CN108322899A - 基于无线传感器网络的电力变压器振动监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于无线传感器网络的电力变压器振动监测系统，包括依次连接的传感监测装置、数据接收装置和电力变压器振动监测中心，所述传感监测装置用以采集变压器表面各测点处的振动数据，所述数据接收装置用于接收传感监测装置传送的振动数据，并传输给电力变压器振动监测中心。本发明实现对电力变压器振动的实时监测。

Description

基于无线传感器网络的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，具体涉及基于无线传感器网络的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，本发明提供基于无线传感器网络的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：

提供了一种基于无线传感器网络的电力变压器振动监测系统，包括依次连接的传感监测装置、数据接收装置和电力变压器振动监测中心，所述传感监测装置用以采集变压器表面各测点处的振动数据，所述数据接收装置用于接收传感监测装置传送的振动数据，并传输给电力变压器振动监测中心；所述的传感监测装置包括汇聚节点和多个传感器节点，传感器节点用于采集和传输振动数据；汇聚节点用于汇聚传感器节点采集的振动数据并将汇聚的振动数据转发至电力变压器振动监测中心，传感器节点与汇聚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。

其中，所述的振动数据包括变压器的振动加速度以及变压器的温度数据。

优选地，所述的电力变压器振动监测中心用于对数据接收装置传输的振动数据进行存储、分析处理和显示，电力变压器振动监测中心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，传感器节点包括数据采集模块、数据处理模块以及数据通信模块；数据采集模块由传感器与A/D转换器完成，数据处理模块由微处理器与存储器完成，数据通信模块由无线收发器完成。所述的传感器为振动加速度传感器或温度传感器。

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。

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电力变压器振动监测中心的结构示意图。

附图标记：

传感监测装置1、数据接收装置2、电力变压器振动监测中心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基于无线传感器网络的电力变压器振动监测系统，包括依次连接的传感监测装置1、数据接收装置2、电力变压器振动监测中心3。

其中，传感监测装置1用以采集变压器表面各测点处的振动数据。传感监测装置1包括汇聚节点和多个传感器节点，传感器节点用于采集和传输振动数据；汇聚节点用于汇聚传感器节点采集的振动数据并将汇聚的振动数据转发至电力变压器振动监测中心3，传感器节点与汇聚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。

数据接收装置2用于接收传感监测装置1传送的振动数据，并传输给电力变压器振动监测中心3。可选地，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，所述的电力变压器振动监测中心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，从而完成对数据接收装置2传输的振动数据进行存储、分析处理和显示。

传感器节点包括数据采集模块、数据处理模块以及数据通信模块；数据采集模块由传感器与A/D转换器完成，数据处理模块由微处理器与存储器完成，数据通信模块由无线收发器完成。可选地，所述的传感器为振动加速度传感器。作为另一种可选的方式，所述的传感器为温度传感器。作为再一种可选的方式，所述的传感器为集成振动加速度传感器和温度传感器为一体的传感器。

其中，作为一个实施例，传感器的外壳材料为塑料，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，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，传感器节点分为簇头节点和簇成员节点，簇成员节点用于采集振动数据并将振动数据发送至所属簇的簇头节点；簇头节点用于接收并处理簇成员发送的振动数据，还用于将处理后的振动数据发送至汇聚节点。

其中，传感器节点基于改进的LEACH路由协议分为簇头节点和簇成员节点，具体包括：

(1)每一轮的簇头选举开始时，每个传感器节点随机生成一个介于0到1之间的随机数，并设定阈值为：

式中，Ω_i表示传感器节点i设定的阈值，为簇头节点数占总传感器节点数百分比的期望值，r为当前轮数减1，Φ为在前轮中未当选过簇头节点的传感器节点集合，E_min为设定的最小能量值，E_i为传感器节点i的当前剩余能量，f(E_min,E_i)为比较函数，当E_min≤E_i时，f(E_min,E_i)＝1，当E_min>E_i时，f(E_min,E_i)＝0，A为设定的电力变压器振动监测区域的长度，R_i为传感器节点i的通信半径，N为传感器节点的总个数，mod(·)表示求余函数；

(2)若传感器节点生成的随机数小于其设定的阈值，该传感器节点当选为簇头节点；

(3)当簇头节点全部产生后，簇头节点向网络中广播自己当选为簇头节点的消息，其他非簇头节点根据接收到的广播信息的强弱加入相应簇，成为该簇的簇成员节点，并发送信息告知对应的簇头节点。

现有的LEACH路由协议通过轮询机制控制无线射频的能耗趋于一致，但是传感器节点还存在如感知、计算等方面的能量消耗，这种能量消耗会随着无线传感器网络运行时间的延长而累计，从而加剧剩余能量的不均衡性。

本实施例改进了LEACH路由协议中的阈值设定公式，一方面在阈值设定公式中考虑了能量因素，使得当前剩余能量较多的传感器节点能够有更大的几率当选簇头节点，从而平衡各传感器节点的能耗；另一方面基于电力变压器振动监测区域的长度来计算簇头节点数占总传感器节点数百分比的期望值，有益于尽可能地避免网络出现不连通的问题，保障振动数据的采集和传输。

在一个实施例中，簇头节点将处理后的振动数据发送至汇聚节点，具体为：簇头节点满足距离条件时，直接与汇聚节点连接，从而将处理后的振动数据直接发送至汇聚节点；当簇头节点不满足距离条件时，采用簇间多跳路由通信的方式将处理后的振动数据发送至汇聚节点。

其中，距离条件为：

式中，CH_mn为与簇头节点CH_m距离最近的簇头节点，/(CH_mn,S)为簇头节点CH_mn到汇聚节点的距离，/(CH_m,S)为簇头节点CH_m到汇聚节点的距离，T_max为设定的距离比阈值。

现有技术中，簇头节点通常选择与其距离最近的簇头节点作为其中继节点，直到到达汇聚节点，从而完成振动数据的传输。然而，如果只采取距离最近原则有可能使得簇头节点形成的单链过长，从而浪费能量。本实施例的簇头节点基于距离条件，选择不同的方式与汇聚节点建立连接，有效地避免了单链过长的问题，有益于减少转发振动数据的能耗，使系统更加节能。

在一个实施例中，簇头节点采用簇间多跳路由通信的方式将处理后的振动数据发送至汇聚节点，具体包括：

(1)簇头节点获取其到汇聚节点所有路由路径；

(2)按照下列公式计算每条路由路径的权重值：

式中，λ_l表示簇头节点CH_l的第λ条到汇聚节点的路由路径，表示路由路径λ_l的权重值，为路由路径λ_l的路径长度；B_u(λ)为路由路径λ_l的带宽，由路径中的最小带宽决定；为路由路径λ_l的总跳数；C_max、B_min、H_max分别为满足网络服务质量要求的最大路径长度、最小带宽、最大跳数，η₁、η₂为设定的权重系数；

(3)按照权重值由大到小的顺序对各条路由路径进行排序，归入路由路径集合；

(4)按顺序选择路由路径集合中前n₁条满足基本能量条件的路由路径作为优选路由路径，其中n₁<n，n为路由路径集合内具有的路由路径总条数，其中基本能量条件为路由路径中簇头节点CH_l的下一跳节点的当前剩余能量高于设定的最小能量值；

(5)对处理后的振动数据平均分割后分配给各优选路径进行传输。

本实施例基于网络服务质量要求设定了路由路径的权重值计算公式，由该计算公式可知，在路径长度、带宽、跳数方面更加满足网络服务质量要求的路由路径具有更大的权重值，权重值的大小反映了路由路径的链路质量的好坏。本实施例根据权重值由大到小的顺序对簇头节点到汇聚节点所有路由路径进行排序，并选择前n₁条满足基本能量条件的路由路径作为振动数据传输的路由路径，能够有效提高振动数据传输的可靠性，由于考虑到了路由路径中簇头节点的下一跳节点的当前剩余能量，均衡了簇头节点的各下一跳节点的能耗，有益于提高网络的稳定性。当数据量很大的情况下，单路由路径无法满足网络振动数据通信的性能要求，本实施例中，簇头节点将振动数据分流到路由路径集合中前n₁条满足基本能量条件的路由路径进行传输，能够有效提高振动数据传输效率，保障对电力变压器振动监测的实时性。

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.基于无线传感器网络的电力变压器振动监测系统，其特征是，包括依次连接的传感监测装置、数据接收装置和电力变压器振动监测中心，所述传感监测装置用以采集变压器表面各测点处的振动数据，所述数据接收装置用于接收传感监测装置传送的振动数据，并传输给电力变压器振动监测中心；所述的传感监测装置包括汇聚节点和多个传感器节点，传感器节点用于采集和传输振动数据；汇聚节点用于汇聚传感器节点采集的振动数据并将汇聚的振动数据转发至电力变压器振动监测中心，传感器节点与汇聚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。

2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的电力变压器振动监测系统，其特征是，所述的电力变压器振动监测中心用于对数据接收装置传输的振动数据进行存储、分析处理和显示，电力变压器振动监测中心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所述的基于无线传感器网络的电力变压器振动监测系统，其特征是，传感器节点包括数据采集模块、数据处理模块以及数据通信模块；数据采集模块由传感器与A/D转换器完成，数据处理模块由微处理器与存储器完成，数据通信模块由无线收发器完成。

4.根据权利要求3所述的基于无线传感器网络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。

5.根据权利要求1-4任一项所述的基于无线传感器网络的电力变压器振动监测系统，其特征是，传感器节点分为簇头节点和簇成员节点，簇成员节点用于采集振动数据并将振动数据发送至所属簇的簇头节点；簇头节点用于接收并处理簇成员发送的振动数据，还用于将处理后的振动数据发送至汇聚节点。

6.根据权利要求5所述的基于无线传感器网络的电力变压器振动监测系统，其特征是，传感器节点基于改进的LEACH路由协议分为簇头节点和簇成员节点，具体包括：

(1)每一轮的簇头选举开始时，每个传感器节点随机生成一个介于0到1之间的随机数，并设定阈值为：

式中，Ω_i表示传感器节点i设定的阈值，为簇头节点数占总传感器节点数百分比的期望值，r为当前轮数减1，Φ为在前轮中未当选过簇头节点的传感器节点集合，E_min为设定的最小能量值，E_i为传感器节点i的当前剩余能量，f(E_min，E_i)为比较函数，当E_min≤E_i时，f(E_min，E_i)＝1，当E_min＞E_i时，f(E_min，E_i)＝0，A为设定的电力变压器振动监测区域的长度，R_i为传感器节点i的通信半径，N为传感器节点的总个数，mod(·)表示求余函数；

(2)若传感器节点生成的随机数小于其设定的阈值，该传感器节点当选为簇头节点；

(3)当簇头节点全部产生后，簇头节点向网络中广播自己当选为簇头节点的消息，其他非簇头节点根据接收到的广播信息的强弱加入相应簇，成为该簇的簇成员节点，并发送信息告知对应的簇头节点。