基于振动的电力变压器状态监测系统设计

陆　杰，张　淼，赵宏飞，马宏忠（.江苏省电力公司泰州供电公司，泰州 5300；.河海大学能源与电气学院，南京 00；3.江苏省电力公司检修分公司扬州分部，扬州 5000）

基于振动的电力变压器状态监测系统设计

陆杰1，张淼1，赵宏飞2，3，马宏忠2
（1.江苏省电力公司泰州供电公司，泰州 225300；2.河海大学能源与电气学院，南京 211100；3.江苏省电力公司检修分公司扬州分部，扬州 225000）

为在线监测变压器的运行状态，文中对以机械参数为主、电气参数为辅的变压器振动分析法进行了研究，在Windows CE平台上搭建了基于振动信号的电力变压器状态监测系统。选用EPC-8000嵌入式工控机主板作为操作系统平台，PCM-8208BS高速模拟量输入卡作为数据采集设备，VC++作为软件开发环境。系统装置能实时采集变压器的振动信号并进行分析，绘制出实时的时域波形图、频谱图和能量谱图，得出变压器的运行状态，并进行故障预警，具有良好的在线监测效果。

电力变压器；振动；故障诊断；状态监测

DOI：10.3969/j.issn.1003-8930.2016.04.013

电力变压器绕组和铁芯压紧程度的降低，将导致绕组抗短路能力的下降，事故隐患增大［1］。因此，对变压器运行状况进行在线监测，及时发现故障隐患具有非常重要的意义［2］。目前变压器在线监测的方法理论中，油色谱分析是目前对油浸式电力变压器早期故障进行判断的最常用的方法之一［3］。可油色谱分析法主要针对变压器内部的过热以及放电故障，对于机械故障等故障不能及时有效判断［4］。文献［5］分析了变压器振动的产生原理，对利用振动法来监测变压器运行状态的可行性进行了分析研究。文献［6］研究了利用变压器箱体振动模型确定变压器故障阈值的诊断方法。

本文研制的变压器状态监控系统需实现对运行中的变压器油箱表面的振动进行采集，并对采集数据进行处理，然后根据相关诊断理论对变压器进行状态评估，从而得到变压器的运行状况。综合考虑所需时间以及资源，选择周立功公司的EPC-8000嵌入式工控机主板作为操作系统平台，PCM-8208BS高速模拟量输入卡作为采集装置，VC++作为软件开发环境构。

1　硬件系统设计与选型

本文设计的以EPC-8000为核心的电力变压器监测系统主要分为硬件和软件两大部分。

系统的硬件结构如图1所示。该系统主要由振动传感器、嵌入式工控机、调理模块以及数据采集卡等组成。数据采集卡主要实现对模拟信号进行采集。嵌入式工控机主要实现对采集卡的控制、采集信号的处理分析以及波形显示控制功能，根据相关诊断理论得出变压器的运行状态并予以显示。由于工作现场的磁场比较强，为减小电磁干扰，系统装置电缆均采用同轴电缆［7］。整个系统通过对采集的振动进行分析，根据相关诊断理论对变压器状态进行分析评估。

图1　系统硬件结构Fig.1　System hardware structure

监测系统软件程序采用微软公司推出的Visu⁃al C++语言进行编写，可实现变压器故障在线监测系统的各种应用要求［7］。

1.1加速度传感器及信号调理模块

通过前期对电力变压器油箱表面采集的振动进行分析，得出振动信号特征量频率主要在10 kHz以内。针对上述特点，本设计采用型号为CA-YD-182压电式振动加速度传感器，其具体参数如表1所示。

表1　传感器的参数Tab.1　Sensor parameters

加速度传感器与外接信号调理电路如图2所示。图中，左边部分为集成IC的压电式加速度传感器，右边为信号调理电路部分。信号调理模块主要对微弱的加速度信号进行放大及滤波。调理后模拟信号通过数据采集卡进行A/D转换。

信号传输电缆的寄生电容是影响信号建立时间的一项重要参数，因此本文使用尽可能短的带屏蔽电缆连接传感器信号到采集卡，减小交叉干扰与噪声。

图2　传感器与信号调理电路Fig.2　Sensor and signal conditioning circuit

1.2EPC-8000嵌入式工控机主板

由于变电站内的电磁场比较强，而状态监测系统就工作在这种环境中，因此工控机主板应能够抗电磁干扰［7］。工控机需要能够进行6路以上通道数据的FFT（快速傅里叶变换）、功率谱、小波等算法计算以及采样数据的时频域、功率谱曲线的绘制等，所以要求主控板的运算速度很高。而且系统要能够保存一到两年变压器的运行状态数据，工作人员能实时对数据进行读取查看。最重要的是能够长时间安全稳定的运行。综合上述要求的考虑，选择周立功公司的EPC-8000嵌入式工控机主板。

1.3PCM-8208BS数据采集卡

根据系统监测以及分析的要求，希望能采集2 kHz频率以内的振动信号。这就要求系统采集模块的模数转换具有较高的采样率，较快的传输速率以及较高的A/D采样精度，并能对增益可编程以及可靠的稳定性。

基于以上的要求系统采用广州致远电子公司的PCM-8208BS高速模拟量输入数据采集卡。它拥有16路单端输入通道以及16位的数据采样精度，因此能满足监测系统设计的要求，而且其所有输入端口都具备过压保护功能。

在本系统应用中，为排除未使用端口对采集信号的干扰，需将未使用的A/D端口接地。PCM-8208BS采集卡采用PC/104总线与嵌入式工控机EPC-8000进行连接。

1.4无线通信模块

为实现现场和客户端的通讯，选取了北京天同诚业科技有限公司WG-8010GPRS DTU无线通讯模块。通常工作人员只需设置一些参数就可实现嵌入式系统与Internet相连，实现网络互连。DTU组网通信的整个应用过程如图3所示，大致可分为5步。

图3　DTU应用步骤Fig.3　DTU application step

当数据监控中心主站要向某个监控终端提出信息数据请求时，它会根据数据库里的IP地址以及ID号来找到相应的监控终端。当监控终端响应后，便通过通用分组无线服务技术GRPS（general packet radio service）模块把监测采集的数据发到网络代理服务器端口，再由端口映射转发到监控数据中心即完成一个应答式的通讯流程。

2　振动测点选择与监测方法

2.1振动测点的选择

依据变压器铁芯、绕组振动的传播原理可得，径向振动传播到变压器油箱正面中部（靠近高压侧）油箱的传播路径最短，测得的振动幅值比较高，因此，在油箱正面中部布置3个振动测量点。为测量变压器轴向方向的振动，选取了变压器油箱顶部A、B、C三相绕组正上方的3个点来测量振动信号。选择的监测测点具体布放如图4所示，振动传感器利用磁铁吸附在变压器油箱表面。

图4　变压器油箱测点分布Fig.4　Transformer tank measuring point maps

2.2故障定位研究

传统故障定位的核心原理：振动传播路程与时间等量的关系。由于变压器的三维尺寸有限，信号传播时差极小，因此，根据时差识别方法来对变压器进行故障定位是比较困难的。

本文研究发现，机械振动传播不同于电气量传播，振动信号在变压器固体构件中传播时比电气量在导体中传播时的衰减程度大很多。虽然理论上定量计算仍需要进一步研究，但这一点已具有实用价值。根据振动在变压器内的传播途径和振动的衰减特点，可利用油箱表面不同位置测得振动信号的衰减程度来判断哪一相发生了故障。通过布置不同位置传感器，比较哪一个传感器的故障特征变化明显，则故障就发生在该传感器附近，实现初步定位。

2.3故障诊断方法分析

油浸式电力变压器常见故障有绕组松动变形、铁芯松动、绕组绝缘弱化等3种类型。针对这3种故障进行变压器故障模拟实验，分正常运行状态（无故障）和故障状态两种情况进行实验，并对不同状态下油箱表面的振动信号进行测量。

利用测量装置分别对变压器正常时（无故障）和3种故障状态时的振动进行测量。将测得的振动数据进行分析并保存，以便分辨正常状态和每种故障状态时振动信号的差异。为防止随机影响，故每次实验测量3次，以提高实验测量数据的可靠。

采用以下步骤对变压器油箱表面测得的振动信号进行分析：①首先将测得的振动信号进行滤波降噪处理，降噪后的信号降低了噪声的干扰。②采用FFT及功率谱对经过步骤①处理的振动信号进行频谱分析，将有用的特征频率分量提取出来，然后将变压器油箱表面6个不同测点的振动信号特征频率幅值与初始化的阈值（变压器无故障时的值）进行对比，来判断变压器是否故障以及故障发生的大概位置（三相中的一相绕组或铁芯）。③对FFT的计算结果进行频率分段，计算各频率段的能量和。当特征频率段能量和超过初始化的阈值（变压器无故障时的值）时，就可以根据不同情况判断出相应的故障类型。

当然，还可利用希尔伯特-黄变换HHT（Hil⁃bert-Huang transform）［8］对测量数据进行分析，以获得信号的时频数据，通过分析信号的能量分布，就可提取故障特征。根据第1个基本模式分量IMF （intrinsic mode function）的瞬时频率或瞬时幅值可进行故障特征提取。以此来判断变压器的故障情况。由于主频的限制，复杂的HHT算法无法在嵌入式工控机上实现。

3　软件设计

3.1算法程序设计

FFT、功率谱及小波分析算法均使用C语言开发，C语言编程比较灵活，可读性和可移植性很强，有利于程序的修改，加快了开发的速度。其中FFT是功率谱和小波算法的基础，FFT算法的流程如图5所示。

图5　FFT算法流程Fig.5　flow chart of FFT algorithm

在实际应用中发现，对振动信号经过快速傅里叶变换得到的频谱数据，其幅值、频率以及相位都会有误差。就算通过加窗的方法处理后也不能完全将误差消除［9］，因此，实际应用时需要对幅值谱进行校正，本文采用加矩形窗的幅值比进行频谱校正。

设窗函数的频谱模函数为f（x），主瓣函数为

式中，A为对应主瓣中心 x0的真实幅值，现将y=yk，x=k代入式（1）得

式中，k-x0=Δk，解出幅值A的值为

在频谱分析中，矩形窗定义为

矩形窗的频谱函数为

k的取值范围为［-1，+1］区间，当 N＞＞1， 1 N→0，所以存在简化条件

设谱线处于Δk和Δk-1两点，且已知相应的谱线高度为y1和y2，则有

由式（8）可以求出频率的修正量为

将式（9）代入式（3），可得到矩形窗幅值校正公式为

快速傅里叶变换后的数据通过式（10）进行频谱校正后，再进行功率谱以及小波算法编程计算。

3.2系统软件设计

变压器故障在线监测系统在Visual C++环境下进行程序开发。PCM-8208BS数据采集板采用动态链接库编程技术，实现在Visual C++平台对采集卡进行编程写。对于PCM-8208BS的编程控制，周立功单片机公司提供了在Windows CE操作系统下的应用程序编程接口API（application program⁃ ming interface）函数的ZwaPCM8208BTBSDrv动态库，该动态库封装了对板卡内部寄存器的底层操作，实现了板卡的所有功能。系统程序流程如图6所示，最后根据相关诊断理论对处理结果进行故障分析，如果出现故障，则发出警报，并存储实时数据。

图6　系统程序流程Fig.6　Flow chart of system program

3.3系统界面显示与数据存储

软件系统大致实现3个功能：控制功能、曲线显示功能、数据存储分析功能以及告警提示功能等。软件运行界面如图7所示，监测系统运行的界面的左边设置部分包括：故障阈值设置、数据采集控制设置、运行状态提示、系统时间以及文件存储设置等。右边数据的显示部分包括时域实时波形图、FFT图、功率谱图等。

图7　系统界面显示Fig.7　System interface display

系统默认的数据存储格式为文本格式。在系统运行自动（或手动）采集数据时，选中实时读取到文件复选框，系统会按照默认存储路径进行数据存储。数据文本文件以采集数据信号为开始保存标志，对采集到的原始数据、分析后的数据以及故障数据分别进行存储。原始数据文件名为“变电所名缩写+变压器号+日期时间”；分析后的数据文件名为“变压器号+日期年份”；故障数据文件名为“变压器号+故障+日期时间”。系统采集的数据为振动信号，保存的数据长度为进行一次的采样。

4　实测数据分析

本文列取系统对变压器铁芯松动情况下的分析结果。表2所示变压器低压侧外加电压在360 V～440 V之间变化，变压器正常和铁芯松动时，振动信号中100 Hz特征频率分量的幅值比较。

表2　变压器铁芯正常、松动时，振动幅值比较Tab.2　Comparison of vibration amplitude when transformer core normal and loose

由表2可得出，变压器在铁芯松动时相比正常状态时的100 Hz特征频率分量要大，为1.5倍左右。因此，可依据上述特征判断变压器发生铁芯松动，系统以此设置阈值来进行故障判断。

5　结语

为开发基于振动的电力变压器状态监控系统，本文对系统硬件进行了选择，并对系统软件以及算法进行了设计开发。系统能实现对采集到的变压器油箱表面的振动信号进行FFT、功率谱及小波变换分析。将提取的振动特征量与正常无故障时的进行比较，就可以实现对变压器状态进行在线监测以及状态评估。该监控系统具有良好的推广和应用价值。

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Design of Power Transformer Condition Monitoring System Based on the Vibration Signal

LU Jie1，ZHANG Miao1，ZHAO Hongfei2，3，MA Hongzhong2
（1.Taizhou Power Supply Company，Jiangsu Electric Power Company，Taizhou 225300，China；2.College of Energy and Electrical Engineering，Hohai University，Nanjing 211100，China；3.Yangzhou Department of Jiangsu Electric Power Company's Maintenance Branch，Yangzhou 225000，China）

In order to monitor the running state of transformer online，the method of transformer vibration analysis main⁃ly depending on mechanical parameters and supplementary with electrical parameters is researched in this paper.And the on-line monitoring and fault diagnosis system for power transformer based vibration signal is built on Windows CE platform.The system device uses EPC-8000 as the operating system platform，PCM-8208BS high-speed analog input card as a data acquisition device，VC++as software development environment.The system device can acquire the vibra⁃tion signal of the transformer in real time and do signal analysis.It can also draw a real-time time-domain waveform，fre⁃quency spectrum，the energy spectrum，obtain the status of operation of the transformer and do fault warning.It has a good line monitoring effect.

power transformer；vibration；fault diagnosis；condition monitoring

TM406

A

1003-8930（2016）04-0073-05

2014-04-30；

2015-05-11

陆杰（1989—），男，本科，助理工程师，研究方向为电力系统分析、电气设备故障诊断。Email：244689530@qq.com

张淼（1986—），男，本科，助理工程师，研究方向为电力系统分析、电气设备故障诊断。Email：382643026@qq.com

赵宏飞（1988—），男，硕士，助理工程师，研究方向为电气设备状态检测与故障诊断。Email：zhaohongfei198810@ 126.com