标准源模块生成的振动信号的基波频率，从而检测出基波频率与各频率分量的幅值。充分利用美国MathWorks 公司开发的Matlab，将Matlab 的强大数学计算功能与Visual Basic 的程序界面开发结合起来，进行FFT 分析。将标准源模块输出的模拟振动信号幅值作为标准测量值，与待检测的变压器振动监测系统输出的振动信号幅值进行对比，计算振动信号的测量误差并给出评价。

4.2 检测流程

检测流程如图4所示，在上位机软件中设置检测频率波动、各频率分量幅值变动范围，在一定基波频率下的测试点，完成各频率分量幅值变动的同时进行测试并记录测试结果。幅值变动完成后，再自动跳转至下一个基波频率测量点继续进行测试并记录测试结果。测试的时间可根据实际情况进行设置，自动完成测试后，所有测试的数据将汇总，对应测试的时刻绘制成表格及图像。最终生成测试报告经USB 接口导出。

图4 检测流程图

5 检测装置性能测试

检测装置可用外部供电和内置电池供电两种方式，其中内置电池可供电72h 保证装置可靠运行，模拟的振动信号的基波频率及各频率分量幅值可在上位机控制模块中进行设置。

采用标准的频谱分析仪、示波器等测量仪器对检测装置进行性能测试，将检测装置与标准测量装置连接，然后对比标准测量值与检测装置的显示的输出值。以各频率分量幅值A0=25mV，A1=5mV，A2=5mV，A3=3mV，A4=4mV，A5=10mV 为检测点，进行性能测试，部分频率下的测试结果见表1。

表1 测试结果

根据上述结果，检测装置与标准测量值之间的误差均在1%以内，精度高，可用于变压器振动监测系统的实验室研发及振动信号的准确度检测。

6 结论

本文设计实现了一种电力变压器振动监测系统的检测装置，通过应用DDS 技术和信号放大能输出模拟电力变压器振动的振动信号，模拟的振动信号不仅能实现各频率分量幅值的变动，还能模拟电网频率的波动。通过模块之间的即时通信，保证振动信号的整周期采样，避免了频谱泄漏，确保振动信号的准确度。通过对振动信号准确度的检测完成对电力变压器振动监测系统的性能评价，为电力变压器振动监测系统的可靠运行发挥作用。

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