某舰用变压器在线监测与故障诊断系统研究

康兴，李维波，余万祥，徐聪，何凯彦

武汉理工大学自动化学院，湖北武汉430070

0 引 言

舰船电力系统通常包括舰船电站、配电装置、电力网和用电负载这4个部分，其中舰船电站的核心部件——变压器，负责整个电力系统的电力变换，是舰船电力系统安全运行的重要前提。在复杂的舰船环境中，变压器在线监测与故障诊断系统的稳定性、可靠性及经济性对于舰船生命力与战斗力而言具有重要意义。

舰用变压器一般为干式变压器，其最常见的故障是温度过高或局部放电导致的绕组形变，可以采用阻抗分析法、频率响应法等传统的变压器故障诊断方法［1-2］。如果配置非实时的设备运行监控系统，则舰员将难以及时发现变压器故障。目前，应用人工智能的变压器实时在线监测与故障诊断系统备受青睐［3］，但其检测类型和诊断方法都过于简单，而仅依靠单一的、不全面的检测项目和不成熟的诊断方法，并不能准确诊断故障性质。同时，舰用变压器的工作环境一般较为恶劣，将影响普通在线监测与故障诊断系统的稳定性和可靠性。

因此，本文拟构建基于高级精简指令集计算机（Advanced RISC Machine，ARM）的舰用变压器在线监测与故障诊断系统，通过多种抗干扰保护措施来实时可靠地采集设备运行的状态数据，用以为控制中心和管理部门提供决策支持；通过分析变压器的潜在故障并进行故障处理，以保证变压器的战技性能和可靠性，从而确保舰船电力系统平稳、安全、高效运行。

1 在线监测与故障诊断技术

1.1 系统总体设计

在线监测与故障诊断系统应具有强大的数据采集、分析与处理能力，能够实时采集并挖掘分析大量变压器的运行状态数据，从而实现变压器健康状态评估与故障诊断预警。为了克服传统采集系统测量精度低、易受干扰、反应速度慢等缺陷，本系统设计了滤波放大模块和差分隔离模块，用于处理传感器实时采集的变压器运行状态数据，从而使ARM完全与采集通道外界隔离。该系统的总体框架如图1所示，A/D转换器（模数转换器）将采集数据传送至信号处理单元（MCU），经ARM处理之后的数据将传输至存储器，并通过双冗余RS485通信模块传送至上位机实时显示。当出现故障时，通过故障诊断系统即可明确故障类型与故障定位，上位机将显示数据并报警，相应的控制指令将传送至控制设备，用以对变压器实施控制保护。

图1 系统总体框图Fig.1 System block diagram

1.2 故障诊断技术

变压器故障一般分为突发性故障和渐发性故障2种。其中，渐发性故障是指在变压器使用过程中的绝缘老化、触头磨损、局部短路等状态参数渐近规律性变化，导致性能逐渐下降而发生的故障；突发性故障是指在无明显征兆情况下变压器状态参数的突变。一般来说，每种故障都具有伴随性、复杂性和多样性的特点，随之也就决定了故障诊断的不确定性和模糊性。根据调研，变压器运行状态的异常现象［4-5］可以分为声音异常、运转异常、温度异常、气味异常等类别，可以根据故障的严重性对舰船变压器故障进行等级划分，从而确定故障处理优先级，构成如表1所示的三级故障分类表。需注意的是，当出现三级故障时，必须对变压器进行停机处理，以防止故障扩大化。

本系统将根据舰船电站变压器的特点和需求，开展变压器诊断保护研究，通过采用智能化的在线监测系统，判断变压器的空载特性、负载特性、电气性能、环境参数等是否符合设计要求。其中：超声波局放传感器可用于检测变压器本体的绝缘性能，根据干式变压器内局部放电产生的超声波大小、方向，即可确定局放电源的位置；振动传感器可用于监测变压器机械部件是否存在损坏、松动和变形等故障；电压、电流互感器可用于监测变压器的电气运行状态数据；温、湿传感器可用于监测环境温、湿度与绕组温度。

表1 三级故障表Table 1 Three level failure table

基于专家系统的变压器故障组合诊断模型如图2所示。通过模拟人类专家的思维方式，融合处理所采集的大量数据信息，运用推理规则和控制策略进行推理诊断，即可确定最终故障发生的概率，从而为决策判断提供理论支持。

图2 故障组合诊断模型Fig.2 Fault combination diagnosis model

网络模型是专家系统的一种推理机制，为提高网络收敛速度，本系统将采用基于非线性最小二乘法的 LM（Levenberg-Marquart）［6］算法，忽略泰勒级数3次以上项，展开第k+1次迭代的误差函数E(wk+1)为

式中：E(wk)为第k次迭代的误差函数；w为待求解的参数向量，wk和wk+1分别为第k次和k+1次迭代的待求解参数向量；gk=∇E(wk)，为第k次迭代的误差函数E(wk)的梯度；Ak=∇2E(wk)，为第k次迭代的误差函数E(wk)的Hessian矩阵。

引入未知矩阵e，将E(wk)分解为

式中，ek为第k次迭代的误差函数E(wk)分解的未知矩阵，其中 e=［e1，e2，…］，且e1，e2，…为未知量。

对于标准BP算法，有

式中，α≥0，为随机参数。

对于牛顿法，有

由于高斯—牛顿法是基于Jacobian矩阵来计算Hessian矩阵的近似矩阵，故令A≈JTJ，g≈JTe，则式中，Jk为ek关于wk的Jacobian矩阵。

为了克服牛顿法和高斯—牛顿法的缺陷，LM算法引入了参数λ（λ≥0）和单位矩阵I，得

LM算法是高斯—牛顿法的延伸与变形，兼具牛顿法的局部性质和梯度下降法的全局性质。当λ=0时，即为高斯—牛顿法；当 λ很大时，接近梯度下降法；当接近目标时，逐渐与高斯—牛顿法相似。LM算法比梯度下降法的计算速度快，而高斯—牛顿法在接近误差最小值时计算速度最快，精度也最高。相对于高斯—牛顿法的JTJ而言，LM算法的JTJ+λI是正定的，所以△w一直存在，因此LM算法优于高斯—牛顿法。

图3所示为运用故障组合诊断模型的故障诊断系统。通过结合实时监测系统生成的变压器运行状态数据趋势图，基于数据库模型，即可实现故障趋势预报；经过数据处理与分析，挖掘潜在故障，即可进行故障预警。

因此，利用监测系统分析所得的数据，运用基于专家系统的故障模糊分类模型和故障诊断推理模型，即可进行变压器故障辨识与故障定位，并根据故障优先级完成保护逻辑判断，从而控制相应的设备以保护系统安全，最终保证变压器的稳定性和可靠性。

图3 故障诊断系统Fig.3 Fault diagnosis system

2 在线监测系统的硬件电路设计

2.1 数据采集通道硬件设计

设备工作环境、现场状况等诸多因素均可能降低在线监测系统的实时性和可靠性，进而影响舰船综合电力系统的整体性能［7］。舰船变压器的电压、电流和温度是采集系统需要检测的关键数据，因此需要设计一种能够在极端条件下工作的鲁棒性更强的舰船在线监测系统。

为了保证该系统的精确度和响应速度，必须提高采集通道的抗干扰性，主要设计方法如下：

1）通过输入电阻RL，传感器输出端将电流信号转化为电压信号，然后经采集放大电路进行下一步处理。

2）在采集放大电路中配置通用高增益、可编程仪表放大器AD623ARZ，由外部电阻RG设置增益系数G1，其中G1=1时的误差为0.1%，按增益系数放大即可得到输出电压。

3）为了适用于复杂的船舶环境，设置有源低通滤波电路，用以提高信号的抗干扰性和信噪比，从而提高分析精度。其中由低阶滤波器串联而成的高阶滤波器能够大幅提高采样精度，从而更加接近理想情况。

由图1可知，A/D转换器将模拟信号转换成数字信号并传输至ARM进行处理。在复杂的电磁干扰环境下，为了切断干扰传播途径，本系统设计了可以隔离模拟信号与数字信号的差分隔离模块（图4），用以保证A/D转换器基本不受外界干扰的影响，从而提高敏感器件的抗干扰性能。

图4中，HCPL-7800A-300高阻抗隔离放大器的平均增益值G2=7.93，增益精度为1%。通过差分放大电路，可以有效抑制零点漂移、放大差模信号、抑制共模信号，增加同相跟随器的带负载能力，进而提高ARM的信号处理能力。

图4 差分和隔离电路Fig.4 Difference and isolation circuit

利用叠加原理，即可计算运放U2A（图4）的同相输入电压Ui+、反相输入电压Ui-及输出电压Uo：

如果R4/R2=R5/R3，则可简化为

则差模增益G3为

由于A/D转换器输入信号的变化率远大于采样率，其输出信号无法真实地反映原始信号，故输出的“假”信号也被称作“混叠”。目前，有2种方法可以消除频率混叠：1）提高采样频率 fs，但该方法有一定的限制范围；2）采用防混叠滤波器。在采样频率 fs一定的前提下，假设低通滤波器的截止频率为 fc，为了滤除高于 fs/2的频率成分，在实际处理过程中一般应满足 fs=（2.5～4.0）fc。

2.2 主控制单元硬件设计

随着微电子技术、计算机技术和测控技术的发展，舰船综合电力系统正逐渐转向数字化和智能化。同时，“模块化、集成化”的发展思路在舰船综合电力系统的应用极大地简化了舰船动力系统的结构，为舰船提供了安全、稳定的能量保障，显著提升了舰船的机动性、隐蔽性和生命力。为了实现舰船电站设备的智能化应用，实时数据采集是必不可少的技术手段，也是控制系统进行正确决策的前提条件。

本采集系统采用分布式采集、集中管理的结构，传感器分布在多个采集点，采集通道采取了抗干扰措施，并且使核心控制单元远离强电磁干扰环境，充分考虑了系统的稳定性、可靠性、容错性和鲁棒性。核心控制单元［8-10］采用高性能、低成本且广泛应用于嵌入式系统的ARM（例如STM32F417）作为中央处理器，同时集成高速同步A/D转换器。其中STM32TMF4系列处理器是基于最新的ARM®CortexTM-M4内核的32位MCU，其主频强大（168 MHz）、硬件接口功能完善，能够连接存储单元、RS485通信单元、数字量输出单元等多种外部设备。

该上位机界面运行于Windows操作系统，兼容性强，便于直观分析数据，可以实现电力监控、故障诊断、报警提示和最优控制等功能。通过实时在线测量变压器的运行状态数据，即可绘制电压、电流、温度、功率等参量的变化曲线。

3 软件控制流程

系统软、硬件初始化之后，首先进行变压器状态检测，模拟信号经隔离后传送至ARM自带的A/D转换器，在转换成数字信号的同时需进行中值滤波与平均值滤波，用以增强系统的抗干扰能力。然后，根据实际情况，系统将进行自判断，如果判断超过预设的安全阈值，系统将首先显示报警信息，再选取各种科学计算模型，并实时显示状态数据和存储数据，从而解决潜在的安全问题和调度问题。通过主控制器统一协调与控制各个独立运作的功能模块，即可实时分析实船变压器的复杂故障和调度优化问题，该系统的总体控制流程如图5所示。

4 仿真与测试

4.1 仿真分析

图5 系统总体控制流程图Fig.5 System overall control flow chart

基于Multisim 14.0仿真软件，搭建如图6所示的四阶压控低通滤波电路。该电路采用了集成运放AD8606ARZ模型，交流电压源正弦信号的频率为50 Hz。幅频特性曲线的截止频率 fc=70 Hz，阻带截止频率 f2=1 kHz时的增益L(ω2)≥50 dB。

4.1.1 方案1

利用查表法［11］可知，典型巴特沃斯滤波器的传递函数Au(s)为

为了简化设计，图6中，令C=C1=C2=C5=C6=10/fc≈0.15 μF，则设

图6 四阶低通滤波电路Fig.6 Fourth order low pass filter circuit

式中：i为第i级二阶低通滤波器的数量；Ri1和Ri2分别为第i级二阶低通滤波器的第1个和第2个待求电阻；Ci1和Ci2为第i级二阶低通滤波器的第1个和第2个待求电容；ti为传递函数Au(s)分解的第i个二阶多项式的一次项系数。

设 t1=0.765 4，t2=1.847 8，经计算，可得 R1=19.8 kΩ，R2=11.6 kΩ，R3=8.2 kΩ，R4=28 kΩ。

4.1.2 方案2

采用改进的设计方案，将2个相同的二阶低通滤波器级联得到四阶低通滤波电路，令s=jω，将传递函数转换为复频域，则电压放大倍数Au(jω)为

式中：ω为角频率；f为频率；f0为特征频率；Q为品质因数；Aup为二阶低通滤波器增益倍数。

为了满足最佳设计要求，同时便于选择阻容参 数 ，令 R1=R2=R3=R4=R，C1=C5=2C2=2C6=2C≈0.15 μF，则阻尼系数 ξ=0.707。经计算，可得：λ=fc/f0=0.8，f0=87.5 Hz，R=8.56 kΩ。

4.1.3 方案3

利用滤波器设计软件FilterLab设置滤波器参数，选取标称值后得到的参数为：C1=1.2 μF，C2=0.15 μF，R1=3.57 kΩ，R2=8.06 kΩ，C5=0.18 μF，C6=0.15 μF，R3=11.8 kΩ，R4=16.2 kΩ。

4.1.4 对比分析

一般来说，滤波器不可能同时兼顾良好的幅频特性与相频特性，所以本文仿真分析将重点考虑幅频特性指标，用以对比和优化设计低通滤波器。设置仿真电路的参数并适当调节之后，得到3种方案的频率特性曲线（Vout1，Vout2，Vout3）如图7所示，其仿真结果如表2所示。

图7 3种设计方案的频率特性曲线对比Fig.7 Comparison of frequency characteristic curves of three design schemes

表2 3种设计方案的仿真结果对比Table 2 Comparison of simulation results of three design schemes

根据以上仿真结果，可知3种方案在 f2=1 kHz处的衰减均大于50 dB，但其中方案1的截止频率fc不满足设计要求。通过对比方案2和方案3可知：方案2比方案3的品质因数Q更优；2种方案的带内幅度均较平坦，且在过渡带的幅值变化均较快，但方案3在过渡带的斜率相对较陡。因此，方案3更接近理想的设计工况，但在参数选择与实际运用方面，方案2最优。

4.2 工程化测试

完成数据采集系统硬件和软件部分的设计之后，需进行系统整体功能性测试。该系统的主要应用对象为舰船生活用电网的变压器设备，受实验条件等因素的限制，实际测试条件为恒定室温的供电机房变压器。本系统采集的变压器状态数据将通过RS485通信总线传输至采集系统显示界面，如图8所示。当出现严重故障时，需立刻断开供电线路。

图8 采集系统显示界面Fig.8 Collection system display interface

在实船应用中，该系统将记录实时采集的数据，并将在外部存储器上保存48 h内的数据。在测试过程中，该系统连续工作48 h的变压器运行状态趋势如图9所示。通过在4个不同的时间（t1，t2，t3，t4）采集运行状态数据，并与高精度测量工具所得变压器实际电压、电流和温度进行对比，结果如表3所示。

图9 变压器运行状态趋势图Fig.9 Trend diagram of transformer running state

表3 变压器运行状态的测试数据Table 3 Test data of transformer running state

由于电压互感器的工作范围为0～350 V，电流互感器的工作范围为0～200 A，在校准定标过程中发现，两者只有在20%～80%的测量范围内才能达到1%的测量精度。Pt100温度传感器的测量范围为-200～+850℃，其只有在0～50℃测量范围内才能达到0.4℃的综合精度。由表3可知，变压器参数的实际运行值与测量值非常接近，故该系统具有较高的可靠性与精确度，基本可以满足舰用变压器在线监测与故障诊断的应用要求。

5 结 语

针对舰船电站中因设备密集分布、运行环境恶劣等问题导致的复杂电磁干扰，本系统采用了鲁棒性更强的监测技术和嵌入模块化设计，可以实时采集运行状态数据并进行故障诊断，同时为舰员制订合理的控制策略和运行规划方案提供支撑。虽然本系统具有测量显示数字化、操作监视屏幕化和运行管理智能化等优点，但在开放性、可拓展性等方面仍存在不足，须在后续研究工作中进一步完善改进。