CN102004182A - 变压器铁芯接地电流在线监测系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于公开一种变压器铁芯接地电流在线监测系统及其实现方法，采用FFT算法对采集到的数据进行分析处理，将时域信号转变为频域信号，再依次计算出工频信号和各次谐波的幅值，然后系统根据此电流信号中的工频信号幅值的有效值和各次谐波分量的幅值的有效值来进行分析，来确定此时变压器接地铁芯中的工频电流值和各次谐波的电流值，用户以此为依据来确定此时变压器铁芯有没有出现多点接地的状况，本发明可以通过输出模块方便实现现场数据拷贝，通过显示模块和键盘模块实现对现场系统参数设定，使得在通信中断或者现场不方便安装通信线路的情况下，可以方便的获取到现场的数据以及对系统参数进行调整，便于调试和安装，实现本发明的目的。

Description

变压器铁芯接地电流在线监测系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种在线监测系统及其实现方法，特别涉及一种基于DSP算法的变压器铁芯接地电流在线监测系统及其实现方法。

背景技术

目前，在供电系统中，电力变压器是电力系统中最重要电气设备，运行中一旦出现故障，将会对电力系统造成严重的后果；正常运行时，电力变压器的变压器铁芯只有一点接地，一旦出现变压器铁芯两点接地或者多点接地，则电力变压器的变压器铁芯与大地之间将形成电流回路，电流回路中的最大电流可达几十安培，将会造成变压器铁芯局部过热甚至烧毁。

目前用于判断电力变压器中的变压器铁芯是否存在多点接地主要有这三种方法：钳形电流表定期监测变压器铁芯接地电流的电气法；测量变压器铁芯对地绝缘的电阻法；监测变压器绝缘油特征气体的气相色谱分析法；以上方法存在的不足是不能及时的发现变压器铁芯多点接地故障，一旦发生故障也不能及时的采取相应的措施，因此对变压器铁芯接地电流进行实时监测是十分必要的。

在现有技术的中，如中国专利申请号为200710061733.6，授权公告号为CN101038306A的发明专利公开了一种电力变压器铁芯接地电流在线监测装置及过流限制装置，其中测量电路是由电流互感器、信号处理电路、DSP、限流电阻网络和控制电路构成，但是此设备使用DSP对信号进行分析和处理的算法只能得到当前工频电流的大小，而无法实现电流多次谐波的分析及本地数据导出和系统参数设置，导致在设备无法通信时系统无法按照客户指令正常运行，也同时造成了各次谐波的数据的丢失，且不利于现场安装及调试。

综上所述，针对现有技术的缺陷，特别需要一种变压器铁芯接地电流在线监测系统及其实现方法，以解决以上提到的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种变压器铁芯接地电流在线监测系统及其实现方法，针对现有技术存在的上述不足，克服了无法分析电流信号中高次谐波的缺陷，将采集到的电压信号依据数学变换的方法将时域信号转换为频域信号，再依次计算出各次谐波的电流值，提供了变压器铁芯接地电流中各次谐波的数据，同时增加了本地操作机制及本地数据导出等，极大的提高了设备的适应性。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一方面，本发明提供一种变压器铁芯接地电流在线监测系统，其特征在于，它包括一用于对采集到的信号进行处理的信号处理模块、一通过FFT算法将信号处理模块输出的时域信号转化成频域信号并计算得出工频信号的电流值及各次谐波的电流值的主控单元模块、一为主控单元模块提供时钟信号的时钟模块及一用于将主控单元模块得到的数据导出的输出模块；所述信号处理模块的输出端与所述主控单元模块的输入端连接，所述主控单元模块的输出端分别与所述输出模块和时钟模块互相连接。

在本发明的一个实施例中，所述主控单元模块通过一用于输出和接收远程指令的远程控制单元与远程用户端连接。

进一步，所述远程控制单元通过RS232、RS485、CAN总线或者GSM的通信方式与远程用户端传输通信；RS232适合近距离通信，RS485和CAN总线适合于较远距离传输，通过GSM实现更远距离的传输。

在本发明的一个实施例中，所述主控单元模块上还连接有一用于本地查询数据和系统参数设定的显示模块和键盘模块。

在本发明的一个实施例中，所述信号处理模块包括滤波电路、基准源电路、调制电路和过零触发电路，所述滤波电路的输入端连接隔离单元输出的电流信号，所述滤波电路的输出端通过调制电路连接到所述主控单元模块的输入端，所述基准源电路和过零触发电路也连接到所述主控单元模块的输入端。

在本发明的一个实施例中，所述主控单元模块包括DSP主控单元、外部存储器和外部接口转换电路，所述DSP主控单元、外部存储器和外部接口转换电路互相连接，所述DSP主控单元的输出端分别与所述输出模块和所述时钟模块连接。

在本发明的一个实施例中，所述时钟模块包括电能存储电路、晶振电路，时钟芯片和输入输出接口，所述时钟芯片分别与所述输入输出接口、晶振电路和电能存储电路连接，所述输入输出接口的输入端连接所述主控单元模块。

在本发明的一个实施例中，所述输出模块为一USB模块，它包括USB接口芯片、晶振电路、输入输出接口和保护电路，所述USB接口芯片分别与所述晶振电路、输入输出接口和保护电路连接，所述输入输出接口的输入端与所述主控单元模块连接。

在本发明的一个实施例中，所述FFT算法是由傅立叶级数演变而来的，傅立叶级数是表征了各个采样点是由不同频率成分的波形组成，公式表述为：

$f\left(t\right)=a_0+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{an}\cos \mathrm{n\ωt}+\mathrm{bn}\sin \mathrm{n\ωt})=A_0+A_1\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_1)+A_2\cos (2\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_2)$

$+.....;$

其中，A₀为信号中的直流分量，A₁为ω角速度的电流的峰值，ω为角速度，φ₁为ω角速度的初始相位，A₂为2ω角速度的电流的峰值，φ₂为2ω角速度的初始相位，t为采样时间。

另一方面，本发明提供一种变压器铁芯接地电流在线监测的实现方法，其特征在于，它包括如下步骤：

(1)采集变压器铁芯接地电流的电流信号；

(2)通过FFT算法，将采集到的电流信号由时域信号转变为频域信号，并依次计算出工频信号和各次谐波的电流值；

(3)通过对采集到的电流信号中的工频信号的电流值和各次谐波分量的电流值来进行分析，以确定此时变压器的运行状况。

在本发明的一个实施例中，所述FFT算法是由傅立叶级数演变而来的，傅立叶级数是表征了各个采样点是由不同的频率成分的波形组成，公式表述为：

$f\left(t\right)=a_0+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{an}\cos \mathrm{n\ωt}+\mathrm{bn}\sin \mathrm{n\ωt})=A_0+A_1\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_1)+A_2\cos (2\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_2)$

$+.....;$

其中，A₀为信号中的直流分量，A₁为ω角速度的电流的峰值，ω为角速度，φ₁为ω角速度的初始相位，A₂为2ω角速度的电流的峰值，φ₂为2ω角速度的初始相位，t为采样时间。

本发明的变压器铁芯接地电流在线监测系统及其实现方法，采用FFT算法对采集到的数据进行分析处理，将时域信号转变为频域信号，再依次计算出工频信号和各次谐波的幅值，然后系统根据此电流信号中的工频信号幅值的有效值和各次谐波分量的幅值的有效值来进行分析，来确定此时变压器接地铁芯中的工频电流值和各次谐波的电流值，用户以此为依据来确定此时变压器铁芯有没有出现多点接地的状况，本发明可以通过输出模块方便实现现场数据拷贝，通过显示模块和键盘模块实现对现场系统参数设定，使得在通信中断或者现场不方便安装通信线路的情况下，可以方便的获取到现场的数据以及对系统参数进行调整，便于调试和安装，实现本发明的目的。

本发明的特点可参阅本案图式及以下较好实施方式的详细说明而获得清楚地了解。

附图说明

图1为本发明的变压器铁芯接地电流在线监测系统的结构框图；

图2为本发明的输入信号的时域波形图；

图3为本发明的输入信号的频域波形图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

如图1、图2、图3所示，本发明的变压器铁芯接地电流在线监测系统，它包括一信号处理模块100、一主控单元模块200、一时钟模块300及一输出模块400；变压器铁芯接地电流的电流信号通过电流互感器和隔离单元输入到信号处理模块100的输入端，信号处理模块100的输出端与主控单元模块200的输入端连接，主控单元模块200的输出端分别与输出模块400和时钟模块300互相连接。

信号处理模块100用于对采集到的信号进行处理，主控单元模块200通过FFT算法将信号处理模块100输出的时域信号转化成频域信号并计算得出工频信号的电流值及各次谐波的电流值，时钟模块300提供时钟信号以获取和更改系统时间，输出模块400用于将主控单元模块200得到的数据输出；主控单元模块200通过一远程控制单元500与远程用户端连接，便于双方交换数据。

远程控制单元500通过RS232、RS485、CAN总线或者GSM的通信方式与远程用户端传输通信；RS232适合近距离通信，RS485和CAN总线适合于较远距离传输，通过GSM实现更远距离的传输。

远程控制单元500与主控单元模块200相连以输出各种远程指令进行远程控制，远程指令包括：时钟设置、周期设置、状态查询、历史数据查询、实时数据采集、报警电流限值设置。

远程控制单元500与主控单元模块200通过通讯电缆、光纤、网络调节器或GSM模块进行通讯。

通讯电缆为二线制，设备通过4芯电缆线中的两根双绞线实现远程控制单元500与主控单元模块200的通讯；光纤通讯以光波作为信息载体，以光纤作为传输媒介的一种通信方式，设备通过光纤转换模块、网络调节器及光纤缆实现远程控制单元500与主控单元模块200的通讯；网络通讯以网线作为传输媒介的一种通信方式，设备及网络调节器在同一局域网内，设备通过网络调节器实现远程控制单元500与主控单元模块200的通讯；所述GSM通讯通过手机卡进行通讯，设备与GSM转换模块连接，远程控制单元500与GSM转换模块连接，两GSM转换模块通过手机卡发送信息建立通信。

主控单元模块200上还连接有一用于本地查询数据和系统参数设定的显示模块600和键盘模块700；在本发明中，显示模块600为一LED显示屏。

信号处理模块100包括滤波电路110、基准源电路120、调制电路130和过零触发电路140，滤波电路110的输入端通过隔离单元111和电流互感器112连接电流信号，滤波电路110的输出端通过调制电路130连接到主控单元模块200的输入端，基准源电路120和过零触发电路140也连接到主控单元模块200的输入端，隔离单元的输出端与过零触发电路140的输入端连接。

主控单元模块200包括DSP主控单元210、外部存储器220和外部接口转换电路230，DSP主控单元210、外部存储器220和外部接口转换电路230互相连接，DSP主控单元210的输出端分别与输出模块400和时钟模块300连接。

首先DSP主控单元210根据过零触发电路140输出的信号控制开始对信号进行采集，然后根据采样间隔时间来对信号进行采集，在数据采集完毕之后，DSP主控单元210使用FFT算法将采集到的信号从时域变换到频域，然后再计算不同频率的幅值，其次DSP主控单元210将计算得出的电流值连同当前的时间存储到外部存储器220。外部接口转换电路230主要作用是：由于外围单元的输入输出接口和主控单元模块200的输入输出接口的电压不一致，所以外部接口转换电路230作为一个桥，来连接DSP主控单元210和其他单元。

时钟模块300包括电能存储电路310、晶振电路320，时钟芯片330和输入输出接口340，时钟芯片330分别与输入输出接口340、晶振电路320和电能存储电路310连接，输入输出接口340的输入端连接主控单元模块200。

其中，电能存储电路310用于在系统有外接电源的时候时钟芯片330会使能外界电源对储能元器件进行充电，在系统无外接电源供电的情况下，储能元器件会对时钟芯片330进行供电，使其能够继续工作，保证不会造成系统时间上的误差。晶振电路320用于作时钟芯片的时钟源，时钟芯片330可以提供秒、分、时、日、月、年的信息。输入输出接口340用来连接时钟芯片330和主控单元模块200使其能够对时钟芯片330的时间进行调整并且能够从时钟芯片330上获取当前的系统时间。

输出模块400为一USB模块，它包括USB接口芯片410、晶振电路420、输入输出接口430和保护电路440，USB接口芯片410分别与晶振电路420、输入输出接口430和保护电路440连接，输入输出接口430的输入端与主控单元模块200连接。

其中，USB接口芯片410用来负责检测U盘属性，晶振电路420产生USB接口芯片410正常运作所必须时钟频率，输入输出接口430用来连接DSP主控单元210和USB接口芯片410，保护电路440用来保证USB接口芯片410不会受到外部大电压信号的冲击。

所述FFT算法是由傅立叶级数演变而来的，傅立叶级数是表征了各个采样点是由不同频率成分的波形组成，公式表述为：

$f\left(t\right)=a_0+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{an}\cos \mathrm{n\ωt}+\mathrm{bn}\sin \mathrm{n\ωt})=A_0+A_1\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_1)+A_2\cos (2\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_2)$

$+.....;$

其中，A₀为信号中的直流分量，A₁为ω角速度的电流的峰值，ω为角速度，φ₁为ω角速度的初始相位，A₂为2ω角速度的电流的峰值，φ₂为2ω角速度的初始相位，t为采样时间。

另一方面，本发明的变压器铁芯接地电流在线监测的实现方法，它包括如下步骤：

(1)采集变压器铁芯接地电流的电流信号；

(2)通过FFT算法，将采集到的电流信号由时域信号转变为频域信号，并依次计算出工频信号和各次谐波的电流值；

(3)通过对采集到的电流信号中的工频信号的电流值和各次谐波分量的电流值来进行分析，以确定此时变压器的运行状况。

所述FFT算法是由傅立叶级数演变而来的，傅立叶级数是表征了各个采样点是由不同频率成分的波形组成，公式表述为：

$f\left(t\right)=a_0+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{an}\cos \mathrm{n\ωt}+\mathrm{bn}\sin \mathrm{n\ωt})=A_0+A_1\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_1)+A_2\cos (2\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_2)$

$+.....;$

其中，A₀为信号中的直流分量，A₁为ω角速度的电流的峰值，ω为角速度，φ₁为ω角速度的初始相位，A₂为2ω角速度的电流的峰值，φ₂为2ω角速度的初始相位，t为采样时间。

本发明的变压器铁芯接地电流在线监测系统及其实现方法通过输出模块400提供了USB接口，用户只需要一个U盘便可轻松实现现场设备数据的全部拷贝，然后对拷贝的数据进行解析即可查阅此台设备的电流数据，克服了以前设备在通信中断的情况下，无法得到本台设备数据的问题，同时设备还配有显示模块600和键盘模块700，用于查询数据和系统参数设定，对变压器的安全、经济运行具有很深远的意义。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (11)

1.一种变压器铁芯接地电流在线监测系统，其特征在于，它包括一用于对采集到的信号进行处理的信号处理模块、一通过FFT算法将信号处理模块输出的时域信号转化成频域信号并计算得出工频信号的电流值及各次谐波的电流值的主控单元模块、一为主控单元模块提供时钟信号的时钟模块及一用于将主控单元模块得到的数据导出的输出模块；所述信号处理模块的输出端与所述主控单元模块的输入端连接，所述主控单元模块的输出端分别与所述输出模块和时钟模块互相连接。

2.如权利要求1所述的变压器铁芯接地电流在线监测系统，其特征在于，所述主控单元模块通过一用于输出和接收远程指令的远程控制单元与远程用户端连接。

3.如权利要求2所述的变压器铁芯接地电流在线监测系统，其特征在于，所述远程控制单元可以通过RS232、RS485、CAN总线或者GSM的通信方式中的任意一种与远程用户端传输通信。

4.如权利要求1所述的变压器铁芯接地电流在线监测系统，其特征在于，所述主控单元模块上还连接有一用于本地查询数据和系统参数设定的显示模块和键盘模块。

5.如权利要求1所述的变压器铁芯接地电流在线监测系统，其特征在于，所述信号处理模块包括滤波电路、基准源电路、调制电路和过零触发电路，所述滤波电路的输入端连接隔离单元输出的电流信号，所述滤波电路的输出端通过调制电路连接到所述主控单元模块的输入端，所述基准源电路和过零触发电路也连接到所述主控单元模块的输入端。

6.如权利要求1所述的变压器铁芯接地电流在线监测系统，其特征在于，所述主控单元模块包括DSP主控单元、外部存储器和外部接口转换电路，所述DSP主控单元、外部存储器和外部接口转换电路互相连接，所述DSP主控单元的输出端分别与所述输出模块和所述时钟模块连接。

7.如权利要求1所述的变压器铁芯接地电流在线监测系统，其特征在于，所述时钟模块包括电能存储电路、晶振电路，时钟芯片和输入输出接口，所述时钟芯片分别与所述输入输出接口、晶振电路和电能存储电路连接，所述输入输出接口的输入端连接所述主控单元模块。

8.如权利要求1所述的变压器铁芯接地电流在线监测系统，其特征在于，所述输出模块为一USB模块，它包括USB接口芯片、晶振电路、输入输出接口和保护电路，所述USB接口芯片分别与所述晶振电路、输入输出接口和保护电路连接，所述输入输出接口的输入端与所述主控单元模块连接。

9.如权利要求1所述的变压器铁芯接地电流在线监测系统，其特征在于，所述采用的FFT算法是由傅立叶级数演变而来的，傅立叶级数是表征了各个采样点是由不同频率成分的波形组成，公式表述为：

$f\left(t\right)=a_0+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{an}\cos \mathrm{n\ωt}+\mathrm{bn}\sin \mathrm{n\ωt})=A_0+A_1\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_1)+A_2\cos (2\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_2)$

$+.....;$

其中，A₀为信号中的直流分量，A₁为ω角速度的电流的峰值，ω为角速度，φ₁为ω角速度的初始相位，A₂为2ω角速度的电流的峰值，φ₂为2ω角速度的初始相位，t为采样时间。

10.一种变压器铁芯接地电流在线监测的实现方法，其特征在于，它包括如下步骤：

(1)采集变压器铁芯接地电流的电流信号；

(2)通过FFT算法，将采集到的电流信号由时域信号转变为频域信号，并依次计算出工频信号和各次谐波的电流值；

(3)通过对采集到的电流信号中的工频信号的电流值和各次谐波分量的电流值来进行分析，以确定此时变压器的运行状况。

11.如权利要求10所述的变压器铁芯接地电流在线监测的实现方法，其特征在于，所述采用的FFT算法是由傅立叶级数演变而来的，傅立叶级数是表征了各个采样点是由不同频率成分的波形组成，公式表述为：

$f\left(t\right)=a_0+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{an}\cos \mathrm{n\ωt}+\mathrm{bn}\sin \mathrm{n\ωt})=A_0+A_1\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_1)+A_2\cos (2\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_2)$

$+.....;$

其中，A₀为信号中的直流分量，A₁为ω角速度的电流的峰值，ω为角速度，φ₁为ω角速度的初始相位，A₂为2ω角速度的电流的峰值，φ₂为2ω角速度的初始相位，t为采样时间。

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