CN110057443B - 一种基于瞬态加速度特征的变压器在线监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于瞬态加速度特征的变压器在线监测装置及方法，包括瞬态加速度特征量测量模块、信号调理与采集模块以及数字处理分析模块；瞬态加速度特征量测量模块和信号调理与采集模块相连，信号调理与采集模块和数字处理分析模块相连。本发明实时获取变压器油箱本体多个测点瞬态加速度特征信息，计算表征变压器本体振动幅度的动作加速度值，通过与预设过振门槛值、准过振门槛值的比较，判断被测变压器是否发生本体异常过振。本发明装置独立于电力网络，具有构成简单、易于实现、可靠准确等优点。该发明的应用对于变压器运行人员实时、准确、可靠获取变压器本体瞬态加速度数据。

Description

一种基于瞬态加速度特征的变压器在线监测装置及方法

技术领域

本发明属于电力系统领域，涉及一种基于瞬态加速度特征的变压器在线监测装置及方法，用于测量、记录、分析油浸式电力变压器本体瞬态加速度特征，并以此评估变压器运行状态。

背景技术

作为一种关键的电力主设备，变压器在电力系统中占有举足轻重的地位，它的稳定运行是保证整个电力系统电能可靠传输、灵活分配且安全使用的重要前提。随着电力系统容量、电压等级的不断提高，对电力变压器的可靠性、安全性提出了更高的要求。然而，在夏季用电高峰时期，因内部故障引起的变压器本体爆炸、起火事故时有发生。尤其对于高电压等级、大容量的枢纽变压器，由于自身造价昂贵、结构复杂，且带有大量负荷，一旦爆炸起火将导致严重的经济损失。此外，大型变压器内部含有数十吨可燃性绝缘油，爆炸起火势必导致热油飞溅、火光冲天，严重威胁站内运行人员乃至周围居民生命财产安全，严重影响社会稳定。

早在上世纪50～60年代，大型油浸式电力变压器油箱爆炸、起火事故就引起各国学者的广泛关注。国际大电网会议变压器工作组统计了自1965年至1986年的22年间发生在加拿大魁北克地区的120kV及以上电压等级变压器、电抗器年故障率及起火率。根据调查统计，变压器内部故障导致油箱爆炸、起火事故的概率达到5％～15％，变压器年爆炸、火灾事故概率约为0.04％～0.25％。在2013年的国际大电网会议上，变压器工作组在统计报告中指出，当电力变压器内部发生低阻值电弧短路故障时，约有54％的变压器油箱开裂、爆炸事故最终引起火灾。

当油浸式电力变压器发生内部故障时，电弧的产生将使故障点处绝缘油瞬间汽化形成油蒸汽气泡，由于周围绝缘油存在膨胀惰性，气泡内压强随故障的持续而剧增，其产生的压力波在变压器内部构件的折反射传播导致油箱内部压力的骤升，同时导致变压器本体结构上的形变与振动。鉴于变压器本体的瞬态应变特征难以获取，因此实时监测其振动加速度特征便可以评估变压的形变或损坏程度。此外，由于变压器铁芯、绕组均与本体存在物理结构上的连接，铁芯和绕组的振动特征同样会在本体的加速度特征上表现出来。针对变压器本体加速度进行实时测量、记录、运算、分析对于变压器运维人员评估变压器本体、铁芯以及绕组的安全运行状态具有重要的参考价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于瞬态加速度特征的电力变压器在线监测装置及方法，用于测量、记录、分析油浸式电力变压器本体瞬态加速度特征，并以此评估变压器运行状态。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种基于瞬态加速度特征的变压器在线监测装置，包括瞬态加速度特征量测量模块、信号调理与采集模块以及数字处理分析模块；瞬态加速度特征量测量模块和信号调理与采集模块相连，信号调理与采集模块和数字处理分析模块相连；

瞬态加速度特征量测量模块用于测量变压器本体瞬态加速度变化特征，并输出与之相对应的模拟电压/电流信号；

信号调理与采集模块用于接收瞬态加速度特征量测量模块输出的模拟电压/电流信号，并将其转换为数字处理分析模块能够识别的标准数字信号，再输出标准数字信号；

数字处理分析模块用于接收到的标准数字信号后执行监测运算，完成标准数字信号处理任务，从而实现对本体瞬态加速度的在线监测与变压器运行状态评估功能。

本发明进一步的改进在于，瞬态加速度特征量测量模块由若干加速度传感器、变送器以及通信线缆组成，加速度传感器强磁吸附在变压器本体外壁上，加速度传感器与变送器相连，变送器与通信线缆相连。

本发明进一步的改进在于，加速度传感器的测量频率为10kHz以上，测量误差小于1％，工作温度为-40～80℃，加速度量程为-1000～1000g。

本发明进一步的改进在于，信号调理与采集模块由接线端子、信号调理电路、低通滤波器、信号采样电路以及模数A/D转换电路组成，接线端子与信号调理电路相连，信号调理电路相连与低通滤波器相连，低通滤波器与信号采样电路相连，信号采样电路与模数A/D转换电路相连，接线端子还与通信线缆相连。

本发明进一步的改进在于，数字处理分析模块由总线、中央处理器、GPS同步时钟、随机存储器以及控制电路组成，中央处理器、GPS同步时钟、随机存储器、只读存储器以及控制电路均与总线相连；模数A/D转换电路与总线相连；总线包括数据总线、地址总线以及控制总线，总线用于实现数据交换和操作控制；中央处理器为单片微处理器、通用微处理器或数字信号处理器，能够实现数字信号处理；GPS同步时钟用于实现变电站内、系统各场站装置同步采样要求；随机存储器用于暂存临时数据，包括信号调理与采集模块输入的数据信息、计算处理过程的中间结果；只读存储器用于用于保存数据；控制电路利用现场可编程门阵列实现整个数字电路的连接和协调工作。

本发明进一步的改进在于，还包括与数字处理分析模块相连的数据存储模块、人机对话模块以及数据通信接口模块；

数据存储模块用于变压器本体加速度数据的存储；

人机对话模块用于建立在线监测装置与使用者之间的信息联系；

数据通信接口模块用于实现与其他设备以及总站之间的信息交互、数据传输、远方操作以及远程维护。

本发明进一步的改进在于，数据存储模块由主闪存存储器与副闪存存储器组成；主、副闪存存储器作为在线监测装置的主存储器及备用存储器使用；

人机对话模块包括紧凑键盘、显示屏、指示灯、按钮以及打印机接口；

数据通信接口模块遵循IEC 61850通信协议，利用以太网实现与其他设备以及总站之间的信息交互、数据传输、远方操作以及远程维护。

一种基于上述基于瞬态加速度特征的变压器在线监测装置的监测方法，包括以下步骤：

①瞬态加速度特征量测量模块测量变压器本体瞬态加速度变化特征，即当前时刻t下变压器本体n个测点加速度a_ms.n(t)，n为1,2,3……；并输出与之相对应的模拟电压/电流信号；信号调理与采集模块接收瞬态加速度特征量测量模块输出的模拟电压/电流信号，并将其转换为数字处理分析模块能够识别的标准数字信号，再输出标准数字信号；

②数字处理分析模块接收到的标准数字信号后判断瞬时加速度a_ms.n(t)与预设启动门槛a_st的大小；

若任一测点瞬时加速度a_ms.n(t)大于等于预设启动门槛a_st，即式(1)成立，则进入步骤③；若小于预设启动门槛a_st，即式(1)不成立，变压器本体振动正常，进入步骤⑤；

a_ms.n(t)-a_st≥0 (1)

③利用下式计算各个测点t时刻的动作加速度a_op.n(t)：

式(2)中，T为数据窗长度，f为采集模块的信号采样频率；

判断动作加速度a_op.n(t)与过振报警门槛a_th.1的大小，若动作加速度a_op.n(t)大于等于过振报警门槛a_th.1，即式(3)成立，则发出变压器过振警示，进入步骤⑤；若动作加速度a_op.n(t)小于过振报警门槛a_th.1，即式(3)不成立，则进入步骤④；

a_op.n(t)-a_th.1≥0 (3)

④判断动作加速度a_op.n(t)与准过振预警门槛a_th.2的大小，若a_op.n(t)大于等于准过振预警门槛a_th.2，即式(4)成立，则发出变压器准过振预警，进入步骤⑤；若a_op.n(t)小于准过振预警门槛a_th.2，即式(4)不成立，则显示变压器本体振动正常；

a_op.n(t)-a_th.2≥0 (4)

⑤存储测量得到的加速度数据，并将加速度数据通信至总站；

⑥在运行状态下进行自检，若发现装置故障则发出告警信号并闭锁整个装置，等待技术人员排除故障、人工复位；若未发现装置故障，返回步骤①，重新读取下一时刻加速度a_ms.n(t+1)。

本发明进一步的改进在于，步骤②中，预设启动门槛a_st设定为2.5g。

本发明进一步的改进在于，步骤③中，数据窗长度T为1×10^-3s，过振报警门槛a_th.1为20g；

步骤④中，准过振预警门槛a_th.2为10g。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明通过瞬态加速度特征量测量模块不破坏变压器本体结构完整性的前提下实现对本体加速度的实时测量，无论从精度还是使用范围瞬态加速度特征量测量模块都能满足电力变压器本体高温、强电磁环境要求；本发明涉及的在线监测装置独立于电力网络，加速度特征的测量和信号传输所受干扰较小，亦不向电力系统注入谐波；数字处理分析模块完全能够满足快速、实时处理多通路、高频数据的要求。本发明具有构成简单、易于实现、可靠高效等优点。

进一步的，本发明通过采用测量频率为10kHz以上，测量误差小于1％，工作温度为-40～80℃，加速度量程为-1000～1000g的加速度传感器进行测量，高频动态加速度传感器可以在不破坏变压器本体结构完整性的前提下实现对本体加速度的实时测量，同时，无论从精度还是使用范围加速度传感器都能满足电力变压器本体高温、强电磁环境要求。

本发明在监测时，通过对瞬态加速度特征量测量模块、信号调理与采集模块、数字处理分析模块进行物理连接及功能配合，组成基于瞬态加速度特征的变压器在线监测装置。同时，按照在线监测原理及功能要求对监测装置进行控制，实现对被测变压器瞬态加速度的测量、运算、记录、通信等操作。通过对变压器本体多个测点瞬态加速度数据的滤波及积分运算，获取能够完整表征变压器本体振动平均动能的动作加速度，通过与预设启动门槛、过振报警门槛以及准过振预警门槛进行比较，实现对变压器本体振动水平的实时监测和评估。本发明的应用对于变压器运行人员实时、准确、可靠获取变压器本体瞬态加速度数据、评估变压器安全运行状态具有重要的工程实用意义。本发明的装置能够长期可靠运行，不受强电磁、油污环境影响，具有响应速率快、测量频率高的优点，运行过程中不向电力系统注入谐波，不影响变电站内一次、二次设备的正常运行。

附图说明

图1为本发明的装置结构原理图。

图2为本发明的逻辑流程图。

图3为基于瞬态加速度特征的变压器在线监测装置现场试验实测结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

参见图1，一种基于瞬态加速度特征的变压器在线监测装置，包括瞬态加速度特征量测量模块、信号调理与采集模块、数字处理分析模块、数据存储模块、人机对话模块以及数据通信接口模块。瞬态加速度特征量测量模块和信号调理与采集模块相连，信号调理与采集模块和数字处理分析模块相连，数据存储模块、人机对话模块以及数据通信接口模块均与数字处理分析模块相连。

瞬态加速度特征量测量模块由若干个加速度传感器、变送器以及通信线缆组成。加速度传感器强磁吸附在变压器本体外壁上，加速度传感器与变送器相连，变送器与通信线缆相连。利用加速度传感器实时高速测量变压器本体瞬态加速度变化特征，利用变送器和通信线缆输出与之相对应的模拟电压/电流信号。加速度传感器的测量频率需达到10kHz以上，测量误差需小于1％，工作温度需达到-40～80℃，加速度量程需达到-1000～1000g。

信号调理与采集模块由接线端子、信号调理电路、低通滤波器、信号采样电路以及模数(A/D)转换电路组成。接线端子与信号调理电路相连，信号调理电路相连与低通滤波器相连，低通滤波器与信号采样电路相连，信号采样电路与模数(A/D)转换电路相连，接线端子还与通信线缆相连，信号调理与采集模块用于接收瞬态加速度特征量测量模块输出的模拟电压/电流信号，并将其转换为数字处理分析模块能够识别的标准数字信号，再输出标准数字信号。

数字处理分析模块由总线、中央处理器(CPU)、GPS同步时钟、随机存储器(RAM)、只读存储器(ROM)以及控制电路组成。中央处理器(CPU)、GPS同步时钟、随机存储器(RAM)、只读存储器(ROM)以及控制电路均与总线相连。模数(A/D)转换电路与总线相连。总线包括数据总线、地址总线、控制总线，总线用于实现数据交换和操作控制等。中央处理器(CPU)是数字处理分析模块的指挥中枢，可以为单片微处理器、通用微处理器或数字信号处理器(DSP)等器件，能够实时快速实现数字信号处理。采用GPS同步时钟，实现变电站内、系统各场站装置严格同步采样要求。随机存储器(RAM)用于暂存需要快速交换的大量临时数据，包括信号调理与采集模块输入的数据信息、计算处理过程的中间结果等。只读存储器(ROM)用于保存数据。控制电路利用现场可编程门阵列(FPGA)实现整个数字电路的有效连接和协调工作。

数字处理分析模块用于接收到的标准数字信号后执行监测运算，完成数字信号处理任务，指挥相连模块的正常运行，实现数据交换及操作控制，从而实现对本体瞬态加速度的在线监测与变压器运行状态评估功能。

数据存储模块用于数据的存储；数据存储模块由主、副闪存存储器(FlashMemory)组成。主、副闪存存储器作为在线监测装置的主存储器及备用存储器使用。

人机对话模块包括紧凑键盘、显示屏、指示灯、按钮以及打印机接口等。用于建立在线监测装置与使用者之间的信息联系，以便运行人员对在线监测装置的人工操作、调试以及得到信息反馈等。

数据通信接口模块遵循IEC 61850通信协议，利用以太网实现与其他设备以及总站之间的信息交互、数据传输、远方操作以及远程维护等。

参见图2，如上述基于瞬态加速度特征的变压器在线监测装置的监测方法，按照在线监测原理及功能要求对装置进行控制，实现对被测变压器本体瞬态加速度的测量、运算、记录、通信以及状态评估等操作。具体过程如下：

①在线监测装置在合上电源(简称上电)或硬件复位(简称复位)后，首先执行系统初始化，使整个装置处于正常工作状态。

②执行上电后的全面自检，对自身的工作状态进行正确性、完整性检测，若发现装置缺陷则发出告警信号并闭锁整个装置，等待技术人员排除故障、人工复位；

③若通过自检，瞬态加速度特征量测量模块测量变压器本体瞬态加速度变化特征，即读取当前时刻t下变压器本体n个测点加速度a_ms.n(t)，n为1,2,3……；并输出与之相对应的模拟电压/电流信号；信号调理与采集模块接收瞬态加速度特征量测量模块输出的模拟电压/电流信号，并将其转换为数字处理分析模块能够识别的标准数字信号，再输出标准数字信号；

④数字处理分析模块接收到的标准数字信号后判断瞬时加速度a_ms.n(t)与预设启动门槛a_st的大小，启动门槛a_st通常可设定为2.5g。若任一测点瞬时加速度a_ms.n(t)大于等于启动门槛a_st，即式(1)成立，则进入步骤⑤；若小于启动门槛a_st，即式(1)不成立，变压器本体振动正常，进入步骤⑦。

a_ms.n(t)-a_st≥0 (1)

⑤利用下式计算各个测点t时刻的动作加速度a_op.n(t)：

式(2)中，T为数据窗长度，可以取1×10^-3s。f为采集模块的信号采样频率。判断动作加速度a_op.n(t)与过振报警门槛a_th.1的大小，a_th.1通常可设定为20g，若动作加速度a_op.n(t)大于等于过振报警门槛a_th.1，即式(3)成立，则发出变压器过振警示；若动作加速度a_op.n(t)小于过振报警门槛，即式(3)不成立，则进入步骤⑥。

a_op.n(t)-a_th.1≥0 (3)

⑥判断动作加速度a_op.n(t)与准过振预警门槛a_th.2的大小，a_th.2通常可设定为10g，若a_op.n(t)大于等于准过振预警门槛a_th.2，即式(4)成立，则发出变压器准过振预警；若a_op.n(t)小于准过振预警门槛a_th.2，即式(4)不成立，则显示变压器本体振动正常。

a_op.n(t)-a_th.2≥0 (4)

⑦存储测量得到的加速度数据，并将数据通信至总站。

⑧在运行状态下进行自检，若发现装置故障则发出告警信号并闭锁整个装置，等待技术人员排除故障、人工复位。若未发现装置故障，返回步骤③，重新读取下一时刻加速度a_ms.n(t+1)。

本发明通过对瞬态加速度特征量测量模块、信号调理与采集模块、数字处理分析模块、数据存储模块、人机对话模块以及数据通信接口模块进行物理连接及功能配合，组成基于瞬态加速度特征的变压器在线监测装置。同时，按照在线监测原理及功能要求对监测装置进行控制，实现对被测变压器瞬态加速度的测量、运算、记录、通信等操作。

本发明通过瞬态加速度特征量测量模块不破坏变压器本体结构完整性的前提下实现对本体加速度的实时测量；本发明涉及的在线监测装置独立于电力网络，加速度特征的测量和信号传输所受干扰较小，亦不向电力系统注入谐波；数据采集元件、加速度运算分析元件完全能够满足快速、实时处理多通路、高频数据的要求。本发明具有构成简单、易于实现、可靠高效等优点。进一步的，本发明通过采用测量频率为10kHz以上，测量误差小于1％，工作温度为-40～80℃，加速度量程为-1000～1000g的加速度传感器进行测量，高频动态加速度传感器无论从精度还是使用范围加速度传感器都能满足电力变压器本体高温、强电磁环境要求。

进一步的，通过对变压器本体多个测点瞬态加速度数据的滤波及积分运算，获取能够完整表征变压器本体振动平均动能的动作加速度，通过与预设启动门槛、过振报警门槛以及准过振预警门槛进行比较，实现对变压器本体振动水平的实时监测和评估。本发明原创性地提出了一种基于瞬态加速度特征的电力变压器在线监测装置及方法，本发明的应用对于变压器运行人员实时、准确、可靠获取变压器本体瞬态加速度数据、评估变压器安全运行状态具有重要的工程实用意义。本发明装置能够长期可靠运行，不受强电磁、油污环境影响，具有响应速率快、测量频率高的优点，运行过程中不向电力系统注入谐波，不影响变电站内一次、二次设备的正常运行。

以SFSZ8-40000/110三相三绕组变压器为测试平台进行现场试验，说明本发明效果，该型变压器主要几何结构及铭牌参数如表1所示。如图3所示，当该变压器正常运行时(t＜0ms)，变压器箱体并未出现明显振动，此时本装置测量运算得到的动作加速度a_op.1、a_op.2、a_op.3均远小于过振报警门槛a_th.1及准过振预警门槛a_th.2，该装置不会发出报警或预警信号，并显示变压器本体振动正常。当变压器在t＝0ms时刻突发内部弱放电故障，由于故障能量的注入，变压器本体将受到故障压力冲击而发生振动。t＝4.20ms时，本发明装置测量运算得到的动作加速度a_op.1大于准过振预警门槛a_th.2，本发明装置将发出准过振预警。t＝65.35ms时，本发明装置测量运算得到的动作加速度a_op.1大于过振报警门槛a_th.1，本发明装置将发出变压器过振警示。

表1 SFSZ8-40000/110型变压器主要几何结构及铭牌参数

现场测试结果表明：本发明装置，能够在极短时间内感知并获取油浸式电力变压器箱体加速度突变特征，并通过计算得到能够表征变压器箱体振动危险水平的动作加速度，根据与预设判据进行比较，评估变压器当前运行状态及安全水平。为现场运行人员及变压器制造企业提供重要的参考数据及评判依据。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (3)

1.一种基于瞬态加速度特征的变压器在线监测装置的监测方法，其特征在于，基于瞬态加速度特征的变压器在线监测装置，该装置包括瞬态加速度特征量测量模块、信号调理与采集模块以及数字处理分析模块；瞬态加速度特征量测量模块和信号调理与采集模块相连，信号调理与采集模块和数字处理分析模块相连；

瞬态加速度特征量测量模块用于测量变压器本体瞬态加速度变化特征，并输出与之相对应的模拟电压/电流信号；

信号调理与采集模块用于接收瞬态加速度特征量测量模块输出的模拟电压/电流信号，并将其转换为数字处理分析模块能够识别的标准数字信号，再输出标准数字信号；

数字处理分析模块用于接收到的标准数字信号后执行监测运算，完成标准数字信号处理任务，从而实现对本体瞬态加速度的在线监测与变压器运行状态评估功能；

该方法包括以下步骤：

①瞬态加速度特征量测量模块测量变压器本体瞬态加速度变化特征，即当前时刻t下变压器本体n个测点加速度a_ms.n(t)，n为1,2,3……；并输出与之相对应的模拟电压/电流信号；信号调理与采集模块接收瞬态加速度特征量测量模块输出的模拟电压/电流信号，并将其转换为数字处理分析模块能够识别的标准数字信号，再输出标准数字信号；

②数字处理分析模块接收到的标准数字信号后判断瞬时加速度a_ms.n(t)与预设启动门槛a_st的大小；

若任一测点瞬时加速度a_ms.n(t)大于等于预设启动门槛a_st，即式(1)成立，则进入步骤③；若小于预设启动门槛a_st，即式(1)不成立，变压器本体振动正常，进入步骤⑤；

a_ms.n(t)-a_st≥0 (1)

③利用下式计算各个测点t时刻的动作加速度a_op.n(t)：

式(2)中，T为数据窗长度，f为采集模块的信号采样频率；

判断动作加速度a_op.n(t)与过振报警门槛a_th.1的大小，若动作加速度a_op.n(t)大于等于过振报警门槛a_th.1，即式(3)成立，则发出变压器过振警示，进入步骤⑤；若动作加速度a_op.n(t)小于过振报警门槛a_th.1，即式(3)不成立，则进入步骤④；

a_op.n(t)-a_th.1≥0 (3)

④判断动作加速度a_op.n(t)与准过振预警门槛a_th.2的大小，若a_op.n(t)大于等于准过振预警门槛a_th.2，即式(4)成立，则发出变压器准过振预警，进入步骤⑤；若a_op.n(t)小于准过振预警门槛a_th.2，即式(4)不成立，则显示变压器本体振动正常；

a_op.n(t)-a_th.2≥0 (4)

⑤存储测量得到的加速度数据，并将加速度数据通信至总站；

⑥在运行状态下进行自检，若发现装置故障则发出告警信号并闭锁整个装置，等待技术人员排除故障、人工复位；若未发现装置故障，返回步骤①，重新读取下一时刻加速度a_ms.n(t+1)。

2.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，步骤②中，预设启动门槛a_st设定为2.5g。

3.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，步骤③中，数据窗长度T为1×10^-3s，过振报警门槛a_th.1为20g；

步骤④中，准过振预警门槛a_th.2为10g。

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