油浸式变压器多参数在线监测系统设计与开发

李潇然，孔德仁，孟祥勇，刘 欢

(1.南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094；2.六七二厂试验场，黑龙江齐齐哈尔 161006)

0 引言

油浸式变压器由于其较好的大容量散热能力和高电压绝缘能力[1]，被广泛地应用于当前的电力系统中，担任着重要的角色。但油浸式变压器投入工作的时间越久，发生故障的可能性就越大，由于其故障所造成的生活不便、经济损失等都是非常严重的。虽然油浸式变压器在设计方法、材料选择、制造工艺上都有所改进，故障发生率降低，但仍不能排除其发生事故的可能性。因此，对油浸式变压器进行状态监测、故障预警、故障定位、故障检修等操作使其保持或快速恢复正常工作状态尤为重要。

近些年，电力设备由传统的计划检修和故障维修方式向状态检修方式过渡[2-4]。其中，在线监测是状态检修的前提和基础，通过在线监测，在不影响设备运行的前提下获取变压器关键参数信息，实时监测设备运行状态。同时，可通过数据分析和比对的方法判断设备运行状况，进行故障预警，识别故障种类和程度，最后根据实际情况制定合理的维修策略[5]。

1 油浸式变压器多参数在线监测系统总体设计

油浸式变压器各项关键参数(温度、液位、振动、压力、电压等)状态由其运行状况决定。虽然油浸式变压器故障原因错综复杂，但每一项故障均会在参数的变化上有所体现，因此可以通过搭建多参数在线监测系统来实时监测油浸式变压器各关键参数的变化，进而判断变压器的运行状态。

考虑到嵌入式微系统在信号处理、控制方面的可靠性和可扩展性的优势[6]，本文在常用的变压器在线测试方法的基础上，选用嵌入式微处理器硬件平台和LabVIEW软件平台设计和开发了油浸式变压器多参数在线监测系统，系统结构框图如图1所示。整个系统采用模块化结构，主要由传感器模块、下位机子系统和上位机子系统组成，依托该框架，测试系统可实现以下功能：

(1)开机自检：系统开机后可进行自检，确保测试系统处于正常工作状态；

(2)数据采集和传输：下位机子系统可实现17通道数据的个性化采集，并通过以太网进行数据的传输；

(3)数据显示和存储：下位机子系统可实现数据的现场显示，上位机子系统可实现所接收数据的实时显示及存储；

(4)数据分析及状态判别：系统设置了各参数阈值，故障时上、下位机均会发出警报。同时，上位机可通过数据分析软件实现设备工作状态的判断、设备运行状态的预测等操作。

图1 系统结构框图

2 硬件设计

如图2所示，油浸式变压器多参数在线监测系统的硬件主要由信号采集及调理模块和微控制器处理平台组成。

图2 硬件结构框图

2.1 信号采集及调理模块

信号采集及调理模块主要完成各关键参数的采集及相应的信号处理工作。

2.1.1 绕组热点温度检测

对绕组热点温度的测量采用间接计算法。间接计算法是根据假设的变压器热模型，结合各国实践经验，来估算变压器绕组的热点温度，这是目前变压器绕组热点估算的传统的经典方法[7]。无需设计绕组温度参数硬件测试模块，只需结合相应公式对所采集的油液温度和低压侧电流进行计算即可获取绕组温度数值。

2.1.2 油液温度检测

油液温度检测由Pt100传感器及相应调理电路组成。Pt100传感器的阻值会随温度变化呈规律变化，惠斯登电桥将该变化转换为电压输出。信号经过放大、滤波后接入数据采集部分。

2.1.3 电流检测

电流检测包括高压侧三相电流和低压侧三相电流的检测[8]，均选用霍尔式电流传感器。根据霍尔效应原理，从霍尔元件的控制电流端通入电流Ic，并在霍尔元件平面的法线方向上施加磁场强度为B的磁场，那么在垂直于电流和磁场方向将产生一个电势，其大小正比于输入电流Ic。

2.1.4 电压检测

电压检测包括高压侧三相电压和低压侧三相电压的检测。高压侧电压检测采用单相电压互感器将大电压转换为小电压，进而采用电压变送器将其转换为可进行数据采集的小电压信号。低压侧直接采用电压变送器即可。

2.1.5 振动检测

振动检测选用ICP低阻输出型加速度传感器，该传感器输出具有两线制特点，采用一根同轴电缆实现低阻抗电压信号输出和内置阻抗变换器的恒流源激励，极大简化了测试系统信号调理部分的电路设计，同时也改善了系统的测试精度，该传感器调理电路如图3所示。

图3 加速度传感器调理电路

2.1.6 液位检测

液位检测采用陶瓷电容压力敏感传感器，该传感器基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号。传感器输出信号为4～20 mA电流信号，采用I/V转换将其先转换为0～5 V电压信号然后接入数据采集部分。转换后的电压信号为V(单位为V)，输入电流信号为I(单位为mA)，则

V=0.3125I-1.25

(1)

2.1.7 液压检测

油液压力检测采用电容式压力传感器，该类传感器低频特性优秀，能够满足准静态压力的测试需求。该传感器输出也为4～20 mA电流信号，计算方式同液位传感器。

2.2 微控制器处理平台

微控制器是数据采集和传输的核心，它负责协调整个下位机子系统的工作，完成信号的采集、显示和传输[9]。本系统的主控电路选用STM32F103微控制器，该系列芯片是一款高性能、低功耗的32位ARM微控制器，它的时钟频率可达到72 MHz，片内集成了最高512 KB字节的闪存程序存储器；最大64 KB字节SRAM数据存储器；所包含的16通道12 bits、最高1 MHz采样率的A/D转换器大大简化了采集模块电路。

如图4所示，微控制器模块由STM32F103处理芯片、系统电源、16路信号调理电路、A/D采集电路、W5500以太网通讯电路以及LCD显示电路组成。

图4 微控制器处理平台

除了选用微控制器自带的A/D转换器，还选用了用于采集加速度信号的AD7324芯片。AD7324是一款12位带符号位的1MSPS逐次逼近型ADC，可选择输入范围，能够采集正负电压，非常适合对加速度信号进行采集。

考虑到现场复杂的电磁环境，系统在进行信号传输时选用抗干扰能力强、传输速率快的以太网传输方式。W5500是高性能以太网接口芯片系列之一，内部集成全硬件TCP/IP协议、MAC(medium access control)和物理接口收发器，具有简单快速、可靠性高、安全性好等显著优势，传输速率最高可达100 Mbit/s。W5500模块、MCU与上位机连接图如图5所示。

图5 W5500模块与微控制器、上位机连接图

2.3 屏蔽结构设计

由于变压器环境下电磁干扰现象较为严重，因此硬件部分屏蔽结构设计十分关键，采用不同材料组合的方式对监测系统进行屏蔽[10]。第一级屏蔽材料选用厚为0.1 mm的坡莫合金，坡莫合金实质上是铁镍(FeNi)合金，其磁导率很高，相对磁导率可达20 000～200 000，可有效地屏蔽磁场；第二级材料选用2 mm的紫铜，紫铜是电导率最高的材料之一，它被用来作为衡量其他材料的基准，可有效地屏蔽电场；最后选用30#钢盒作为整体封装盒，整个系统具有较好的电磁兼容性。所设计开发的油浸式变压器在线监测系统实物如图6所示。

(a)监测系统内部电路

(b)监测系统前后面板图6 多参数在线监测系统实物图

3 软件设计

测试系统程序由运行于底层STM32微控制器的下位机程序和运行于上位机中的LabVIEW程序组成，其中下位机直接读取调理后的传感器数据，在片上SRAM数据存储器中进行缓存，然后通过TCP/IP协议将缓存数据上传至上位机；上位机LabVIEW程序实现数据接收、显示、存储、状态判别、分析和报表输出等功能，同时可实现系统故障警报功能。

3.1 下位机软件设计

多参数在线监测系统的下位机主要功能为：装置上电后，首先对系统时钟、中断向量表、液晶显示屏、定时器、A/D转换器、W5500模块等进行初始化，然后完成多通道实时信号的采集、处理、缓存、显示及传输。下位机程序流程图如图7所示。

3.2 上位机软件设计

上位机软件主要分为2部分，一部分为数据采集软件，另一部分为数据处理与分析软件。数据采集软件实现以太网数据的接收、显示、自动存储和状态判别，同时，设置报警功能，在油浸式变压器运行异常时发出警告；数据处理与分析软件除了具有历史数据的读取、实时信号连接、各通道标定及性能标定参数读取、信号有效带宽分析、数字滤波、频谱分析的基本功能之外，针对所测参数还具有个性化处理、测量结果报表输出等能力。该软件采用模块化设计，具有开放性、嵌入性、通用性等特点。软件界面友好、直观，操作方便，并留有一定的扩展空间。数据采集部分软件流程图如图8所示。

图7 下位机程序流程图

图8 数据采集程序软件流程图

4 油浸式变压器多参数在线监测系统验证实验

为了测试该油浸式变压器多参数在线监测系统运行情况，对某试验用小型变压器开展了试验。该试验变压器参数如表1所示。

表1 试验变压器参数

试验时将油浸式变压器多参数在线监测系统安装到被试变压器上，监测系统输出报表部分截图如图9所示。

当前日期2018-06-06 13:10:48变压器状态正常详细信息高压侧电压A/B/C/kV9.85、9.89、9.86高压侧电流A/B/C/A2.96、2.89、2.94低压侧电压a/b/c/V394.1、396.4、394.3低压侧电流a/b/c/A73.4、71.1、73.2油液温度、绕组温度/℃61.6、75.5液位/cm、压力/kPa51.2、20.3振动/(m·s-2)0.8

图9 监测系统输出报表部分截图

5 结论

本文结合常用的变压器在线监测方法，基于STM32F103微处理器组成的硬件平台和LabVIEW软件平台研制了油浸式变压器多参数在线监测系统，可实现油浸式变压器17个参数的测试和故障警报。同时，配备数据分析软件，可对采集到的数据进行回放、分析和输出报表等操作。该监测系统实现了油浸式变压器的状态监测、故障警报以及状态判别，具有成本低、判断简单直观、可测关键参数多、可靠性高等优势。实验显示，该系统可较好地监测油浸式变压器关键参数。系统结合互联网技术，对智能电网模式的推动具有较大的作用。