CN108267171B - 电力变压器振动监测系统 - Google Patents

电力变压器振动监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了电力变压器振动监测系统，包括依次连接的变压器振动监测装置、监测数据接收装置和变压器振动监测平台，所述变压器振动监测装置用以采集变压器表面各测点处的振动信号及变压器温度，所述监测数据接收装置用于接收变压器振动监测装置发送的变压器振动信号及温度数据，并传输给变压器振动监测平台。本发明实现对电力变压器振动的无线监测。

Description

电力变压器振动监测系统
技术领域
本发明涉及变压器监测领域，具体涉及电力变压器振动监测系统。
背景技术
由变压器理论分析可知，电力变压器在稳定运行时，硅钢片的磁致伸缩引起了铁心振动，绕组在负载电流的电场力作用下产生振动。绕组及铁心的振动通过变压器油箱表面和油传递到变压器的油箱，引起油箱的振动。由磁致伸缩引起的铁心振动以及负载电流作用下的绕组振动都是以两倍的电源频率为其基频的。因此可以从频谱图中将二者与冷却系统引起的振动区分开来。变压器油箱表面的振动与变压器绕组及铁心的压紧状况、位移及变形状态密切相关，因此可以通过带电测量电力变压器的油箱表面振动来监测其绕组和铁心状况。该方法能够在最大程度上避免由于主观和客观因素而存在的变压器内部缺陷所导致的变压器故障，提高电网及设备安全运行水平，同时整个测试系统与变压器没有直接的电气连接，不需要改动变压器的任何组件，节约了成本，减小了测试的危险性，同时测试时不会受到现场磁场耦合的干扰，极大程度上保证了测试结果的正确性具有良好的经济效益及社会效益。
目前，国内外对基于振动信号分析法的变压器振动离线监测系统进行了开发、测试以及实验研究，并对多地多个变电站内运行中的变压器进行了振动实测，取得了一定成果，然而欲实现对变压器振动的在线监测，现有的测试系统存在明显的不足，对于目前已经较为成熟的基于有线连接的监测系统，传感器信号与采集卡之间的信号通道多采用有线传输多采用有线传输方式，线缆长度需要几十甚至上百米，但是存在线缆布设复杂、成本较高、可维护性差、系统灵活性差等缺点，面对这些问题，一个可选择的解决思路就是采用新兴的无线传感网络监测模式来构建无线、分布式变压器振动监测系统，但是无线传感网络技术还不成熟，因此需要开展利用无线传感设备对变压器振动进行监测的可行性研究。
发明内容
针对上述问题，本发明提供电力变压器振动监测系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
提供了一种电力变压器振动监测系统，包括依次连接的变压器振动监测装置、监测数据接收装置和变压器振动监测平台，所述变压器振动监测装置用以采集变压器表面各测点处的振动信号及变压器温度，所述监测数据接收装置用于接收变压器振动监测装置发送的变压器振动信号及温度数据，并传输给变压器振动监测平台。
优选地，所述的变压器振动监测平台用于对监测数据接收装置传输的变压器振动信号及温度数据进行存储、分析处理和显示，变压器振动监测平台包括依次连接的数据存储单元、数据分析处理单元和数据显示单元。
优选地，所述的变压器振动监测装置包括多个传感监测节点、数据处理节点和通信节点，传感监测节点、数据处理节点和通信节点共同构成用于进行变压器振动监测、数据采集及传输的无线传感器网络。
优选地，传感监测节点用于对变压器振动信号及温度数据进行采集，并选择位于其通信范围内的一个数据处理节点协助压缩变压器振动信号及温度数据；数据处理节点对变压器振动信号及温度数据进行压缩处理后将压缩后的变压器振动信号及温度数据发送给通信范围内当前剩余能量最大的通信节点；通信节点用于收集多个数据处理节点的变压器振动信号及温度数据，并将收集的变压器振动信号及温度数据沿最优路由路径发送至监测数据接收装置。
优选地，每个传感监测节点包括至少一个传感器。
优选地，所述传感器的外壳材料为塑料，所述传感器的两端均有两个用于固定的圆孔，所述传感器通过永磁体吸附固定在变压器油箱表面。
优选地，所述的传感器为振动加速度传感器或温度传感器。
本发明的有益效果为：实现了电力变压器的无线振动监测，利用无线传感技术来传输数据大幅度削减成本，提高测试系统的灵活变通性，可用于低于500kV电压等级的所有运行中的电力变压器；本发明结构简单、且易于操作；后期处理系统可实现显示时域波形，进行简单频谱分析，历史数据趋势图分析以及存储振动数据等功能，自主化程度高。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1本发明一个实施例的结构示意图；
图2本发明一个实施例的变压器振动监测平台的结构示意图。
附图标记：
变压器振动监测装置1、监测数据接收装置2、变压器振动监测平台3、数据存储单元10、数据分析处理单元20、数据显示单元30。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
参见图1，本实施例提供了一种电力变压器振动监测系统，包括依次连接的变压器振动监测装置1、监测数据接收装置2、变压器振动监测平台3。
其中，变压器振动监测装置1用以采集变压器表面各测点处的振动信号及变压器温度。
监测数据接收装置2用于接收变压器振动监测装置1发送的变压器振动信号及温度数据，并传输给变压器振动监测平台3。可选地，监测数据接收装置2可以包括一射频接收天线。
可选地，如图2所示，所述的变压器振动监测平台3包括依次连接的数据存储单元、数据分析处理单元和数据显示单元，从而完成对监测数据接收装置2传输的变压器振动信号及温度数据进行存储、分析处理和显示。
可选地，变压器振动监测装置1包括多个传感监测节点、数据处理节点和通信节点，传感监测节点、数据处理节点和通信节点共同构成用于进行变压器振动监测、数据采集及传输的无线传感器网络。
可选地，传感监测节点用于对变压器振动信号及温度数据进行采集，并选择位于其通信范围内的一个数据处理节点协助压缩变压器振动信号及温度数据。
数据处理节点对变压器振动信号及温度数据进行压缩处理后将压缩后的变压器振动信号及温度数据发送给通信范围内当前剩余能量最大的通信节点。
通信节点用于收集多个数据处理节点的变压器振动信号及温度数据，并将收集的变压器振动信号及温度数据沿最优路由路径发送至监测数据接收装置2。
可选地，每个传感监测节点包括至少一个传感器。在一个实施例中，传感监测节点设有振动加速度传感器；在另一个实施例中，传感监测节点集成有振动加速度传感器和温度传感器。
其中，作为一个实施例，所述传感器的外壳材料为塑料，所述传感器的两端均有两个用于固定的圆孔，所述传感器通过永磁体吸附固定在变压器油箱表面。作为另一个实施例，所述传感器外壳上设有机械固定装置，从而通过该机械固定装置可机械地固定在变压器油箱表面。具体地，机械固定装置包括螺钉、螺钉孔。
本发明上述实施例实现了电力变压器的无线振动监测，利用无线传感技术来传输数据大幅度削减成本，提高测试系统的灵活变通性，可用于低于500kV电压等级的所有运行中的电力变压器；本发明结构简单、且易于操作；后期处理系统可实现显示时域波形，进行简单频谱分析，历史数据趋势图分析以及存储振动数据等功能，自主化程度高。
在一个实施例中，传感监测节点选择位于其通信范围内的一个数据处理节点协助压缩变压器振动信号及温度数据，具体包括：
(1)传感监测节点计算位于其通信范围内的各数据处理节点的优选值，设Vac表示传感监测节点a的位于其通信范围内的第c个数据处理节点的优选值，Vac的计算公式为：
Figure BDA0001537188280000041
式中，Da为传感监测节点a的通信距离，H(a,c)为传感监测节点a与位于其通信范围内的第c个数据处理节点之间的距离，H(ξ,c)为所述第c个数据处理节点与其通信范围内当前剩余能量最大的通信节点ξ之间的距离，Gac为所述第c个数据处理节点的当前剩余能量，Gac0为所述第c个数据处理节点的初始能量，b1、b2为预设的权重因子；
(2)传感监测节点选择具有最大优选值的数据处理节点来协助压缩变压器振动信号及温度数据。
本实施例基于距离和能量两个因素设定了优选值的计算公式，由该计算公式可知，当前剩余能量越大、与传感监测节点间距越短以及与所需通信的通信节点间距越短的数据处理节点，其优选值越大。
通过选择位于其通信范围内的优选值最大的数据处理节点来协助压缩变压器振动信号及温度数据，有益于节省变压器振动信号及温度数据转发的通信成本，均衡各数据处理节点之间的能耗，保障变压器振动信号及温度数据稳定、可靠传输。
在一个实施例中，通信节点的最优路由路径由汇聚节点确定，具体包括：
(1)汇聚节点接收由通信节点Z始发的多个路由路径探测包，得到通信节点Z到汇聚节点的多条路由路径，其中路由路径探测包携带了路由路径经过的通信节点信息和链路状态信息；
(2)存储路由路径探测包中携带的信息，将一条路由路径看成一个维数为n的粒子，其中n为该路由路径经过的通信节点总个数，用获取到的多条路由路径作为初始粒子群，并计算每个粒子的适应值，适应值的计算公式如下：
Figure BDA0001537188280000042
式中，Pq表示初始粒子群中第q条路由路径，Φ(Pq)表示路由路径Pq的适应值，G(Pq)为路由路径Pq中能量最小的通信节点的当前剩余能量，G(Pb)为路由路径Pq中能量最小的通信节点的当前剩余能量，m为初始粒子群中的路由路径总条数，cost(Pq)表示路由路径Pq的链路开销，L1、L2为预设的权重系数，分别表示能量、链路开销影响的权重；
(3)运行粒子群算法对路由路径进行优化，进行粒子更新迭代，最终得到最优路由路径；
(4)将路由路径回复信息沿最优路由路径发送给通信节点Z，并更新通信节点Z的路由表，其中路由路径回复信息包括最优路由路径的信息，从而通信节点Z根据路由路径回复信息得到的最优路由路径发送变压器振动信号及温度数据。
其中，通信节点在能量小于规定值时，更新当前路由路径信息，并重新向汇聚节点发送路由路径探测包，以由汇聚节点重新确定最优路由路径。
由汇聚节点通过本实施例的方式来确定最优路由路径，可有效地减少通信节点的负担。
本实施例在现有的粒子群算法的基础上，通过汇聚节点接收由通信节点Z始发的多个路由路径探测包的方式得到多条符合实时性要求的路由路径，将该多条符合实时性要求的路由路径作为初始粒子群，并基于能量和链路开销两个因素制定了适应值的计算公式。
按照上述方式确定最优路由路径，能够有效地节省链路状态信息获取的能量成本，保证实时性，同时提高通信节点能量的利用率，达到均衡能耗的有效效果，从而使得电力变压器振动监测系统更加节能。
在一个实施例中，从通信节点向汇聚节点发送路由路径探测包，具体包括：
(1)通信节点Z向网络广播路由路径探测包，收到路由路径探测包的通信节点确定路由路径探测包中包含的通信节点ID个数是否超过预设的个数阈值，当超过时舍弃该路由路径探测包，当没有超过时将自身的ID、当前剩余能量以及与上一跳通信节点间的单跳链路信息加入到接收的路由路径探测包中，形成新路由路径探测包；
(2)收到路由路径探测包的通信节点与汇聚节点为单跳距离时，直接将新路由路径探测包发送至汇聚节点；
(3)收到路由路径探测包的通信节点与汇聚节点为多跳距离时，将满足转发条件且从未转发过该路由路径探测包的邻居节点归入待选转发节点集合；
(4)从待选转发节点集合中随机选择一个通信节点作为下一跳节点，将新路由路径探测包发送至该下一跳节点，其中该邻居节点为位于通信节点的通信范围内的其他通信节点。
本实施例设计了从通信节点向汇聚节点发送路由路径探测包的具体机制，该机制简单高效，能够全面准确地获取路由路径经过的通信节点信息和链路状态信息，
其中，所述的转发条件为：
Figure BDA0001537188280000051
式中，Gij表示收到路由路径探测包的通信节点i的第j个邻居节点的当前剩余能量，Gmin为设定的最小能量值，f(Gij,Gmin)为设定的判断取值函数，当Gij>Gmin时，f(Gij,Gmin)＝1，当Gij≤Gmin时，f(Gij,Gmin)＝0；
Yij为所述第j个邻居节点到汇聚节点的最小跳数，Yi为收到路由路径探测包的通信节点i到汇聚节点的最小跳数，Yma8为预设的最大跳数值，YqrL为路由路径探测包从通信节点Z到通信节点i所经过的跳数。
本实施例通过设定转发条件，以及在路由路径探测包中包含的通信节点ID个数超过预设的个数阈值时对路由路径探测包进行舍弃，能够帮助通信节点筛除不具备基本转发能力的下一跳节点，减少路由路径探测包的转发量。
本实施例还能达到的有益效果为：使获取到的路径能够满足时延需求，提高链路信息采集的效率，在整体上促进了变压器振动信号及温度数据采集的效率。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (6)

1.电力变压器振动监测系统，其特征是，包括依次连接的变压器振动监测装置、监测数据接收装置和变压器振动监测平台，所述变压器振动监测装置用以采集变压器表面各测点处的振动信号及变压器温度，所述监测数据接收装置用于接收变压器振动监测装置发送的变压器振动信号及温度数据，并传输给变压器振动监测平台；所述的变压器振动监测装置包括多个传感监测节点、数据处理节点和通信节点，传感监测节点、数据处理节点和通信节点共同构成用于进行变压器振动监测、数据采集及传输的无线传感器网络；传感监测节点用于对变压器振动信号及温度数据进行采集，并选择位于其通信范围内的一个数据处理节点协助压缩变压器振动信号及温度数据；数据处理节点对变压器振动信号及温度数据进行压缩处理后将压缩后的变压器振动信号及温度数据发送给通信范围内当前剩余能量最大的通信节点；通信节点用于收集多个数据处理节点的变压器振动信号及温度数据，并将收集的变压器振动信号及温度数据沿最优路由路径发送至监测数据接收装置；通信节点的最优路由路径由汇聚节点确定，具体包括：
(1)汇聚节点接收由通信节点Z始发的多个路由路径探测包，得到通信节点Z到汇聚节点的多条路由路径，其中路由路径探测包携带了路由路径经过的通信节点信息和链路状态信息；
(2)存储路由路径探测包中携带的信息，将一条路由路径看成一个维数为n的粒子，其中n为该路由路径经过的通信节点总个数，用获取到的多条路由路径作为初始粒子群，并计算每个粒子的适应值，适应值的计算公式如下：
Figure FDA0002284633140000011
式中，Pq表示初始粒子群中第q条路由路径，Φ(Pq)表示路由路径Pq的适应值，G(Pq)为路由路径Pq中能量最小的通信节点的当前剩余能量，G(Pb)为路由路径Pq中能量最小的通信节点的当前剩余能量，m为初始粒子群中的路由路径总条数，cost(Pq)表示路由路径Pq的链路开销，L1、L2为预设的权重系数，分别表示能量、链路开销影响的权重；
(3)运行粒子群算法对路由路径进行优化，进行粒子更新迭代，最终得到最优路由路径；
(4)将路由路径回复信息沿最优路由路径发送给通信节点Z，并更新通信节点Z的路由表，其中路由路径回复信息包括最优路由路径的信息，从而通信节点Z根据路由路径回复信息得到的最优路由路径发送变压器振动信号及温度数据。
2.根据权利要求1所述的电力变压器振动监测系统，其特征是，所述的变压器振动监测平台用于对监测数据接收装置传输的变压器振动信号及温度数据进行存储、分析处理和显示，变压器振动监测平台包括依次连接的数据存储单元、数据分析处理单元和数据显示单元。
3.根据权利要求1所述的电力变压器振动监测系统，其特征是，每个传感监测节点包括至少一个传感器。
4.根据权利要求3所述的电力变压器振动监测系统，其特征是，所述传感器的外壳材料为塑料，所述传感器的两端均有两个用于固定的圆孔，所述传感器通过永磁体吸附固定在变压器油箱表面。
5.根据权利要求4所述的电力变压器振动监测系统，其特征是，所述的传感器为振动加速度传感器或温度传感器。
6.根据权利要求1所述的电力变压器振动监测系统，其特征是，传感监测节点选择位于其通信范围内的一个数据处理节点协助压缩变压器振动信号及温度数据，具体包括：
(1)传感监测节点计算位于其通信范围内的各数据处理节点的优选值，设Vac表示传感监测节点a的位于其通信范围内的第c个数据处理节点的优选值，Vac的计算公式为：
Figure FDA0002284633140000021
式中，Da为传感监测节点a的通信距离，H(a,c)为传感监测节点a与位于其通信范围内的第c个数据处理节点之间的距离，H(ξ,c)为所述第c个数据处理节点与其通信范围内当前剩余能量最大的通信节点ξ之间的距离，Gac为所述第c个数据处理节点的当前剩余能量，Gac0为所述第c个数据处理节点的初始能量，b1、b2为预设的权重因子；
(2)传感监测节点选择具有最大优选值的数据处理节点来协助压缩变压器振动信号及温度数据。
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