CN110231523B - 一种油浸式电力变压器瓦斯保护故障录波装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种油浸式电力变压器瓦斯保护故障录波装置及方法，包括：瞬态油流特征量测量模块、瓦斯继电器开关量输入模块、信号调理与采集模块以及数字核心处理模块；其中，瞬态油流特征量测量模块与信号调理与采集模块，信号调理与采集模块与瓦斯继电器开关量输入模块均与数字核心处理模块相连；本发明基于录波原理及功能要求对装置进行控制，完成对被测变压器油枕连接管内部油流流速与瓦斯继电器动作信息的测量、运算、记录、通信等操作，实现在故障或扰动情况下的变压器暂态油流涌动特征以及瓦斯保护动作情况的故障录波功能。本发明具有构成简单、易于实现、可靠高效等优点，为变压器运行人员获取故障油流特征、分析事故原因、提出相应的反事故措施提供录波数据。

Description

一种油浸式电力变压器瓦斯保护故障录波装置及方法

技术领域

本发明属于电力系统领域，涉及一种油浸式电力变压器瓦斯保护故障录波装置及方法，用于测量、记录油浸式电力变压器在故障或扰动状态下的暂态油流涌动特征以及瓦斯保护动作情况。

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、安全使用的重要前提。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，无论发生保护拒动或是误动，都将严重影响电力系统的安全稳定运行。变压器内部故障过程伴随有三个主要特征：相电流增加、差电流增加以及故障气体的产生。针对这三个显著特征，继电保护工作者们设计了过电流保护、差动保护以及瓦斯保护等。长期以来，瓦斯保护安装在变压器主油箱与油枕之间的连接管上，以感应由于故障气体产生而出现的绝缘油动态涌动，通过油流流速特征差异来甄别变压器油箱内部各种轻微故障。但由于存在理论建模困难、原理性缺陷、凭经验取门槛值以及机械结构动作性能不足等问题，广泛使用的瓦斯保护越来越难以满足当前大容量、高电压等级电力变压器的更高要求。因误动事故引起的系统停电、变压器爆炸事故时有发生，严重影响到电力系统的安全、可靠运行。

根据南方电网运行事故统计，仅在2011年～2014年的4年时间里，南方电网范围内就发生了8起500kV变压器重瓦斯保护因外部短路发生误动作跳闸事故。在这8起瓦斯保护误动事故中，尤其以发生在2014年4月11日东莞横沥站的重瓦斯保护误动事故最为严重。该站500kV主变重瓦斯保护误动事故共损失负荷604MW，占东莞市总负荷9.44％，损失用电客户203850户，占东莞市总客户9.6％，失压重要用户2个。事故严重影响电网安全稳定运行，造成重大经济损失。由于现场并未安装瓦斯保护故障录波器或类似的油流流速特征记录装置，时至今日，重瓦斯保护误动原因的依旧不明。运行人员只能人为延迟重瓦斯保护动作时间至1s，该策略虽然减低了瓦斯保护在外部短路故障条件下的误动风险，但是一旦发生内部故障，瓦斯保护将因无法及时、可靠动作而失去作用。因此，迫切需要针对瓦斯保护配备相应的数字式故障录波设备，以实现对故障油流特征的实时采集与记录分析，查明瓦斯保护误动原因，提出相应反事故措施。

智能电网是我国电网发展的方向,通过数字化信息网络系统将能源资源开发、输送、转换、输电、以及蓄能与能源终端用户的各种电气设备和其它用能设施连接在一起,通过智能化控制实现精确供能、对应供能、互助供能和互补供能,将能源利用效率和能源供应安全提高到全新的水平。实现智能电网的重要前提是电力生产中相关数据采集和信息集成和共享,数字化变电站正符合智能电网所要求达到的标准。在数字化变电站中，数字化录波器在信息收集环节起着重要作用。

故障录波器是用来记录电力系统中电气量和非电气量以及开关量的自动记录装置。通过记录和监视系统中模拟量和开关量来对系统中发生的故障和异常等事件生成故障特征波形，储存并发送至远方主站，通过对波形进行分析和计算，从而对故障类型、故障发生原因、故障严重程度等进行准确地判断。随着电力系统网络的复杂化、扩大化和区域网互联趋势的到来，电力系统的行为将会越来越复杂，丰富详尽的现场实测数据尤其是故障或非正常运行下的录波数据，无疑将具有越来越重要的价值。它们不仅是分析故障原因、检验继电保护动作行为的依据,也为电力工作者研究了解复杂系统的真实行为、发现其规律提供了宝贵资料。

80年代中期以来，伴随着计算机技术、通信技术、数字处理技术的飞速发展，微机型故障录波器已完全取代了早期的光电式录波器，成为电网故障信息记录的助理，在许多重大事故的调查和分析中发挥着重要的作用。但由于尚未出现针对电力变压器故障或扰动条件下暂态油流涌动特征与瓦斯继电器动作信号综合录波装置，业界针对瓦斯继电器非正确动作机理及其反事故措施的研究举步维艰。

发明内容

本发明的目的是提供一种油浸式电力变压器瓦斯保护故障录波装置及方法，该装置的应用能够准确测量、记录油浸式电力变压器故障或扰动状态下的暂态油流涌动特征以及瓦斯保护动作情况。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种油浸式电力变压器瓦斯保护故障录波装置，包括：瞬态油流特征量测量模块、瓦斯继电器开关量输入模块、信号调理与采集模块以及数字核心处理模块；其中，瞬态油流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瓦斯继电器开关量输入模块均与数字核心处理模块相连；

瞬态油流特征量测量模块用于实时测量变压器油枕连接管内部瞬态油流变化特征，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油流特征量测量模块输出的模拟量信号，并将其转换为数字核心处理模块能够识别的标准数字信号，再输出标准数字信号；

瓦斯继电器开关量输入模块与瓦斯继电器信号端子相连，用于接收瓦斯继电器发出的轻、重瓦斯报警或跳闸开关量信号，并输出数字信号；

数字核心处理模块用于接收信号调理与采集模块输出的标准数字信号以及瓦斯继电器开关量输入模块输出的数字信号，并进行数字信号处理，实现对被测变压器瞬态油流信号、瓦斯保护开关量信号的运算及故障录波。

本发明进一步的改进在于，瞬态油流特征量测量模块由外捆式高频超声波流量计、流量计变送器以及通信线缆组成，外捆式高频超声波流量计安装在变压器油枕连接管上，外捆式高频超声波流量计与流量计变送器相连，流量计变送器与通信线缆相连。

本发明进一步的改进在于，外捆式高频超声波流量计的测量频率为100Hz以上，测量误差小于1％，工作温度为-30～80℃，流速量程为-20～20m/s。

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，模数A/D转换电路与数字核心处理模块相连；接线端子与通信线缆相连。

本发明进一步的改进在于，数字核心处理模块由总线、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组成；总线包括数据总线、地址总线以及控制总线，实现数据交换和操作控制；中央处理器利用单片微处理器、通用微处理器或数字信号处理器实现数字信号处理；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；只读存储器用于保存数据；控制电路通过复杂可编程逻辑器件或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，还包括与数字核心处理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；

数据存储模块用于存储故障录波数据；

人机对话模块用于建立故障录波装置与使用者之间的信息联系，以便运行人员对录波装置的人工操作、调试以及得到信息反馈；

数据通信接口模块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。

本发明进一步的改进在于，数据存储模块由闪存存储器、SD卡以及U盘组成；闪存存储器作为录波数据的主存储器使用，SD卡作为备份存储器，U盘作为数据的导出存储器；

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。

基于上所述的油浸式电力变压器瓦斯保护故障录波装置的录波方法，包括如下步骤：

(1)瞬态油流特征量测量模块实时测量变压器油枕连接管内部瞬态油流变化特征，并输出模拟电压/电流信号；

信号调理与采集模块接收瞬态油流特征量测量模块输出的模拟量信号，并将其转换为数字核心处理模块能够识别的标准数字信号，再输出标准数字信号；

瓦斯继电器开关量输入模块接收瓦斯继电器发出的轻、重瓦斯报警或跳闸开关量信号，并输出数字信号；

(2)数字核心处理模块接收信号调理与采集模块输出的标准数字信号以及瓦斯继电器开关量输入模块输出的数字信号，判断当前瓦斯继电器轻瓦斯动作开关量信号S_q(t)以及瓦斯继电器重瓦斯动作开关量信号S_z(t)是否置1，若置1进入步骤(6)，否则进入步骤(3)；

(3)判断当前油流流速v(t)与重瓦斯保护门槛值v_set的大小，若v(t)-v_set≥0时，进入步骤(6)，否则进入步骤(4)；

(4)判断当前是否收到网络远程启动指令，若收到进入步骤(6)，否则进入步骤(5)；

(5)判断当前是否收到人工自启动指令，若收到进入步骤(6)，否则进入步骤(8)；

(6)进入故障录波运行状态，并依次记录故障前、故障中、故障后油流特征数据以及瓦斯继电器轻瓦斯动作开关量信号S_q(t)以及瓦斯继电器重瓦斯动作开关量信号S_z(t)；

(7)依次判断故障前、故障中、故障后的录波数据是否存满，若已存满进入步骤(8)；否则，继续存储录波数据；

(8)执行通信任务处理和人机对话处理；

(9)判别故障录波装置当前的工作方式，若处于调试方式执行调试任务处理，否则进入步骤(10)；

(10)执行运行自检，对运行状态下的录波装置进行检测，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；否则，返回步骤(1)。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明通过对瞬态油流特征量测量模块、瓦斯继电器开关量输入模块、信号调理与采集模块、数字核心处理模块之间的物理连接及相互配合，用于准确测量、记录油浸式电力变压器故障或扰动状态下的暂态油流涌动特征以及瓦斯保护动作情况，填补国内外在该领域的技术空白，为分析变压器故障、非正常运行条件下重瓦斯油流涌动特征，查明瓦斯保护误动原因并提出相应反事故措施，提供重要数据来源及参考依据。

进一步的，本发明通过采用高频超声波流量计，在不破坏变压器现有结构完整性的前提下实现对油枕连接管内部油流进行实时测量。高频超声波流量计独立于电力网络，油流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、油流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。

进一步的，本发明通过采用测量频率为100Hz以上，测量误差小于1％，工作温度为-30～80℃，流速量程为-20～20m/s的流量计进行测量，外捆式高频超声波流量计可以在不破坏变压器油枕连接管结构完整性的前提下实现对油流流速的实时测量，同时，无论从精度还是使用范围高频超声波流量计都能满足电力变压器本体高温、强电磁环境要求。

本发明按照录波原理及功能要求对装置进行控制，完成对被测变压器油流与瓦斯继电器动作信息的测量、运算、记录、通信等操作，实现在故障或扰动情况下的变压器暂态油流涌动特征以及瓦斯保护动作情况的故障录波功能。本发明具有构成简单、易于实现、可靠高效等优点，发明装置的应用为变压器运行人员获取故障油流数据、分析事故原因、提出相应的反事故措施提供软硬件平台。

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为油浸式电力变压器瓦斯保护故障录波装置现场试验油流速的录波结果。

图4为油浸式电力变压器瓦斯保护故障录波装置现场试验瓦斯保护动作信号的录波结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

参见图1，一种油浸式电力变压器瓦斯保护故障录波装置，包括：瞬态油流特征量测量模块、瓦斯继电器开关量输入模块、信号调理与采集模块、数字核心处理模块、数据存储模块、人机对话模块以及数据通信接口模块。其中，瞬态油流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、瓦斯继电器开关量输入模块、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核心处理模块相连；

瞬态油流特征量测量模块由外捆式高频超声波流量计、流量计变送器以及通信线缆组成，外捆式高频超声波流量计安装在变压器油枕连接管上，外捆式高频超声波流量计与流量计变送器相连，流量计变送器与通信线缆相连。瞬态油流特征量测量模块用于输出模拟量信号，具体的，瞬态油流特征量测量模块用于实时高速测量变压器油枕连接管内部瞬态油流变化特征，并输出与之相对应的模拟电压/电流信号。为确保对变压器油流的准确、实时获取，高频超声波流量计的测量频率需达到100Hz以上，测量误差需小于1％，工作温度需达到-30～80℃，流速量程需达到-20～20m/s。

瓦斯继电器开关量输入模块与瓦斯继电器信号端子相连，接收瓦斯继电器发出的轻、重瓦斯报警或跳闸开关量信号，并通过光电隔离电路输出数字信号。

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，用于接收瞬态油流特征量测量模块得到的模拟量信号，并将其转换为数字核心处理模块能够识别的标准数字信号。其中，接线端子与信号调理电路相连，信号调理电路与低通滤波器相连，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，模数A/D转换电路与数字核心处理模块相连；接线端子与通信线缆相连。

数字核心处理模块用于接收信号调理与采集模块输出的标准数字信号以及瓦斯继电器开关量输入模块输出的数字信号，并进行数字信号处理，实现对被测变压器瞬态油流信号、瓦斯保护开关量信号的运算及故障录波。

数据存储模块由闪存存储器(Flash Memory)、SD卡以及U盘组成。闪存存储器作为录波数据的主存储器使用，SD卡作为备份存储器，U盘作为数据的导出存储器。

数字核心处理模块由总线、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。总线包括数据总线、地址总线以及控制总线，实现数据交换和操作控制等。中央处理器(CPU)是数字核心处理模块的指挥中枢，可以利用单片微处理器、通用微处理器或数字信号处理器(DSP)等器件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。控制电路可以通过复杂可编程逻辑器件(CPLD)或现场可编程门阵列(FPGA)等实现整个数字电路的有效连接和协调工作。

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。人机对话模块用于建立故障录波装置与使用者之间的信息联系，以便运行人员对录波装置的人工操作、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，基于上述油浸式电力变压器瓦斯保护故障录波装置的使用方法，按照录波原理及功能要求对录波装置进行控制，完成对被测变压器油流与瓦斯继电器动作信息的测量、运算、记录、通信等操作。具体包括以下步骤：

(1)故障录波装置在合上电源(简称上电)或硬件复位(简称复位)后，首先执行初始化，使整个录波装置处于正常工作状态；

(2)执行上电后的全面自检，对自身录波装置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；若通过自检，进入步骤(3)；

(3)执行数据采集初始化，对循环保存采样数据的存储区进行地址分配，设置标志当前最新数据的动态地址指针；

(4)瞬态油流特征量测量模块实时高速测量变压器油枕连接管内部瞬态油流变化特征，即当前t时刻下瞬态油流流速v(t)，并输出模拟电压/电流信号；

信号调理与采集模块接收瞬态油流特征量测量模块输出的模拟量信号，并将其转换为数字核心处理模块能够识别的标准数字信号，再输出标准数字信号；

瓦斯继电器开关量输入模块接收瓦斯继电器发出的轻、重瓦斯报警或跳闸开关量信号，并输出数字信号；

(5)数字核心处理模块接收信号调理与采集模块输出的标准数字信号以及瓦斯继电器开关量输入模块输出的数字信号，判断当前瓦斯继电器轻瓦斯动作开关量信号S_q(t)以及瓦斯继电器重瓦斯动作开关量信号S_z(t)是否置1，若置1进入步骤(9)，否则进入步骤(6)；

(6)判断当前油流流速v(t)与重瓦斯保护门槛值v_set的大小，若v(t)-v_set≥0时，进入步骤(9)，否则进入步骤(7)；

(7)判断当前是否收到网络远程启动指令，若收到进入步骤(9)，否则进入步骤(8)；

(8)判断当前是否收到人工自启动指令，若收到进入步骤(9)，否则进入步骤(11)；

(9)进入故障录波运行状态，并依次记录故障前(A时段)、故障中(B时段)、故障后(C时段)油流特征数据以及瓦斯保护开关量信号(瓦斯继电器轻瓦斯动作开关量信号S_q(t)以及瓦斯继电器重瓦斯动作开关量信号S_z(t))；

(10)依次判断A时段、B时段、C时段的录波数据是否存满，若已存满进入步骤(11)；否则，继续存储录波数据；

(11)执行通信任务处理和人机对话处理，为信息发送和接收进行数据准备，按照键盘、按钮操作进行相应的任务处理；

(12)判别故障录波装置当前的工作方式，即处于调试方式还是运行方式，若处于调试方式执行调试任务处理，否则进入步骤(13)；

(13)执行运行自检，对运行状态下的录波装置进行检测，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；否则，返回步骤(3)。

本发明由瞬态油流特征量测量模块、瓦斯继电器开关量输入模块、信号调理与采集模块、数字核心处理模块、数据存储模块、人机对话模块以及数据通信接口模块组成；按照录波原理及功能要求对装置进行控制，完成对被测变压器油流与瓦斯继电器动作信息的测量、运算、记录、通信等操作，实现在故障或扰动情况下的变压器暂态油流涌动特征以及瓦斯保护动作情况的故障录波功能。本发明具有构成简单、易于实现、可靠高效等优点，发明装置的应用为变压器运行人员获取故障油流数据、分析事故原因、提出反事故措施提供软硬件平台。

本发明通过外捆式高频超声波流量计在不破坏变压器现有结构完整性的前提下实现对油枕连接管内部油流进行实时测量。高频超声波流量计独立于电力网络，油流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、油流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。进一步的，本发明采用测量频率为100Hz以上，测量误差小于1％，工作温度为-30～80℃，流速量程为-20～20m/s的外捆式高频超声波流量计，外捆式高频超声波流量计无论从精度还是使用范围都能满足电力变压器内部高温、油污、强电磁环境要求。

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。当在t＝0ms时，试验设定变压器突发内部电弧短路故障，由于故障能量的注入，故障气体产生导致油枕连接管内部绝缘油发生定向流动，本发明装置启动进行瓦斯保护故障油流流速录波。如图3和图4所示，本故障录波装置记录了短路故障前100ms及故障后500ms流经瓦斯继电器的油流流速数据及瓦斯继电器动作信号。现场测试结果表明：本发明装置能够对被测变压器油枕连接管内部油流流速与瓦斯继电器动作信息的测量、记录、通信等操作，实现在故障或扰动情况下的变压器暂态油流涌动特征以及瓦斯保护动作情况的故障录波功能。为变压器运行人员获取故障油流特征、分析事故原因、提出相应的反事故措施提供录波数据。

表1SFSZ8-40000/110型变压器主要几何结构及铭牌参数

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 (1)

1.一种油浸式电力变压器瓦斯保护故障录波装置的录波方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)瞬态油流特征量测量模块实时测量变压器油枕连接管内部瞬态油流变化特征，并输出模拟电压/电流信号；

信号调理与采集模块接收瞬态油流特征量测量模块输出的模拟量信号，并将其转换为数字核心处理模块能够识别的标准数字信号，再输出标准数字信号；

瓦斯继电器开关量输入模块接收瓦斯继电器发出的轻、重瓦斯报警或跳闸开关量信号，并输出数字信号；

(2)数字核心处理模块接收信号调理与采集模块输出的标准数字信号以及瓦斯继电器开关量输入模块输出的数字信号，判断当前瓦斯继电器轻瓦斯动作开关量信号S_q(t)以及瓦斯继电器重瓦斯动作开关量信号S_z(t)是否置1，若置1进入步骤(6)，否则进入步骤(3)；

(3)判断当前油流流速v(t)与重瓦斯保护门槛值v_set的大小，若v(t)-v_set≥0时，进入步骤(6)，否则进入步骤(4)；

(4)判断当前是否收到网络远程启动指令，若收到进入步骤(6)，否则进入步骤(5)；

(5)判断当前是否收到人工自启动指令，若收到进入步骤(6)，否则进入步骤(8)；

(6)进入故障录波运行状态，并依次记录故障前、故障中、故障后油流特征数据以及瓦斯继电器轻瓦斯动作开关量信号S_q(t)以及瓦斯继电器重瓦斯动作开关量信号S_z(t)；

(7)依次判断故障前、故障中、故障后的录波数据是否存满，若已存满进入步骤(8)；否则，继续存储录波数据；

(8)执行通信任务处理和人机对话处理；

(9)判别故障录波装置当前的工作方式，若处于调试方式执行调试任务处理，否则进入步骤(10)；

(10)执行运行自检，对运行状态下的录波装置进行检测，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；否则，返回步骤(1)。

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