CN101777798A - 基于无线传输的变压器在线监测及生产商远程监视系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线传输的变压器在线监测及生产商远程监视系统，由生产商对其所制造设备的运行状况进行实时监测，为一种创新的服务管理模式。本发明主要针对偏远的电力运行现场，使用各种变压器信息监测、综合状态特性分析和网络数据传输等技术，实时的多渠道采集各种运行数据，运用公用无线通信网络对变压器进行在线监测及生产商远程监视，通过对电气设备在现场的运行情况实行状态监测与情况分析，进而预防故障或在出现故障情况下快速解决故障，能够实现真正意义上的无人值守，减少维护费用，对高压电器设备实施状态维护起到积极促进的作用，保障了变电的可靠运行。

Description

基于无线传输的变压器在线监测及生产商远程监视系统

技术领域

本发明涉及无线通讯领域和电气设备在线监测领域，具体地说是一种基于无线传输的变压器在线监测及生产商远程监视系统。

背景技术

目前，中国移动通信有限公司GPRS网络及中国电信公司CDMA网络的覆盖率日益提高，已可覆盖全国99％的市、县，移动通信服务正逐步由语音通信为主转向数据通信和语音通信并驾齐驱，以工业应用为目的的数据通信正在成为无线通信服务中非常重要和发展迅速的一个分支。

随着电力系统自动化的不断深入，变电站无人值守、设备智能化是电力发展的必然趋势，状态检修已成为电力系统发展的必然，变压器在线监测技术也不断发展和趋向成熟，各大设备生产厂家或电力自动化公司都在开发相关在线监测产品(或系统)，但是对高压电器运行信息的管理一般是将其传输至高压电器运营商，尚无借用公用网络进行无线数据传输、并将运行信息远传至高压电器生产商的系统。

发明内容

为解决上述存在的技术问题，本发明提供一种基于无线传输的变压器在线监测及生产商远程监视系统，将变压器运行现场监测数据通过无线移动通讯网(包括GPRS、CDMA、3G)、无线以太网或卫星通讯网等公用无线网络传输到高压电器生产商监控中心，实现生产商对高压电器运行信息的实时在线管理，进而保证高压电器安全可靠运行。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

包含有通过公用无线通讯网络连接的运行现场子站数据采集系统和生产商中心站数据监控分析系统，所述运行现场子站数据采集系统包含有变压器运行绕组温度及油面温度在线监测装置、变压器油面位置在线监测装置、变压器油中气体含量在线监测装置、变压器局部放电量在线监测装置、变压器铁心接地泄漏电流在线监测装置和避雷器接地泄漏电流在线监测装置，所述生产商中心站数据监控分析系统包含有生产商中心站数据采集服务器、生产商中心站客户端服务器和生产商远程监视电子屏幕，所述各在线监测装置与生产商中心站数据采集服务器、生产商中心站客户端服务器之间通过公用无线通讯网络的信息传输连接，生产商中心站数据采集服务器与生产商远程监视电子屏幕通过数据线连接；

由生产商对其所制造设备的运行状况进行实时监测，为一种创新的服务管理模式；

所述运行现场子站数据采集系统用以实现变压器运行信息的实时采集和实时监视、对各变压器运行信息监测装置的运行控制、对系统实时异常诊断和报警、对各种参数的查询、设置、修改；

所述生产商中心站数据监控分析系统用以实现对运行现场各变压器运行信息监测装置的远程实时监视、远程实时异常报警、远程参数查询、生成各种运行报告供查询和打印、实时监视信息同步传入生产商远程监视电子屏幕。

本发明由生产商对其所制造设备的运行状况进行实时监测，为一种创新的服务管理模式，主要针对偏远的电力运行现场，使用变压器绕组温度与油面温度在线监测、油面位置在线监测、油中气体含量在线监测、避雷器泄漏电流在线监测、铁心接地泄漏电流在线监测、局部放电在线监测、综合状态特性分析和网络数据传输等技术，实时的多渠道采集各种运行数据，运用公用无线通信网络对变压器进行在线监测及生产商远程监视，通过对电气设备在现场的运行情况实行状态监测与情况分析，进而预防故障或在出现故障情况下快速解决故障，能够实现真正意义上的无人值守，减少维护费用，对高压电器设备实施状态维护起到积极促进的作用，保障了变电的可靠运行。

附图说明

图1为本发明系统结构连接示意图；

图2为提取变压器油中气体含量信息的原理图；

图3为提取变压器局部放电量信息的原理图；

图4为本发明数据传输流程图；

图5为本发明网络通讯连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述：

如图1所示，本发明包含有通过公用无线通讯网络连接的运行现场子站数据采集系统和生产商中心站数据监控分析系统，所述运行现场子站数据采集系统包含有变压器运行绕组温度及油面温度在线监测装置、变压器油面位置在线监测装置、变压器油中气体含量在线监测装置、变压器局部放电量在线监测装置、变压器铁心接地泄漏电流在线监测装置和避雷器接地泄漏电流在线监测装置，所述生产商中心站数据监控分析系统包含有生产商中心站数据采集服务器、生产商中心站客户端服务器和生产商远程监视电子屏幕，所述各在线监测装置与生产商中心站数据采集服务器、生产商中心站客户端服务器之间通过公用无线通讯网络的信息传输连接，生产商中心站数据采集服务器与生产商远程监视电子屏幕通过数据线连接。

在运行现场，变压器的运行信息预示着其运行状态，通过监测这些信息的变化，可以及时发现变压器可能存在的某些潜伏性故障，进而及时采取相应措施，避免造成大的事故。

本发明运行现场子站数据采集系统通过上述变压器运行信息监测装置及子站数据管理系统来实现以下功能：对变压器的运行绕组温度、油面温度、变压器油面位置、变压器油中气体含量、变压器局部放电量、变压器铁心接地泄漏电流或避雷器接地泄漏电流等信息的实时采集和实时监视；根据各在线监测装置CPU处理结果对相关装置进行控制；在系统出现故障时实时报警；在出现数据异常时自动进行分析，并控制校准，诊断出故障的真实原因，再进行报警；对子站管理及采集软件的各种参数进行查询、设置、修改等；对通讯方式、传输速率、通讯接口进行设置和中心站数据采集及处理软件、中心站系统工程软件进行数据通讯，完成数据的传输。

下面具体描述通过上述监测装置实现对变压器运行信息的提取：

(1)通过绕组温度与油面温度监测装置提取绕组温度与油面温度信息：

绕组温度的高低直接影响着变压器的寿命，对绕组热点温度进行测量十分必要。目前绕组热点温度的测量方法主要为热模拟测量法。基于负载电流的热模拟测量法需要测量的一个是负载电流，另一个是变压器的上层油温度。利用设置在油箱顶部的温包来接受变压器的油面温度信息，然后使用温度转换器将温度信息转化为4～20mA电流信号或0～5V电压信号输出。变压器绕组温度是在油面温度基础上叠加了与负载电流相对应的部分温升，绕组温度信息也可以转化为4～20mA电流信号或0～5V的电压信号输出。

(2)通过变压器油面位置监测装置提取油面位置信息：

对变压器的油面高低进行监视，是为了避免环境温度变化或产品负荷变化时发生储油柜内缺油，或是变压器油外溢出的现象。当变压器油体积随温度变化而发生涨缩时，设置在油面上浮球可以感应油面高度的变化。通过机构的传动部分和转换部件，将油面位置的变化转化为4～20mA的电流信号输出。

(3)通过变压器油中气体含量监测装置提取油中气体含量信息：

当充油电气设备存在内部故障时，产生的气体种类、各种气体的含量和产气速率均不相同，即不同的故障类型有着不同的特征气体。利用这一关系，监视设备的运行，判断设备潜伏性故障已成为保障充油电气设备安全运行不可缺少的手段。

变压器在正常运行温度下，油中的气体含量很低。当变压器存在过热性故障或放电性故障时，在热场或电场作用下，由不同分子量碳氢化合物组成的变压器油和主要由纤维素构成绝缘纸板都会发生裂解，这些裂解产物通过复杂的化学反应生成H₂、CH₄、C₂H₆、C₂H₄、C2H₂、CO、CO₂七种特征气体，且各种气体的含量与裂解温度有关。根据设定的时间周期提取变压器油样，通过脱气处理将油中的气体分离出来，即可对其各组分含量大小进行分析，而各组分气体含量的变化也可以以电信号的形式输出。

如图2所示，油中气体在线监测装置运用油气分离装置将变压器油中的气体分离出来，并保存在存储装置中，然后使用气体分解装置将不同气体分离开，再利用气敏传感器将气体信号转换为电信号，将交流电信号转换为直流电信号，再送给中心站数据监测分析系统进行数据计算与分析，最终得出变压器绝缘状况，供有关人员参考或作为诊断系统输入信号，当绝缘状况危及安全运行时，可发出报警信号。

(4)通过变压器避雷器接地泄漏电流监测装置提取避雷器接地泄漏电流信息：

对变压器用避雷器进行状态监视，可以判断避雷器是否发生故障，进而为变压器的安全运行提供可靠保障。变压器用避雷器的运行状态信息包括两方面，其一是避雷器的放电次数，其二是避雷器的泄漏电流。通过在避雷器接地回路中设置电流互感器，可以提取避雷器的泄漏电流，并经过适当变换后远传。避雷器的放电次数可以使用电磁放电计数器进行记录。

(5)通过变压器铁心接地泄漏电流监测装置提取铁心接地泄漏电流信息：

变压器铁心接地电流的变大，预示着铁心可能存在多点接地，并进一步导致变压器的局部过热。变压器铁心接地电流的提取方式与避雷器泄漏电流的提取方式相同，可以用在接地回路中设置电流互感器的方式实现。

(6)通过变压器局部放电监测装置提取局部放电信息：随着电力设备电压等级的提高和各种绝缘材料的广泛应用，电力设备的局部放电问题越来越突出。局部放电既是设备绝缘劣化的征兆，又是造成绝缘劣化的重要原因。变压器内部可能发生的局部放电，严重威胁着变压器的安全运行，对局部放电进行有效的离线或在线检测对于电力设备的安全稳定运行具有重要意义。

变压器内部放电过程会伴随有诸如电磁波、声波、光波、热和化学变化等现象。如图3所示，本发明主要采用特高频法(UHF)进行变压器局部放电在线监测，UHF方法原理与超声波检测法原理类似，其通过天线传感器接收局部放电过程辐射的UHF电磁波，实现局部放电的检测。该技术的特点在于：检测频段较高、检测频带宽。变压器油隔板结构的绝缘强度比较高，理论上其局部放电能够激发出很高频率的电磁波(几GHZ)。所以，UHF法能够“避开”很多电磁干扰及环境的干扰，而且灵敏度很好。根据在不同相位接收的电磁波进行幅值和放电次数统计，进而识别故障类型和进行定位。

运行现场子站数据采集系统对于变压器各在线监测装置需要进行相关的通讯设置，包括内容如下：

站点设置：设置站点的信息，包括站点名称，站点代码，SIM卡号，这在数据通信过程中有着非常重要的作用，用于标识站点。

通道设置：设置不同的项目所对应的各种项目代码和项目名称。在这里设置好项目，以便在将来数据传输的时候能够通过通道的编号识别项目。

报警设置：设置报警的极值，在采集到的数据超过极值的时候，就自动向中心站发送报警信息。

其余的还有数据单位设置，状态码设置，通讯设置，部件设置等。

当点击数据采集后，就开始自动进行数据采集，平均每30秒进行一次数据采集，采集来的数据存储到数据库中，每一个小时进行一次数据加工，将采集的数据加工成小时数据，存储到数据库中。

生产商中心站数据监控分析系统包含有生产商中心站数据采集服务器、生产商中心站客户端服务器和生产商远程监视电子屏幕。生产商中心站数据采集服务器是整个系统的核心部分，是整个系统数据传输的中转站，它负责与生产商中心站客户端服务器和子站管理系统的通信与数据传输。将生产商中心站数据采集服务器的数据传输部分作为单独的一部分进行设计，一旦系统出现问题或者需要进行系统升级时，可以单独进行操作，提高了系统的内聚性。

如图4所示，生产商中心站数据采集服务器与子站数据采集系统之间的文件传输采用自定义消息进行数据传输，与生产商中心站客户端服务器之间的数据传输采用XML文件传输格式。整个系统的数据采集的流程为：生产商中心站客户端服务器发送指令到生产商中心站数据采集服务器，指令以XML格式进行传输，生产商中心站数据采集服务器解析收到的XML文件，确定需要采集的信息的内容，将XML文件重新解析成数据采集指令，通过GPRS网络发送给采集终端的GPRS模块，子站数据采集系统通过GPRS模块接收到指令，并对指令进行解析，得到需要采集的内容的信息，然后子站数据采集系统从数据库中提取需要的信息，并重新将其解析成消息指令的格式，通过GPRS模块发送给生产商中心站数据采集服务器。生产商中心站数据采集服务器接收到消息指令后，将收到的消息指令解析成XML文件格式，并转发给提出采集请求的生产商中心站客户端服务器，生产商中心站客户端服务器在收到XML文件后，将其解析成能够显示的信息，存入数据库，或者显示在客户端软件上。

目前无线通信的数据传输方案主要分为两种，一种是通过专网进行数据传输，如射频数传电台和无线局域网，另一种是通过公共无线通信网络，如GPRS，CDMA网络。利用专网的优点是组网方便、使用简单，但缺点是传输距离有限。为了实现宽广分布远程无线数据传输，必须采用基于公网的无线传输方案。鉴于CDMA 1X/GPRS网络的成熟度较高、覆盖面较广，因而CDMA 1X/GPRS网络被选为本无线通信总体方案的通信基础。

基于IP的数据传输方式是CDMA 1X/GPRS系统特有的，最核心的内容是TCP/IP协议的转换。基于IP的数据传输方式的优点是数据传输的成本比较低，实时性较好，缺点是终端使用复杂度较高，但该传输方式的组网方案灵活性更好，数据传输的速率更高、数据量更大，适合各种对实时性有一定要求的远程无线数据传输系统。

以下以采用移动GPRS无线通讯网络为例，使用固定IP地址或向移动通信公司申请数据专线作为中心站数据采集服务器(上位机)，实现点对点、点对多的数据传输。如图5所示，以单个数据采集模块为例，描述了数据经数据采集模块采集后，通过GPRS无线网络和Internet进行传输，最终到达生产商中心站数据采集服务器的通讯过程。数据采集模块与GPRS终端通过RS232相连，GPRS终端自动拨号登陆GPRS网络，获得移动子网IP地址后，主动与接入Internet的生产商中心站数据采集服务器(上位机)建立Socket连接并保持，然后将GPRS终端的ID号及子网IP地址通过TCP/IP协议发送至生产商中心站数据采集服务器。这样生产商中心站数据采集服务器在Socket连接保持的情况下，就可以实现与GPRS终端，也就是数据采集模块的通信。该方案具有组网简单，性能稳定，可靠性高，用户的使用难度低，使用的灵活性强等优点。

在本系统中，在生产商中心站数据采集服务器端使用静态IP，并且事先将这一静态IP写入模块中。这样GPRS终端模块就可以在通电后通过事先写入的生产商中心站数据采集服务器端的IP与中心站数据采集服务器建立连接，将获得的临时IP地址告知生产商中心站数据采集服务器，实现两者的连接。

具体通讯步骤如下：

①数据据采集模块采集所需的数据，传送到GPRS模块；

②GPRS模块负责对数据进行TCP/IP协议转换，再以GPRS数据包的形式发送至GPRS无线基站；

③数据由GPRS无线基站发送到GPRS服务支持节点(SGSN)；

④SGSN与GPRS网关支持节点(GGSN)进行通信，GGSN将数据进行相应处理后发送到Internet；

⑤采用防火墙在Internet和生产商中心站数据采集服务器之间进行隔离，保证数据的安全性。

⑥生产商中心站数据采集服务器接入Internet，接收传回的数据。

为确保无线网络传输的可靠运行，本系统采用心跳和掉线参照两种机制。

尽管GPRS有一直在线的特点，但当GPRS在线时间过长却不传输数据时，数据业务优先级别会被自动降低，经常会出现掉线现象。这个问题可以通过心跳的设置加以解决。心跳机制是测试服务器和GPRS模块之间通路的一种手段。启用心跳设置，模块上线后，在运行期间按照一定的时间间隔定时发送数据包，任何一方接收到对方的心跳后，都原样返回。这样可以使模块自身的优先级不被降低，保持长时间在线。如果超过时间没有收到心跳，则重新启动模块，接入GPRS网络。

由于生产商中心站数据采集服务器本身的原因，会有服务器故障或关机的情况出现。在这种情况下，同样会出现收不到心跳的情况，但原因并不是模块自身掉线，可以通过掉线参照的设置来解决这个问题。掉线参照是给终端提供测试是否发生无线掉线的手段。采用掉线参照机制，可以选择GPRS网络内部的网关或路由器作为无线参照点，测试时使用ICMP协议中的PING操作。启用掉线参照设置，模块上线后，会自行依照设定的周期PING参照点，并通过测试结果确定是否进行掉线复位处理。

同时采用心跳和掉线参照两种机制既可以避免无线掉线的发生，又可以避免生产商中心站数据采集服务器故障或关机后，引起模块错误地认为是无线掉线，进行无谓的复位处理。具体地说，模块上线后，通过模块发出的心跳是否有回应来确定无线通路是否正常。如果超过时间，没有收到心跳回应，则PING事先设定的参照点。如果无法P NG通，说明GPRS模块和参照点之间出现问题，很可能是因为模块无线掉线。如果能够PI NG通，但仍收不到心跳，说明网络本身没有问题，可能是生产商中心站数据采集服务器自身故障。

运行现场子站数据采集系统的各在线监测装置将运行数据采集处理后通过GPRS无线通讯模块发射入GPRS无线网络。GPRS模块登录后，实时监听生产商中心站数据采集服务器的消息，当要进行数据发送请求的时候，生产商中心站数据采集服务器向子站发出一条数据发送请求指令，GPRS模块接收到数据发送请求指令后，从子站控制器数据库中提取相应的数据，然后再经由GPRS模块传送到生产商中心站数据采集服务器，并实时将数据传入变压器生产商远程监视中心大型电子屏幕，实现远程实时监视、实时异常报警、远程参数查询、运行报告和查询，针对运行现场各在线监测装置的运行情况进行远程监视和诊断，使生产商在第一时间内发现变压器等高压电气设备内部的潜伏性故障，为设备安全运行提供可靠依据。根据管理工作需要形成各种运行报表报告以及对各种运行和控制数据进行统计汇总，并以各种方式进行查询和打印。

Claims (4)

1.一种基于无线传输的变压器在线监测及生产商远程监视系统，其特征在于，包含有通过公用无线通讯网络连接的运行现场子站数据采集系统和生产商中心站数据监控分析系统，所述运行现场子站数据采集系统包含有变压器运行绕组温度及油面温度在线监测装置、变压器油面位置在线监测装置、变压器油中气体含量在线监测装置、变压器局部放电量在线监测装置、变压器铁心接地泄漏电流在线监测装置和避雷器接地泄漏电流在线监测装置，所述生产商中心站数据监控分析系统包含有生产商中心站数据采集服务器、生产商中心站客户端服务器和生产商远程监视电子屏幕，所述各在线监测装置与生产商中心站数据采集服务器、生产商中心站客户端服务器之间通过公用无线通讯网络的信息传输连接，生产商中心站数据采集服务器与生产商远程监视电子屏幕通过数据线连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于无线传输的变压器在线监测及生产商远程监视系统，其特征在于，由生产商对其所制造设备的运行状况进行实时监测，为一种创新的服务管理模式。

3.根据权利要求1所述的一种基于无线传输的变压器在线监测及生产商远程监视系统，所述运行现场子站数据采集系统用以实现对变压器运行信息的实时采集和实时监视、对各变压器运行信息监测装置的运行控制、对系统实时异常诊断和报警、对各种参数的查询、设置、修改。

4.根据权利要求1所述的一种基于无线传输的变压器在线监测及生产商远程监视系统，所述生产商中心站数据监控分析系统用以实现对运行现场各变压器运行信息监测装置的远程实时监视、远程实时异常报警、远程参数查询、生成各种运行报告供查询和打印、实时监视信息同步传入生产商远程监视电子屏幕。

Images