CN103018355B - 一种在线监测变压器油中气体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的是变电站状态监控技术领域，尤其涉及在线监测变压器油中气体的方法及装置。本发明通过出厂试验进行标准油样的出厂标定，并记录特定标气传感器出厂记录，通过现场同种标准气体的峰高测试与出厂记录进行对比和校正，修正和减小气体检测器特性漂移。本发明对提高变压器油中气体在线监测系统长期稳定性，保证变压器安全、稳定运行具有深远的意义。
Description
技术领域
本发明涉及的是变电站状态监控技术领域，尤其涉及在线监测变压器油中气体的方法及装置。
背景技术
在供电系统中，变压器油中气体在线监测技术得到了广泛、有效的应用。目前的变压器油中气体在线监测系统主要以单色谱柱方式进行气体分离，再通过半导体气敏检测器进行气体检测。其半导体气敏传感器存在特性漂移严重、稳定性不高、挑选困难等缺点。
经过对现有技术的检索发现，中国专利申请号为CN200910054895.6，授权公开号CN101629934A，记载了一种“变压器油色谱在线监测系统”，该技术利用标准气体进行装置的标定记录，通过最小二乘法的曲线拟合算法完成标定曲线，并导入计算机。通过检测变压器油分离后气体成分比对标定曲线计算油中气体含量。此方法采用标准气体标定法，忽略油气分离的不确定性和稳定性差特定，难以取得很好的检测结果。另一方面，该方法忽略了气体检测器的漂移问题，无法通过现场进行检测器的校正，提高油中气体的测量准确性。
发明内容
针对背景技术的不足，本发明提供一种具有气体传感器自动校正功能的变压器油中气体在线监测系统。本发明通过出厂试验进行标准油样的出厂标定，并记录特定标气传感器出厂记录，通过现场同种标准气体的峰高测试与出厂记录进行对比和校正，修正和减小气体检测器特性漂移。本发明对提高变压器油中气体在线监测系统长期稳定性，保证变压器安全、稳定运行具有深远的意义。
本发明的技术方案是： 一种在线监测变压器油中气体的装置，包括：油气分离模块、自动校正模块、载气控制模块、检测模块、控制采集模块和管理分析模块，
所述的油气分离模块包括定量进油单元、脱气单元；
所述的自动校正模块包括标准气体、样气控制阀、标气控制阀和三通进样管；
所述的载气控制模块包括氮气气瓶、载气控制阀；
所述的检测模块包括进样器、色谱柱分离器、气敏检测器和恒温单元；
所述的控制采集模块包括控制单元和采集转换单元，控制模块对油气分离单元、自动校正模块、载气控制模块、检测模块进行控制，并控制采集转换模块的启动和停止，控制采集模块的采集转换模块的输出端与数据管理层连接；
所述的管理分析模块包括数据管理单元、数据分析单元和数据修正单元和谱峰识别单元；管理分析模块接收采集转换的数据后，经过谱峰识别单元、数据修正单元、数据管理单元和数据分析单元输出分析结果，并传输给用户；
其特征在于：所述油气分离模块接收变压器油样的输入，经过定量进油单元和脱气单元后，油气分离模块的输出与自动校正模块的样气端口经过“样气控制阀”连接，并输出分离气体；所述自动校正模块的标气端口经过“标气控制阀”与标准气体连接，自动校正模块的输出、载气控制模块的输出与检测模块连接，经过进样器、色谱柱分离器进行组分分离后，经过气敏检测器检测，检测模块的输出端与采集转换模块连接。
如上所述的在线监测变压器油中气体的装置，其特征在于：所述的自动校正模块包括：样气控制阀、标准气体、标气控制阀、三通进样单元。
如上所述的在线监测变压器油中气体的装置，其特征在于：所述检测模块包括：恒温单元、进样器、色谱柱分离器、半导体气敏检测器，其中，恒温单元用于温度控制，进样器与自动校正模块的输出端和载气输出端连接，进样器的输出端与色谱分离器连接，色谱分离器输出端与半导体气敏检测器输入端连接，将检测所产生的模拟信号输出至控制采集模块的控制采集模块的采集转换单元。
如上所述的在线监测变压器油中气体的装置，其特征在于：所述的采集转换单元包括：信号变换电路和AD采样电路，采集转换单元将模拟信号通过信号变换电路进行信号转换，再通过AD转换器进行信号采样，并传输到管理分析模块。
如上所述的在线监测变压器油中气体的装置，其特征在于：所述的控制单元由数字处理器构成，通过监控系统的载气压力、温度、油气分离状态，进行油气分离模块、自动校正模块、载气控制模块、检测模块的控制。
一种在线监测变压器油中气体的方法，其特征在于包括出厂标定环节和现场应用环节两个部分。出厂标定环节包括以下步骤： 步骤一、在变压器系统组装测试完毕后，进行系统重复性测试。
步骤二、系统重复性测试合格后，进行系统出厂标定环节。首先进行油样标定环节的试验，得到多种浓度标准油样的不同组分气体的电压峰值，生成油样标定曲线。
步骤三、油样标定环节完成后，进行标准气体的标定试验。进行一种多组分标准气体的检测程序，得到特定标准气体不同组分的电压峰值，作为标准气体的出厂标定数据。
步骤四、将标准气体的出厂标定数据作为分子，将后续标准气体的各组分气体电压峰值数据作为分母，计算生成各组标准气体校正系数（出厂时校正系数为1）。
现场应用环节包括以下步骤：
步骤一、在现场应用场合，如果工作时间长或传感器特性发生漂移，采用自动或手动方式启动自动校正程序：自动校正程序开通“标气控制阀”，打开与出厂标定环节相同的标准气体，进行一种多组分标准气体的标定试验，得到特定标准气体不同组分的电压峰值，作为标准气体的现场应用数据。
步骤二、将标准气体的出厂标定数据作为分子，将现场应用的各组分气体电压峰值数据作为分母，重新计算生成各组分气体的校正系数。如果受传感器污染或老化影响，产生性能衰减现象，则校正系数大于1；如果响应放大，则校正系数小于1；如果基本不变，保持稳定，则近似等于1。
步骤三、现场标准气体校正环节结束后，进行实际变压器油中气体浓度的检测，得到变压器油中气体的各组分气体浓度。
步骤四、将变压器油中气体的各组分气体浓度数据乘以现场应用条件下的校正系数，得到校正后变压器油中气体的各组分气体浓度数据。
步骤五、将校正后变压器油中气体的各组分气体浓度数据与出厂时的油样标定曲线进行比对，得到变压器油中气体的各组分实际浓度（单位：ppm）。
如上所述的在线监测变压器油中气体的方法，其特征在于：标准气体检测程序为：开通标气控制阀，标准气体直接接入检测模块，经过色谱柱分离器进行组分分离后，利用半导体气敏传感器对变压器油气的响应电压值进行采样，采样信号经过谱峰识别模块，对氢气气体、一氧化碳气体、甲烷气体、乙烯气体、乙烷气体和乙炔气体每一种气体响应的电压峰值进行记录。
如上所述的在线监测变压器油中气体的方法，其特征在于：所述的标准气体校正系数的计算方法为：利用相同标准气体的出厂标定的各组分气体电压峰值数据和现场应用条件下各组分气体电压峰值数据，自动计算生产不同组分气体的校正系数，计算公式表述为：
其中，xi表示现场油中气体第i组分的峰高检测值，yi表示第i种气体的校正后的峰高值，Ji(0)表示出厂标定环节下标准气体中第i种组分气体的出厂检测峰高，Ji(t)表示t时刻现场应用环节下标准气体第i种组分气体的峰高值。
本发明的有益效果是：
本发明沿用了标油标定法和标气标定法的优点，采用标油标定/ 标气校正的自动校正新方法，在原有标准油样标定方法的基础上使用标准气体自动校正方法，有效校正由气体检测器和色谱柱等引起的气体检测性能漂移和衰减。本发明只增加数个电磁阀和标准气体，在原有进样器和色谱柱基础上，对检测器特性进行校正，有效的提高了系统的长期稳定性和检测准确度，克服了气体检测器长时间使用易产生特性漂移和衰减等缺点，减小半导体气敏检测器长时间稳定性差的影响，使变压器在线监测更加安全可靠。
附图说明
图1是本发明实施例的具有气体传感器自动校正功能的变压器油中气体在线监测装置的系统方框图。
图2（a）至图2（f）是本发明实施例的具有气体传感器自动校正功能的变压器油中气体在线监测装置的自动校正算法实现示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的算法，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括：
检测部分、控制采集模块和管理分析模块，所述的检测部分包括油气分离模块、载气控制模块、自动校正模块和检测模块，所述控制采集模块包括控制单元和采集转换单元，所述管理分析模块包括数据管理单元、数据分析单元、数据修正单元和谱峰识别单元，其中油气分离模块接收变压器油样的输入，经过定量进油单元和脱气单元后，油气分离模块的输出与自动校正模块的样气端口经过“样气控制阀”连接，并输出分离气体。自动校正模块的标气端口经过“标气控制阀”与标准气体连接，自动校正模块的输出、载气控制模块的输出与检测模块连接，经过进样器、色谱柱进行组分分离后，经过半导体气敏检测器事先气体检测。检测模块的输出端与采集转换单元连接，控制采集模块的控制单元对油气分离模块、自动校正模块、载气控制模块、检测模块进行控制，并控制采集转换单元的启动和停止。控制采集模块的采集转换单元的输出端与管理分析模块连接，管理分析模块接收采集转换单元的数据后，经过谱峰识别单元、数据修正单元、数据管理单元和数据分析单元输出分析结果，并传输给用户。
所述的自动校正模块包括：样气控制阀、标准气体、标气控制阀、三通进样单元。所述载气控制模块包括：氮气气瓶、载气控制阀。
所述检测模块包括：恒温单元、进样器、色谱柱分离器、半导体气敏检测器，其中，进样器与自动校正模块的输出端和载气输出端连接，进样器的输出端与色谱分离器连接，色谱分离输出端与半导体气敏检测器输入端连接，将检测所产生的模拟信号输出至控制采集模块的采集转换单元输入端。
所述的控制采集模块包括控制单元和采集转换单元。所述的采集转换单元包括：信号变换电路和AD采样电路。将模拟信号通过信号变换电路进行信号转换，再通过AD转换器进行信号采样，并传输到管理分析模块。所述的控制单元由数字处理器构成，通过监控系统的载气压力、温度、油气分离状态，进行油气分离模块、自动校正模块、载气控制模块、恒温模块和检测模块的控制。
变压器油中气体在线监测装置在不同时刻根据指令要求可分别完成对变压器油样中溶解气体的脱气、标准气体的各组分气体的分离、检测和谱峰识别。当控制系统接收到“油中溶解气体浓度检测”命令后，打开样气进样电磁阀，关闭标气控制电磁阀，三通进样管接收油气分离装置脱气后混合气体，输出到六通阀进样器和色谱柱分离器，实现组分分离。当控制系统接收到“标准气体浓度检测”命令后，样气进样电磁阀保持关闭，标气控制电磁阀打开，标准气体通过三通进样管和六通阀进样器，进入色谱柱分离器实现组分分离，分离后气体在检测器、控制系统实现峰值检测和谱峰识别。
所述的自动校正模块实现传感器对各组分气体的反应特性，通过线性校正传感器的特性漂移，减小甚至消除传感器特性漂移造成的影响。
如图2（a）至图2（f）所示，本实施例所述的检测系统的自动校正模块及自动校正算法通过以下步骤进行实现：
第一步、系统出厂标定采用标定油样和标准气体双重标定校正方法。系统对标定油样进行油气分离，分离后样气通过自动校正模块，开通“样气控制阀”，经过色谱柱进行组分分离后，利用半导体气敏传感器对变压器油气的响应电压值进行采样。采样信号经过谱峰识别模块，对氢气气体、一氧化碳气体、甲烷气体、乙烯气体、乙烷气体和乙炔气体每一种气体响应的电压峰值进行记录。管理分析模块将不同浓度油样的电压峰值与浓度值对应算法进行存储。
第二步、系统在标定过程中，利用标准气体在检测模块进行测量，以得到出厂校正系数，开通“标气控制阀”，标准气体直接接入检测模块，经过色谱柱分离器进行组分分离后，利用半导体气敏传感器对变压器油气的响应电压值进行采样。采样信号经过谱峰识别模块，对氢气气体、一氧化碳气体、甲烷气体、乙烯气体、乙烷气体和乙炔气体每一种气体响应的电压峰值进行记录。管理分析模块将标准气体的多组分电压峰值进行存储。
第三步、在现场应用场合，如果工作时间长或传感器特性发生漂移，系统采用自动或手动方式启动自动校正程序。自动校正程序开通“标气控制阀”，打开与多组分标准气体，重复第二步的标准气体检测程序。针对相同标准气体的电压峰值与第二步的电压峰值进行对比，自动产生不同组分气体的校正系数。校正公式表述为：
其中，xi表示现场油中气体第i组分的峰高检测值，yi表示第i种气体的校正后的峰高值，Ji(0)表示出厂标定环节下标准气体中第i种组分气体的出厂检测峰高，Ji(t)表示现场应用环节下标准气体第i种组分气体的峰高值。
校正系数也可以采用分段线性拟合算法，实现对传感器整个特性曲线的精确校正。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (4)
1.一种在线监测变压器油中气体的方法，包括出厂标定环节和现场应用环节两个部分，其特征在于：所述的出厂标定环节包括以下步骤：
步骤一、在变压器系统组装测试完毕后，进行系统重复性测试；
步骤二、系统重复性测试合格后，进行系统出厂标定环节；首先进行油样标定环节的试验，得到多种浓度标准油样的不同组分气体的电压峰值，生成油样标定曲线；
步骤三、油样标定环节完成后，进行标准气体的标定试验；进行一种多组分标准气体的检测程序，得到特定标准气体不同组分的电压峰值，作为标准气体的出厂标定数据；
步骤四、将标准气体的出厂标定数据作为分子，将后续标准气体的各组分气体电压峰值数据作为分母，计算生成各组标准气体校正系数。
2.如权利要求1所述的在线监测变压器油中气体的方法，其特征在于：所述的现场应用环节包括以下步骤：
步骤一、在现场应用场合，如果工作时间长或传感器特性发生漂移，采用自动或手动方式启动自动校正程序：自动校正程序开通“标气控制阀”，打开与出厂标定环节相同的标准气体，进行一种多组分标准气体的标定试验，得到特定标准气体不同组分的电压峰值，作为标准气体的现场应用数据；
步骤二、将标准气体的出厂标定数据作为分子，将现场应用的各组分气体电压峰值数据作为分母，重新计算生成各组分气体的校正系数；如果受传感器污染或老化影响，产生性能衰减现象，则校正系数大于1；如果响应放大，则校正系数小于1；如果基本不变，保持稳定，则近似等于1；
步骤三、现场标准气体校正环节结束后，进行实际变压器油中气体浓度的检测，得到变压器油中气体的各组分气体浓度；
步骤四、将变压器油中气体的各组分气体浓度数据乘以现场应用条件下的校正系数，得到校正后变压器油中气体的各组分气体浓度数据；
步骤五、将校正后变压器油中气体的各组分气体浓度数据与出厂时的油样标定曲线进行比对，得到变压器油中气体的各组分实际浓度。
3.如权利要求1所述的在线监测变压器油中气体的方法，其特征在于：所述的标准气体的检测程序为：开通标气控制阀，标准气体直接接入检测模块，经过色谱柱分离器进行组分分离后，利用半导体气敏传感器对变压器油气的响应电压值进行采样，采样信号经过谱峰识别模块，对氢气气体、一氧化碳气体、甲烷气体、乙烯气体、乙烷气体和乙炔气体每一种气体响应的电压峰值进行记录。
4.如权利要求1所述的在线监测变压器油中气体的方法，其特征在于：所述的标准气体校正系数的计算方法为：利用相同标准气体的出厂标定的各组分气体电压峰值数据和现场应用条件下各组分气体电压峰值数据，自动计算生产不同组分气体的校正系数，计算公式表述为：
其中，xi表示现场油中气体第i组分的峰高检测值，yi表示第i种气体的校正后的峰高值，Ji(0)表示出厂标定环节下标准气体中第i种组分气体的出厂检测峰高，Ji(t)表示t时刻现场应用环节下标准气体第i种组分气体的峰高值。
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