CN111257678B - 一种变压器运行状态监测终端及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变压器运行状态监测终端，包括：用于判断变压器当前运行状态的核心运算模块，变压器运行数据采集模块通过A/D转换模块与核心运算模块电连接，数据存储模块与与核心运算模块电连接，通讯模块通过继电器与核心运算模块电连接、并与上位机无线连接，数据存储模块与上位机实现数据交互。本发明实现了对于中大型变压器运行状态数据的自动监测，监测数据完整、准确，数据内容专门针对现场检修人员服务，具有侧重点，解决了人工检修时获取数据困难、数据获取不准等问题，同时解决了数据获取时存在的变压器运行数据保密性的相关要求。

Description

一种变压器运行状态监测终端及监测方法

技术领域

本发明属于变压器运行状态监测技术领域，具体涉及到一种变压器运行状态监测终端及监测方法。

背景技术

变压器作为电网的枢纽，其安全运行一直是关系民生的重要部分。当变压器运行出现问题时，抢修的效率以及正常检修时花费的时间，都极大地影响电网的坚强性和可靠性。

随着用电量的大幅度上升且很多设备对供电质量的要求越来越高，这就要求故障检修的速度一定要进一步提高。而目前对变压器检修时，往往是有经验的检修人员采用放空变压器油后进入内部进行检查，甚至必要时需要拉回生产厂家进行检修，整个过程纯靠人工监测，不仅时间长、工作量大，还容易出现检查遗漏等问题。

因此，现有的变压器监测数据的采集，并不能完全反映出变压器的真实运行情况。目前各国采用远程云端设计实时监控变压器运行状态，出于数据保密以及考虑安全问题，变压器的运行数据是不能通过远程传输的。以往一般通过光纤等方式传输至就近的后台用于监控，且变电站运营公司关注的运行数据与检修人员关注的数据侧重点不同，双方存在信息不共享、不同步的问题，变压器对运维检修带来了极大的不便利。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种变压器运行状态监测终端及监测方法，一方面针对检修人员需要的各类运行数据进行就地存储，另一方面在变压器运行出现问题时向检修人员发送相应警报，让问题处理更加及时、问题解决更加快速。此监测终端充分考虑到数据保密的要求，从根本上解决了数据保密与检修的需求之间的矛盾。本发明所采用的技术方案如下：

一种变压器运行状态监测终端，包括：用于判断变压器当前运行状态的核心运算模块，变压器运行数据采集模块通过A/D转换模块与核心运算模块电连接，数据存储模块与与核心运算模块电连接，通讯模块通过继电器与核心运算模块电连接。设置远端上位机，通讯模块与上位机无线连接，数据存储模块与上位机实现数据交互。所述的变压器运行数据采集模块与不同的传感器接口适配，用于采集变压器运行状态下的电压、电流、频率、负荷、油温、绕组温度、开关挡位等模拟量信号，并通过A/D转换模块转换为数字信号、输入到核心运算模块中。所述的核心运算模块用于实现判断变压器当前运行状态，是否过负荷、是否故障以及监测终端自检等功能。当变压器运行异常和监测终端出现故障时，通讯模块通过无线方式将报警信息发送到远端上位机。

一种变压器运行状态监测方法，包括以下步骤：

步骤1、变压器运行数据采集模块采集数据；

步骤2、核心运算模块判断采集的数据是否异常，如果否、将数据发送至数据存储模块进行存储，如果是，转下一步；

步骤3、核心运算模块控制数据采集模块提高采集频率、继续采集数据，并将数据发送至数据存储模块进行存储；

步骤4、核心运算模块判断是否误报故障或者是否短时过载，如果是、转步骤2，如果否、转下一步；

步骤5、核心运算模块判断变压器故障类型，触发相应继电器；

步骤6、通讯模块通过无线方式将报警信息传输至远程后台。

与现有技术相比本发明有益效果：

本发明实现了对于中大型变压器运行状态数据的自动监测，在设备运行时实时监测设备参数，可以为现场运维检修人员提供最准确的变压器运行数据，提高检修效率；监测数据完整、准确，数据内容专门针对现场检修人员服务，具有侧重点，解决了人工检修时获取数据困难、数据获取不准等问题，同时解决了数据获取时存在的变压器运行数据保密性的相关要求，该监测终端适用于保密要求较高、但又需要对相关数据进行监测的电气设备中。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的具体实施方式、或者现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术的描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些具体实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的属于本申请保护范围之内的附图。

图1是本发明实施例的监测终端系统框架示意图；

图2是本发明实施例的变压器监测工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图1所示，是本发明实施例的监测终端系统框架示意图。一种变压器运行状态监测终端，包括变压器运行数据采集模块，数据采集模块可通过变压器采样电路实现，用于采集变压器运行状态下的负荷、绕组温度、顶层油温、有载开关切换次数等信号。采样电路根据变压器需要监测的运行状态进行设计，目前通常需要监测的变压器运行数据包括：变压器的负荷曲线，该信号取自B相套管绕组温度计用的CT，为0-2A CT端子接口。变压器的绕组温度和油面温度监测采用4-20mA接口，开关挡位和开关动作次数采用BCD码接口。采集信号由各传感器引线到采样电路端子箱处，采样电路采用防雷设计以保证变压器在恶劣的工作环境下的正常运作。优选的，数据采集模块采用冗余设计，两路采集同一个信号，方便判断数据采集模块的状态，当出现两路信号差距过大或者为常见电容击穿后数据采集模块读数会为一个固定值，则认为数据采集模块出现损坏。数据采集模块的电源采用线性电源，数据采集模块内部采用差分信号，增强系统抗电磁干扰的能力，减小采集噪声。

变压器运行数据采集模块的接口，根据变压器传感器接口进行配套选取，同时考虑经济性与通用性，优选的输入接口包括但不限于：1路CT输入接口、两路PT100输入接口、6路4-20mA输入接口、1路485通讯接口、SD卡存储接口，其中4-20mA信号接口为有源接口，其他接口采用无源节点输入。采集的所有变压器运行状态信号，通过A/D模块转换为数字量传输到核心运算模块中。

核心运算模块以第一ARM微控制器为核心，用于变压器运行状态采集信号的数据处理，判断变压器当前运行状态、是否过负荷、是否故障以及监测终端自检等功能。核心运算模块对采集数据进行处理，并通过算法判断是否超过工作阈值、是短时过电压还是变压器本体存在故障，并将采集的数据发送至数据存储模块进行存储，在变压器正常工作时存储频率为每2分钟一次，当出现异常时采集频率与存储频率为10ms。

数据存储模块与核心运算模块电连接，采用外挂式存储，用于存储变压器运行监测数据。数据存储模块存储能力需要保证超过一年的数据存储量，并且自动将之前的数据清除。为保证数据存储读取的便利性以及监测终端的小巧性，采用SD卡存储的方式，方便现场检修人员就地读取有效数据。存储在SD卡中的数据可以通过上位机程序传输到PC远端，上位机程序具有监控温度报警，将SD卡数据存储在Mysql数据库中，并可以转换为固定格式的word表格等功能；并将相应的数据上传到数据中心中，用于二次开发。

核心运算模块单独使用4路I/O接口与继电器相连，继电器另一端与通讯模块相连。GPRS无线模块设计在单独的通讯板上，不与所述核心运算模块直接相连，采用继电器进行物理上隔离可以防止数据的泄露；但同时保证变压器和监测终端故障出现时，通过GPRS无线模块将报警信息发送到远端云平台或上位机的功能，同时实现远程控制该监测终端开启和关闭的功能。

核心运算模块，实现数据处理、故障判断和数据暂存的功能。当数据不存在异常时，考虑到SD卡可读写次数有限，故将采样数据的值和采样时间在第一ARM微处理器flash中暂时存储一天的数据，之后一次性写入到SD卡中，从而保证SD卡的使用寿命。优选的，核心运算模块包括SD卡接口。

当变压器出现故障或者数据采集模块出现问题时，核心运算模块会根据不同的故障类型将对应的I/O口电平拉高，从而触发继电器闭合。之所以采用继电器连接在核心运算模块与通讯模块之间，是因为继电器的开关速度远低于通讯速度，所以即使将对应的I/O口设置为通讯接口，仍然无法进行通讯，从而在物理层面杜绝了核心运算模块内的变压器运行状态数据的泄露。I/O接口的电平与变压器故障状态有关，例如0000为正常工作状态，0001为数据采集模块故障等，该设计在保证变压器运行数据不外泄的情况下、保证了监测终端与操作人员的交互性。

通讯模块包括独立的处理器，采用GPRS与远程服务器通讯，变压器正常运行时通讯模块处于静默状态，通讯模块根据继电器的开关状态判断是否向后台发送报警信号，根据不同的继电器触发组合可以判断不同的变压器故障类型，假设有n个继电器，则可以判断2^n-1种故障类型。通讯模块中有单独的控制模块和存储模块，存储变压器的主要信息，例如变压器的型号，主要部件等固定信息，这些信息需随报警信息一同发送到后台，当后台收到一定的故障报警后检修人员可以提醒变电站工作人员进行及时的变压器检修，提前排除故障。优选的，通讯模块包括GPRS模块、天线、第二ARM微控制器，第二ARM微控制器I/O接口通过继电器与核心运算模块的I/O口相连，采用BCD编码形式记录报警类型，第二ARM微控制器与GPRS模块直连。

优选的，核心运算模块与通讯模块之间的通讯编码包括但不限于传感器故障类型、变压器故障类型、控制指令类型，一共支持256种指令类型，所有指令查询表分别存储在核心运算模块与通讯模块中。

由于不将数据传输到后台，所以对数据采集的精确程度和正确程度需要一定的判断，尽量防止出现误报情况以及数据采集模块损坏的情况，并在数据采集模块损坏时及时向后台提醒。故在数据采集模块设计时，针对电容击穿等常见故障数据采集模块读数会锁死在固定值，则针对数据采集模块常见故障可以根据核心处理模块一段时间采集到的数值进行判断。同时监测终端需与变压器一起进行雷电冲击试验和短时过电压试验等例行和型式试验，保证设备的数据采集模块在试验后仍可以正确的采集变压器运行数据；并对采集的数据通过核心处理模块的故障预测算法判断数据的准确性，对于单相变压器，通过三相负载平衡的原则辅助判断采集数据的正确性。

为了保证足够的绝缘强度，所以在监测终端外壳设计时采用封闭的塑料机壳，采用U型轨道安装方式，将监测终端安装在端子箱的导轨槽中，通过端子箱接地一定程度上减少浪涌电压。

如图2所示，是本发明实施例的变压器监测工作流程图。一种变压器运行状态监测方法，包括以下步骤：

步骤1、变压器运行数据采集模块采集数据；

步骤2、核心运算模块判断采集的数据是否异常，如果否、将数据发送至数据存储模块进行存储，如果是，转下一步；

步骤3、核心运算模块控制数据采集模块提高采集频率、继续采集数据，并将数据发送至数据存储模块进行存储；

步骤4、核心运算模块判断是否误报故障或者是否短时过载，如果是、转步骤2，如果否、转下一步；

步骤5、核心运算模块判断变压器故障类型，触发相应继电器；

步骤6、通讯模块通过无线方式将报警信息传输至远程后台。

当发现数据存在异常时，首先通过核心运算模块发送指令，提高数据采集模块的采样频率，同时根据之后采样的数据判断是暂时性的波动还是存在传感器发生故障，如果只是暂时性的波动则恢复到原本的采样频率，并记录下本次波动；如果是传感器发生了故障，则直接通过BCD码通知通讯模块数据采集模块存在问题，通讯模块向后台发送信息通知运维人员传感器或者数据采集模块存在故障、及时进行更换。

如果既不是暂时性的波动也不是数据采集模块故障，则认为是变压器出现故障，根据存储在核心运算模块中的故障类型进行匹配，根据预先设置好的故障类型的BCD编码通知通讯模块，通讯模块根据自己的工作时钟向远端后台发送故障信息、故障发生时间和变压器基本信息，并且可以接收来自于上位机的控制指令。上位机的控制指令发送到通讯模块，通过通讯模块的控制器处理后拉高对应I/O口，使得对应继电器开关打开，从而控制监测终端的工作状态。

与变压器在线监测系统不同，该监测终端不用来对局部放电、油中微水含量、铁芯接地电流以及局部放电量来进行实时测量监测，这些数据对于变压器是否正在正常运行具有非常重要的意义，对变电站调度员的决策具有重要意义，但对于检修人员来说这些数据并不足以帮助检修人员明确故障点。而检修人员需要得到的数据并不能直接反应变压器运行状态，不适合采用在线监测系统接入后台，且正常运行时数据到故障出现时整个的变化过程数据也具有重要意义，所以需要对整个过程数据进行存储。

变压器负荷曲线是检修人员判断变压器故障原因的一大要素，长时间过载或者过载负荷过大都会导致变压器不可逆的应力破坏。但短时间的过载运行并不会对变压器造成损伤，有经验的检修人员会根据过载时间、过载强度和故障状态大体判断故障原因，有利于故障点的排查。而对于变电站操作人员该数据并没有什么价值。

油面温度和绕组温度往往无法直接反应变压器运行状态，因为变压器油作为散热的主体，它的变化具有滞后性，无法满足电网对于故障出现后及时响应的要求，但油面温度的变化与绕组温度变化对于检修人员判断过热、短路、局放等问题具有极大的参考价值。

有载开关档位和开关次数会影响有载开关单独油箱内油的品质，因为每次开关切换都会造成短暂的局部放电，会导致油分解释放出乙炔等气体，所以过去检修时都需要对有载开关部分进行单独的检查，看看是否需要换油等，而通过对开关次数的统计可以提前知晓有载开关是否需要进行检修，而对于变电站运行人员对于开关次数这种无法反应变压器运行状态的数据是不需要的。

采样频率根据需求改变，当数据正常时，采样频率为十到十五分钟，当数据出现异常时，采集频率提高到微秒级别，尽量将整个异常数据完整记录下来。

最后需要说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此。本领域技术人员应该理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种变压器运行状态监测终端，其特征在于，包括：用于判断变压器当前运行状态的核心运算模块，变压器运行数据采集模块通过A/D转换模块与核心运算模块电连接，数据存储模块与核心运算模块电连接，通讯模块通过继电器与核心运算模块电连接；

所述的核心运算模块以第一ARM微控制器为核心，用于变压器运行状态采集信号的数据处理，判断变压器当前运行状态、是否过负荷、是否故障以及监测终端自检，核心运算模块对采集数据进行处理，并通过算法判断是否超过工作阈值、是短时过电压还是变压器本体存在故障，并将采集的数据发送至数据存储模块进行存储，在变压器正常工作时存储频率为每2分钟一次，当出现异常时采集频率与存储频率为10ms；核心运算模块单独使用4路I/O接口与继电器相连，继电器另一端与通讯模块相连，GPRS无线模块设计在单独的通讯板上，不与所述核心运算模块直接相连，当变压器出现故障或者数据采集模块出现问题时，核心运算模块根据不同的故障类型将对应的I/O口电平拉高，从而触发继电器闭合，I/O接口的电平与变压器故障状态有关；当数据不存在异常时，将采样数据的值和采样时间在第一ARM微处理器flash中暂时存储一天的数据，之后一次性写入到SD卡中；

所述的通讯模块包括：GPRS模块、天线、第二ARM微控制器，第二ARM微控制器I/O接口通过继电器与核心运算模块的I/O口相连，采用BCD编码形式记录报警类型，ARM微控制器与GPRS模块直连。

2.根据权利要求1所述的一种变压器运行状态监测终端，其特征在于，通讯模块与上位机无线连接，数据存储模块与上位机实现数据交互。

3.根据权利要求1所述的一种变压器运行状态监测终端，其特征在于，所述的数据采集模块用于采集变压器运行状态下的负荷、绕组温度、顶层油温、有载开关切换次数，变压器负荷信号取自B相套管绕组温度计用的CT、为0-2A CT端子接口，变压器的绕组温度和油面温度监测采用4-20mA接口，开关挡位和开关动作次数采用BCD码接口。

4.根据权利要求3所述的一种变压器运行状态监测终端，其特征在于，所述的数据采集模块采用冗余设计，两路采集同一个信号。

5.根据权利要求4所述的一种变压器运行状态监测终端，其特征在于，所述的数据采集模块的输入接口包括但不限于：1路CT输入接口、两路PT100输入接口、6路4-20mA输入接口、1路485通讯接口、SD卡存储接口。

6.根据权利要求1所述的一种变压器运行状态监测终端，其特征在于，所述的数据存储模块采用SD卡存储。

7.根据权利要求1－6任一项所述的一种变压器运行状态监测终端，其特征在于，核心运算模块与通讯模块之间的通讯编码包括但不限于：传感器故障类型、变压器故障类型、控制指令类型。

8.一种变压器运行状态监测方法，其特征在于，应用如权利要求7所述的一种变压器运行状态监测终端，包括以下步骤：

步骤1、变压器运行数据采集模块采集数据；

步骤2、核心运算模块判断采集的数据是否异常，如果否、将数据发送至数据存储模块进行存储，如果是，转下一步；

步骤3、核心运算模块控制数据采集模块提高采集频率、继续采集数据，并将数据发送至数据存储模块进行存储；

步骤4、核心运算模块判断是否误报故障或者是否短时过载，如果是、转步骤2，如果否、转下一步；

步骤5、核心运算模块判断变压器故障类型，触发相应继电器；

步骤6、通讯模块通过无线方式将报警信息传输至远程后台。

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