CN102680866B - 变压器绝缘故障实时在线预警装置及预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及变压器绝缘故障实时在线预警装置及预警方法，装置为局部放电超高频传感器安装在变压器检查孔或事故放油阀处，局部放电超高频传感器通过同轴电缆与局部放电超高频信号调理器相连，局部放电超高频信号调理器通过同轴电缆与工控机内部A/D采集卡相连；铁芯接地电流传感器安装在变压器铁芯引出线与接地网处，铁芯接地电流传感器通过屏蔽信号线与铁芯接地电流信号调理器相连，铁芯接地电流信号调理器通过屏蔽信号线与工控机内部A/D采集卡相连，工控机CAN通讯卡与CAN网络相连。本发明实时在线完成原始采样数据显示、存储及绝缘故障信号分析与计算，结合通过CAN通讯卡获取的变压器工况信息，及时提供变压器绝缘故障预警信息，故障潜伏时间小于1秒。

Description

变压器绝缘故障实时在线预警装置及预警方法

技术领域

本发明涉及一种故障实时在线预警装置，特别涉及一种变压器绝缘故障实时在线预警装置及预警方法。

背景技术

随着电力系统向高压大容量方向发展，电力变压器的电压等级和单台容量也在不断提高，其运行的可靠性直接关系到电力系统的安全与稳定。高压大容量电力变压器一旦发生事故，将会造成大面积停电，甚至危及整个电力系统的稳定运行，事故涉及面大、维修费用高、周期长，经济损失巨大。统计分析表明大型电力变压器事故发生的一个重要原因是绝缘故障，绝缘系统的状况直接决定了变压器运行的可靠性。

但由于理论的缺乏和技术的限制，目前的变压器绝缘故障研究集中在故障后的保护以及绝缘老化监测方面，暂时没有故障预警方法和相应的装置。当这些保护装置动作时或绝缘老化监测装置发现绝缘老化较为严重时，很有可能已经造成无法挽回的损失，甚至是重大安全事故。但绝大多数的绝缘故障都是有一个发展的过程，如果能实时准确的捕捉到变压器绝缘正常到故障之间的发展过程，就有可能实现变压器绝缘实时故障预警。变压器绝缘实时故障预警，是防止重大事故发生的最有效的手段之一，是提高供电可靠性和电力系统的经济效益的需要，也是继电保护的进一步发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种变压器绝缘故障实时在线预警装置及预警方法，能够及时的捕捉到变压器绝缘正常到故障的发展过程，及时提供变压器绝缘故障预警信息，防止进一步发展为重大事故。

为了实现上述目的，技术方案如下文所述：

变压器绝缘故障实时在线预警装置，包括局部放电超高频传感器、局部放电超高频信号调理器、同轴电缆、铁芯接地电流传感器、铁芯接地电流信号调理器、屏蔽信号线、A/D采集卡、CAN通讯卡、工控机，A/D采集卡、CAN通讯卡分别安装在工控机内；局部放电超高频传感器安装在变压器检查孔或事故放油阀处，局部放电超高频传感器的输出端通过同轴电缆与局部放电超高频信号调理器的输入端相连，局部放电超高频信号调理器的输出端通过同轴电缆与工控机内部的A/D采集卡相连；铁芯接地电流传感器安装在变压器铁芯引出线与接地网连接处，铁芯接地电流传感器的输出端通过屏蔽信号线与铁芯接地电流信号调理器的输入端相连，铁芯接地电流信号调理器的输出端通过屏蔽信号线与工控机内部的A/D采集卡相连，工控机的CAN通讯卡与CAN网络相连。

变压器绝缘故障实时在线预警方法，包括以下步骤：

(1)、工控机对绝缘故障信号进行连续采集和分析与计算：工控机依次完成以下工作：五个工频周期的局部放电超高频信号的采集，采用多线程并发处理技术同步进行局部放电超高频信号的分析与计算和原始采样数据显示和存储，五个工频周期的铁芯接地电流信号的采集，采用多线程并发处理技术同步进行铁芯接地电流信号的分析与计算和原始采样数据显示和存储，五个工频周期的局部放电超高频信号的采集，周而复始；

(2)、工控机通过CAN通讯卡接收变压器工况信息，所述工况信息为变压器高低压侧断路器状态、一次侧与二次侧电压值、一次侧与二次侧电流值，然后识别出变压器的启动过程、空载运行、并网过程、负载运行、加负荷过程、减负荷过程、解列过程；

(3)、工控机通过CAN通讯卡把绝缘故障信号的分析与计算结果向其他设备发送；

(4)、工控机结合绝缘故障信号分析与计算结果和变压器工况信息，实时提供变压器绝缘故障预警信息；

(5)、工控机结合绝缘故障信号分析与计算结果和变压器工况信息，采用多种数据储存机制对原始采样数据进行储存。

多线程并发处理的技术为现有技术，描述如下：所述的工控机装载有变压器绝缘实时在线预警软件，在软件初始化时预先分别创建局部放电超高频原始采样数据的显示（线程Ⅰ）、局部放电超高频原始采样数据的存储（线程Ⅱ）、局部放电超高频信号的分析与计算（线程Ⅲ）、铁芯接地电流原始采样数据的显示（线程Ⅳ）、铁芯接地电流原始采样数据的存储（线程Ⅴ）、铁芯接地电流信号的分析与计算（线程Ⅵ）六个挂起的线程，当局部放电超高频信号采集完成时线程Ⅰ、线程Ⅱ、线程Ⅲ三个线程被激活，当完成局部放电超高频原始采样数据的显示、原始采样数据的存储、信号的分析与计算之后，线程Ⅰ、线程Ⅱ、线程Ⅲ三个线程被挂起；然后启动对铁芯接地电流信号的采集，铁芯接地电流信号的采集完成时线程Ⅳ、线程Ⅴ、线程Ⅵ三个线程被激活，当完成铁芯接地电流原始采样数据的显示、原始采样数据的存储、信号的分析与计算之后，线程Ⅳ、线程Ⅴ、线程Ⅵ分别被挂起，然后启动对局部放电超高频信号的采集；周而复始。

所述的局部放电超高频信号的分析与计算，包括以下几个步骤：

(1)、采用无限冲击响应高通数字滤波器来抑制传感器耦合到的工频及其谐波等周期性窄带干扰，其中的通带边界频率为1KHz，阶数为2阶；

(2)、对局部放电超高频信号中的脉冲进行提取，脉冲提取的基本任务是确定脉冲的起始时间t(s)和终止时间t(e)；即根据局部放电超高频信号中脉冲上升沿和下降沿的位置，来确定脉冲的起点和终点；分别记录下每个脉冲的起点和终点在局部放电超高频信号采样序列{x(i)}中的位置，作为脉冲提取的结果，i为自然数；

(3)、对提取后的脉冲进行脉冲宽度、脉冲幅值和脉冲上升沿的陡峭程度特征计算，并与工控机内知识库中的各类脉冲相比较，来识别各类脉冲，各类脉冲为雷电感应脉冲、雷电冲击脉冲、刀闸操作感应脉冲、刀闸操作冲击脉冲、移动通讯干扰脉冲和局部放电脉冲，再统计出各类脉冲幅值的最大值、平均值，各类脉冲的个数，作为局部放电超高频信号的分析与计算的结果。

对部放电超高频信号中的脉冲进行提取采用现有方法。

铁芯接地电流的分析与计算主要指：计算铁芯接地电流的全电流有效值，以及工频成分的有效值。在计算工频有效值时采用无限冲击响应低通数字滤波器来滤除高频分量，其中的通带边界频率为100Hz，阶数为2阶；

由于变压器绝缘故障信号通常同与变压器工况有密切的关系，变压器绝缘故障预警得变压器工况信息来进行。变压器绝缘故障预警信息的技术方案如下文所述：变压器绝缘预警信息包括：预警等级、预警机制、预警内容。将变压器绝缘故障预警信息等级分为：异常提示、异常报警，级别依次升高。故障预警机制分为：分工况预警、突发性异常预警。分工况报警指，根据当前的变压器工况和绝缘故障信号的分析与计算结果来提供变压器绝缘故障预警信息，以并网过程为例预警信息可能为：异常提示、分工况预警、变压器并网过程局部放电脉冲幅值较大。突发性异常预警指：直接根据绝缘故障信号的分析与计算结果，对突发性的绝缘故障信号异常直接发出预警信息，以雷电冲击为例预警信息可能为：异常报警、突发性异常预警、雷电冲击后铁芯接地电流明显增大。

工控机结合绝缘故障信号分析与计算结果和变压器工况信息，实时提供变压器绝缘故障预警信息，包括两项内容：判断在当前工况下，变压器绝缘故障信号的分析与计算结果是否超标，若超标则发出绝缘故障预警；不考虑当前工况，直接根据变压器绝缘故障信号的分析与计算结果简要分析，判断是否发出绝缘故障预警。

为了给绝缘故障预警保留证据并且在减少冗余的前提下尽量全面地保存绝缘故障信号的原始采样数据，为此采用了多种数据存储机制。工控机结合绝缘故障信号分析与计算结果和变压器工况信息，对原始采样数据的存储采用多种数据存储机制，包括以下几个项：

预警事件存储机制：当发出绝缘故障预警信息时，触发数据存储，为绝缘故障预警保留证据；

变工况存储机制：当变压器工况出现变化时，触发数据存储，如当出现并网过程、解列过程、变压器增负荷或变压器减负荷过程时保存数据，变工况存储机制主要用来记录变压器运行特征变化下的绝缘故障信号的原始采样数据；

变负荷存储机制：将变压器整个负荷区间划分若干个子区间，当变压器在任意负荷子区间运行的时间超过某阈值时，触发数据存储，每天每个负荷子区间上保存的文件不超过10个；

特征信息过阈值存储机制：绝缘故障信号的分析与计算结果超过某阈值时，触发数据存储；

特征信息突变存储机制：当绝缘故障信号的分析与计算结果呈现突然增大或突然减小的趋势时，触发数据存储；

定时存储机制：根据时间定时触发存储，实现了绝缘预警装置的常规信息记录。

本发明通过快速高效的实时信号处理的技术以及多线程并发处理的技术，使得工控机完成五个工频周期的绝缘故障信号采集以及原始采样数据的显示、原始采样数据的存储、绝缘故障信号的分析与计算等这样一个采集-分析任务的时间花费小于1秒，若发现变压器绝缘故障信号出现异常立即发出预警信息，使得变压器绝缘故障潜伏时间小于1秒。

附图说明

图1为本发明结构连接示意图。

图2为本发明的系统软件结构图。

图3为本发明的绝缘故障预警方法流程图。

图中：1-变压器，2-局部放电超高频传感器，3-同轴电缆，4-局部放电超高频信号调理器，5-铁芯接地电流传感器，6-屏蔽信号线，7-铁芯接地电流调理器，8- CAN网络。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的说明：

如图1所示，本发明包括局部放电超高频传感器2、局部放电超高频信号调理器4、同轴电缆3、铁芯接地电流传感器5、铁芯接地电流信号调理器7、屏蔽信号线6、A/D采集卡、CAN通讯卡、工控机，A/D采集卡、CAN通讯卡分别安装在工控机内，局部放电超高频传感器2安装在变压器1检查孔或事故放油阀处，局部放电超高频传感器2的输出端通过高频同轴电缆3用BNC连接头与局部放电超高频信号调理器4的输入端相连，局部放电超高频信号调理器4的输出端通过高频同轴电缆3用BNC连接头与工控机内部的A/D采集卡相连；铁芯接地电流传感器5安装在变压器铁芯引出线与接地网连接处，铁芯接地电流传感器5的输出端通过屏蔽信号线6与铁芯接地电流信号调理器7的输入端相连，铁芯接地电流信号调理器7的输出端通过屏蔽信号线6用BNC连接头与工控机内部的A/D采集卡相连，利用CAN通讯卡将工控机通过CAN网络与其他监测装置相连接。

局部放电超高频传感器采用的是武汉海泰电力科技有限公司生产的UHTS 500型传感器（检测频带500-1500 MHz），局部放电超高频信号调理器采用的是武汉海泰电力科技有限公司生产的UHTM 500型信号调理器（通过包络检波技术对局放超高频信号进行降频处理），铁芯接地电流传感器采用的是武汉海泰电力科技有限公司生产的CECS-3B型传感器（接地电流测量范围：工频电流0.001～10A，最大允许冲击电流1000A×1秒），铁芯接地电流信号调理器采用的是武汉海泰电力科技有限公司生产的CECM-3B型信号调理器，A/D采集卡采用的是采样率为30MS/s的高速采集卡，工控机采用的是的无风扇、无转动部件，抗干扰能力强、可靠性高、免维护、可扩展性强的工控机。CAN通讯卡采用的是北京华控技术有限责任公司生产的HK-CAN30B。

如图2、图3所示，变压器绝缘故障实时在线预警方法，包括以下步骤：

(1)、工控机对绝缘故障信号进行连续采集和分析与计算：工控机依次完成以下工作：五个工频周期的局部放电超高频信号的采集，采用多线程并发处理技术同步进行局部放电超高频信号的分析与计算和原始采样数据显示和存储，五个工频周期的铁芯接地电流信号的采集，采用多线程并发处理技术同步进行铁芯接地电流信号的分析与计算和原始采样数据显示和存储，五个工频周期的局部放电超高频信号的采集，周而复始；

(2)、工控机通过CAN通讯卡接收变压器工况信息，所述工况信息为变压器高低压侧断路器状态、一次侧与二次侧电压值、一次侧与二次侧电流值，然后识别出变压器的启动过程、空载运行、并网过程、负载运行、加负荷过程、减负荷过程、解列过程；

(3)、工控机通过CAN通讯卡把绝缘故障信号的分析与计算结果向其他设备发送；

(4)、工控机结合绝缘故障信号分析与计算结果和变压器工况信息，实时提供变压器绝缘故障预警信息；

(5)、工控机结合绝缘故障信号分析与计算结果和变压器工况信息，采用多种数据储存机制对原始采样数据进行储存。

所述的局部放电超高频信号的分析与计算，包括以下几个步骤：

(1)、采用无限冲击响应高通数字滤波器来抑制传感器耦合到的工频及其谐波周期性窄带干扰，其中的通带边界频率为1KHz，阶数为2阶；

(2)、对局部放电超高频信号中的脉冲进行提取，脉冲提取的基本任务是确定脉冲的起始时间t(s)和终止时间t(e)；即根据局部放电超高频信号中脉冲上升沿和下降沿的位置，来确定脉冲的起点和终点；分别记录下每个脉冲的起点和终点在局部放电超高频信号采样序列{x(i)}中的位置，作为脉冲提取的结果，i为自然数；

(3)、对提取后的脉冲进行脉冲宽度、脉冲幅值和脉冲上升沿的陡峭程度特征计算，并与工控机内知识库中的各类脉冲相比较，来识别各类脉冲，各类脉冲为雷电感应脉冲、雷电冲击脉冲、刀闸操作感应脉冲、刀闸操作冲击脉冲、移动通讯干扰脉冲和局部放电脉冲，再统计出各类脉冲幅值的最大值、平均值，各类脉冲的个数，作为局部放电超高频信号的分析与计算的结果。

对部放电超高频信号中的脉冲进行提取采用现有方法。

工控机结合绝缘故障信号分析与计算结果和变压器工况信息，实时提供变压器绝缘故障预警信息，包括两项内容：

判断在当前工况下，变压器绝缘故障信号的分析与计算结果是否超标，若超标则发出绝缘故障预警；

不考虑当前工况，直接根据变压器绝缘故障信号的分析与计算结果简要分析，判断是否发出绝缘故障预警。

工控机结合绝缘故障信号分析与计算结果和变压器工况信息，对原始采样数据存储采用多种数据存储机制，包括以下几个项：

预警事件存储机制：当发出绝缘故障预警信息时，触发数据存储，为绝缘故障预警保留证据；

变工况存储机制：当变压器工况出现变化时，触发数据存储，如当出现并网过程、解列过程、变压器增负荷或变压器减负荷过程时保存数据，变工况存储机制主要用来记录变压器运行特征变化下的绝缘故障信号的原始采样数据；

变负荷存储机制：将变压器整个负荷区间划分若干个子区间，当变压器在任意负荷子区间运行的时间超过某阈值时，触发数据存储，每天每个负荷子区间上保存的文件不超过10个；

特征信息过阈值存储机制：绝缘故障信号的分析与计算结果超过某阈值时，触发数据存储；

特征信息突变存储机制：当绝缘故障信号的分析与计算结果呈现突然增大或突然减小的趋势时，触发数据存储；

定时存储机制：根据时间定时触发存储，实现了绝缘预警装置的常规信息记录。

以上所述，仅是用以说明本发明的具体实施案例而已，并非用以限定本发明的可实施范围，举凡本领域熟练技术人员在未脱离本发明所指示的精神与原理下所完成的一切等效改变或修饰，仍应由本发明权利要求的范围所覆盖。

Claims (6)

1.变压器绝缘故障实时在线预警方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)、工控机对绝缘故障信号进行连续采集和分析与计算：工控机依次完成以下工作：五个工频周期的局部放电超高频信号的采集，采用多线程并发处理技术同步进行局部放电超高频信号的分析与计算和原始采样数据显示和存储，五个工频周期的铁芯接地电流信号的采集，采用多线程并发处理技术同步进行铁芯接地电流信号的分析与计算和原始采样数据显示和存储，五个工频周期的局部放电超高频信号的采集，周而复始；

(2)、工控机通过CAN通讯卡接收变压器工况信息，所述工况信息为变压器高低压侧断路器状态、一次侧与二次侧电压值、一次侧与二次侧电流值，然后识别出变压器的启动过程、空载运行、并网过程、负载运行、加负荷过程、减负荷过程、解列过程；

 (3)、工控机通过CAN通讯卡把绝缘故障信号的分析与计算结果向其他设备发送；

(4)、工控机结合绝缘故障信号分析与计算结果和变压器工况信息，实时提供变压器绝缘故障预警信息；

(5)、工控机结合绝缘故障信号分析与计算结果和变压器工况信息，采用多种数据储存机制对原始采样数据进行储存。

2.根据权利要求1所述的变压器绝缘故障实时在线预警方法，其特征在于：所述的局部放电超高频信号的分析与计算，包括以下几个步骤：

(1)、采用无限冲击响应高通数字滤波器来抑制传感器耦合到的工频及其谐波周期性窄带干扰，其中的通带边界频率为1KHz，阶数为2阶；

(2)、对局部放电超高频信号中的脉冲进行提取，脉冲提取的基本任务是确定脉冲的起始时间t(s)和终止时间t(e)；即根据局部放电超高频信号中脉冲上升沿和下降沿的位置，来确定脉冲的起点和终点；分别记录下每个脉冲的起点和终点在局部放电超高频信号采样序列{x(i)}中的位置，作为脉冲提取的结果，i为自然数；

(3)、对提取后的脉冲进行脉冲宽度、脉冲幅值和脉冲上升沿的陡峭程度特征计算，并与工控机内知识库中的各类脉冲相比较，来识别各类脉冲，各类脉冲为雷电感应脉冲、雷电冲击脉冲、刀闸操作感应脉冲、刀闸操作冲击脉冲、移动通讯干扰脉冲和局部放电脉冲，再统计出各类脉冲幅值的最大值、平均值，各类脉冲的个数，作为局部放电超高频信号的分析与计算的结果。

3.根据权利要求1所述的变压器绝缘故障实时在线预警方法，其特征在于：变压器绝缘预警信息包括：预警等级、预警机制、预警内容。

4.根据权利要求3所述的变压器绝缘故障实时在线预警方法，其特征在于：变压器绝缘故障预警信息等级分为：异常提示和异常报警。

5.根据权利要求1所述的变压器绝缘故障实时在线预警方法，其特征在于：工控机结合绝缘故障信号分析与计算结果和变压器工况信息，实时提供变压器绝缘故障预警信息，包括两项内容：

判断在当前工况下，变压器绝缘故障信号的分析与计算结果是否超标，若超标则发出绝缘故障预警；

不考虑当前工况，直接根据变压器绝缘故障信号的分析与计算结果简要分析，判断是否发出绝缘故障预警。

6.根据权利要求1所述的变压器绝缘故障实时在线预警方法，其特征在于：工控机结合绝缘故障信号分析与计算结果和变压器工况信息，对原始采样数据存储采用多种数据存储机制，包括以下几个项：

预警事件存储机制：当发出绝缘故障预警信息时，触发数据存储，为绝缘故障预警保留证据；

变工况存储机制：当变压器工况出现变化时，触发数据存储，如当出现并网过程、解列过程、变压器增负荷或变压器减负荷过程时保存数据，变工况存储机制主要用来记录变压器运行特征变化下的绝缘故障信号的原始采样数据；

变负荷存储机制：将变压器整个负荷区间划分若干个子区间，当变压器在任意负荷子区间运行的时间超过某阈值时，触发数据存储，每天每个负荷子区间上保存的文件不超过10个；

特征信息过阈值存储机制：绝缘故障信号的分析与计算结果超过某阈值时，触发数据存储；

特征信息突变存储机制：当绝缘故障信号的分析与计算结果呈现突然增大或突然减小的趋势时，触发数据存储；

定时存储机制：根据时间定时触发存储，实现了绝缘预警装置的常规信息记录。

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