CN112880740A - 变压器运行状态在线监测系统及其多参量智能传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种变压器运行状态在线监测系统及其多参量智能传感器，其中，多种类传感器模块通过A/D采集模块与MCU控制模块连接，供电模块与MCU控制模块连接；A/D采集模块将多种类传感器及其调理电路单元获取的数据进行模数转换，并发送至MCU控制模块；供电模块为多种类传感器模块、A/D采集模块和MCU控制模块供电；多参量智能传感器的底部还安装有磁铁。本发明能够实现多参量检测，更易于故障的分析和判断；免除现场布置电源线和网络通信数据线的工程施工，加快了工期，也降低了施工成本；在线监测降低了人力物力支出，节省成本。

Description

变压器运行状态在线监测系统及其多参量智能传感器

技术领域

本发明涉及电力与通讯技术领域，具体地，涉及一种可以应用于电力、石化、铁路行业高压变压器设备故障在线检测的变压器运行状态在线监测系统及其多参量智能传感器。

背景技术

伴随着国家经济发展，电网的发展也是发展迅速，对电网的安全稳定供电提出了越来越高的要求。电网设备的运行状态对电网的可靠性影响巨大，特别是变压器高压设备，一旦出现故障，往往会造成巨大的经济损失和社会影响，因此，提高电力设备的运行可靠性具有重要意义。

电力行业传统设备安全检测大多采用人工定期检测的方式，人工检测具有劳动强度大，危险系数高等明显缺点。并且因为故障的偶发性，常常不能及时的发现故障，从而出现漏报等问题。

市场上已有的变压器在线监测系统一般需要布置电源线和数据通信线缆以及功能相对单一，无法真正满足电网日益发展的检测需求；同时，现有的变压器在线监测系统，其数据传感器通常通过固定组件与变压器安装为一体，工程量大且安装复杂，带来了极大的安装及维护成本。

目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种变压器运行状态在线监测系统及其多参量智能传感器。

根据本发明的一个方面，提供了一种多参量智能传感器，包括：多种类传感器模块、A/D采集模块、MCU控制模块以及供电模块；所述多种类传感器模块通过所述A/D采集模块与所述MCU控制模块连接，所述供电模块与所述MCU控制模块连接；其中：

所述多种类传感器模块，包括如下任意一个或任意多个部件：

-振动传感器组件，用于获取变压器箱体表面振动参数信号数据，并进行相应处理；

-超声波传感器组件，用于获取变压器内部产生的超声波信号数据，并进行相应处理；

-表面温度传感器，用于获取变压器箱体表面温度数据；

-环境温湿度传感器，用于获取变压器所处环境温度及湿度数据；

所述A/D采集模块将多种类传感器及其调理电路单元获取的数据进行模数转换，并发送至MCU控制模块；

所述供电模块为所述多种类传感器模块、所述A/D采集模块和所述MCU控制模块供电；

所述多参量智能传感器的底部还安装有磁铁。

优选地，所述变压器箱体表面振动参数数据包括：位移、加速度、频谱特性和/或高频能量。

优选地，所述振动传感器组件包括：振动信号采样传感器和处理电路。

优选地，所述振动信号采样传感器采用压电式加速度传感器。

优选地，所述处理电路包括无源滤波电路和放大电路。

优选地，所述振动信号采样传感器采用4路结构，分别用于设置在变压器箱体的四个侧面上。

优选地，所述超声波传感器组件包括：超声局部放电采样传感器和调理电路。

优选地，所述超声局部放电采样传感器采用采样超声波20K-200KHz频段的声发射传感器。

优选地，所述调理电路包括：宽频放大电路、带外抑制电路和动态增益控制电路。

优选地，所述超声局部放电采样传感器和调理电路设置于一体化的金属壳体内。

优选地，所述表面温度传感器采用NTC温敏电阻。

优选地，所述环境温度数据用于消除环境温度变化对变压器表面温度造成的测量偏差。

优选地，所述供电模块包括如下任意一种或任意多种形式：

-电池组；

-充电电路。

优选地，所述磁铁采用钕硼铁磁铁。

优选地，所述多参量智能传感器，还包括：与MCU控制模块连接的如下任意一个或任意多个模块：

-数据无线收发模块；

-同步采样接收模块和时钟电路模块。

优选地，所述数据无线收发模块和/或同步采样接收模块采用LoRa数据通讯块。

根据本发明的另一个方面，提供了一种变压器运行状态在线监测系统，包括：上述多参量智能传感器以及汇聚节点模块；所述汇聚节点模块通过数据无线收发模块，和/或，同步采样接收模块和时钟电路模块与所述MCU控制模块连接；

其中：

所述MCU控制模块将融合后的数据输出至所述汇聚节点模块；

所述汇聚节点模块发出变电站220V工频相位同步信号和采样时间，分别通过同步采样接收模块和时钟电路模块输出至所述MCU控制模块，并通过所述MCU控制模块输出至所述多种类传感器模块，所述多种类传感器模块根据接收到时间戳，在约定时刻同步采样。

优选地，所述汇聚节点模块设有以太网接口和/或无线通信模块。

优选地，所述变压器运行状态在线监测系统，还包括终端模块和/或报警模块；其中：

所述汇聚节点模块将融合后的数据通过所述以太网接口或无线通信模块发送至所述终端模块；

所述MCU控制模块根据获取的数据以及设定的阈值输出报警信息至所述报警模块。

由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有如下至少一项的有益效果：

本发明提供的变压器运行状态在线监测系统及其多参量智能传感器，能够实现包括变压器振动信号、超声局放信号、变压器表面温度、环境温湿度的多参量检测。

本发明提供的变压器运行状态在线监测系统及其多参量智能传感器，能够同时获取多参量的数据，更易于故障的分析和判断。

本发明提供的变压器运行状态在线监测系统及其多参量智能传感器，能够自动进行连续监测、数据处理和存储。

本发明提供的变压器运行状态在线监测系统及其多参量智能传感器，采集时间间隔可设。

本发明提供的变压器运行状态在线监测系统及其多参量智能传感器，具有自检和报警功能。

本发明提供的变压器运行状态在线监测系统及其多参量智能传感器，具有良好的抗干扰能力和合理的检测灵敏度。

本发明提供的变压器运行状态在线监测系统及其多参量智能传感器，免除现场布置电源线和网络通信数据线的工程施工，加快了工期，也降低了施工成本。

本发明提供的变压器运行状态在线监测系统及其多参量智能传感器，在线监测降低了人力物力支出，节省成本。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例提供的多参量智能传感器内部结构框图。

图2为本发明一实施例提供的变压器运行状态在线监测系统整体结构框图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

图1为本发明一实施例提供的多参量智能传感器内部结构框图。

如图1所示，该实施例提供的多参量智能传感器，可以包括：多种类传感器模块、A/D采集模块、MCU控制模块以及供电模块；多种类传感器模块通过A/D采集模块与MCU控制模块连接，供电模块与MCU控制模块连接；其中：

多种类传感器模块，可以包括如下任意一个或任意多个部件：

-振动传感器组件，用于获取变压器箱体表面振动参数信号数据，并进行相应处理；

-超声波传感器组件，用于获取变压器内部产生的超声波信号数据，并进行相应处理；

-表面温度传感器，用于获取变压器箱体表面温度数据；

-环境温湿度传感器，用于获取变压器所处环境温度及湿度数据；

A/D采集模块将多种类传感器及其调理电路单元获取的数据进行模数转换，并发送至MCU控制模块；

供电模块为多种类传感器模块、A/D采集模块和MCU控制模块供电；

多参量智能传感器的底部还可以安装有磁铁。

在该实施例的一具体应用实例中，变压器箱体表面振动参数数据，可以包括：位移、加速度、频谱特性和/或高频能量。

在该实施例的一优选实施例中，振动传感器组件，可以包括：振动信号采样传感器和处理电路。

在该优选实施例的一具体应用实例中，振动信号采样传感器可以采用压电式加速度传感器。

在该优选实施例的一具体应用实例中，处理电路可以包括无源滤波电路和放大电路。

在该实施例的一优选实施例中，振动信号采样传感器可以采用4路结构，分别用于设置在变压器箱体的四个侧面上。

在该实施例的一优选实施例中，超声波传感器组件可以包括：超声局部放电采样传感器和调理电路。

在该优选实施例的一具体应用实例中，超声局部放电采样传感器可以采用采样超声波20K-200KHz频段的声发射传感器。

在该优选实施例的一具体应用实例中，调理电路可以包括：宽频放大电路、带外抑制电路和动态增益控制电路。

进一步地，作为一优选实施例，超声局部放电采样传感器和调理电路可以设置于一体化的金属壳体内。

在该实施例的一优选实施例中，表面温度传感器可以采用NTC温敏电阻。

在该实施例的一优选实施例中，环境温度数据可以用于消除环境温度变化对变压器表面温度造成的测量偏差。

在该实施例的一优选实施例中，供电模块可以包括如下任意一种或任意多种形式：

-电池组；

-充电电路。

在该实施例的一具体应用实例中，磁铁可以采用钕硼铁磁铁。

在该实施例的一优选实施例中，多参量智能传感器，还可以包括：与MCU控制模块连接的如下任意一个或任意多个模块：

-数据无线收发模块；

-同步采样接收模块和时钟电路模块。

进一步地，作为一优选实施例，数据无线收发模块和/或同步采样接收模块可以采用LoRa数据通讯块。

本发明上述实施例提供了一种用于变压器设备状态进行监测的多参量智能传感器。该多参量智能传感器底部装配高磁导率的钕硼铁磁铁，工程现场可以非常方便的把传感器磁吸在变压器待检测部位。且在故障定位分析时，可以方便移动，克服了传统在线监测安装不变的困难。

在大型电力变压器中，最常见的故障主要表现为绕组松散变形和铁芯松动。铁芯和绕组的振动会通过铁芯垫脚和绝缘油两条路径传递给箱体表面。该多参量智能传感器通过振动传感器组件检测振动参数(如位移、加速度、频谱特性、高频能量)在变压器正常运行和故障运行两种状态下的不同特征，以判断变压器运行状态是否异常。

当油浸式电力变压器内部存在局部放电时，在放电过程中，随着放电的发生，将伴随着爆裂状的声发射，产生超声波，并很快向四周介质传播。超声波在油中具有很强的穿透能力，幅值衰减较小。此时可以在变压器油箱外壁上安装一个超声波传感器组件，将超声波信号转换成电信号，就能对变压器内部的局部放电水平进行测量。

电力变压器长期工作在高电压、大电流、强磁场的环境中，使得热量聚集并会传递到变压器表面。变压器的温升既影响带负荷能力又影响使用年限，还会增加电力系统的损耗，如果散热不良还会危及设备的正常运行，甚至会造成故障。为了保证变压器安全运行，迫切需要实时监测变压器的温度变化。目前变压器温度检测方式较多，该多参量智能传感器可以采用高精度NTC温敏电阻作为表面温度传感器，通过接触式采集方法实时获取变压器表面温度。

同时还集成了环境环境温湿度传感器，用以消除环境温度随着季节和每天不同时间变化而对变压器表面温度造成的测量偏差。

本发明上述实施例提供的多参量智能传感器，如图1所示，包括：多种类传感器模块、A/D采集模块、MCU控制模块以及供电模块；其中：多种类传感器模块实现了振动信号检测、超声局部放电检测、变压器表面温度以及环境温度检测，能够同时对电力变压器振动信号、超声局放信号以及变压器表面温度和环境温湿度进行检测。

本发明上述实施例提供的多参量智能传感器，，有利于提供更准确的运行状态、故障类型以及报警级。

本发明上述实施例提供的多参量智能传感器，配合低功耗软硬件设计和无线设计，可以采用高能量密度的电池组或充电电路供电，一般可以满足5年不间断运行，且现场安装简单，无需220V工程电源布线。

本发明上述实施例提供的多参量智能传感器，采用磁吸式结构，直接吸附安装在变压器监测部位，安装工程量非常小。

下面结合一具体应用实例，对本发明上述实施例提供的多参量智能传感器进一步说明如下。

多参量智能传感器结构如图1所示，功能组成部分主要包括：

1、MCU控制模块。该模块一个大的特点是平均待机功耗极低，最低功耗<5μA，以满足用户长期5年的工作要求。根据功耗和功能的综合需求，采用的MCU内核为Cortex-M1+。Cortex-M1+处理器是流水线三级，32位RISC处理器，采用了流行的高密度

指令集。虽然是Cortex处理器系列中最小的处理器，但Cortex-M1处理器依然实现了每MHz0.8DMIPS。处理器此内核休眠状态下最低可达到1uA以下的电流。再辅选低静态电流的控制芯片和灵活的外围模块供电设计，以实现整个装置的低功耗目标。

2、超声波传感器组件。超声局部放电采样传感器采用采样超声波20K-200KHz频段的声发射传感器。该声发射传感器可以采用压电陶瓷技术，具有良好的灵敏度和稳定性，因此可将电力变压器内部微弱的局放信号采集，并通过电荷泄露较小的音频电缆送入后端调理电路。调理电路会对原始的局放信号在硬件上进行宽频放大、带外抑制、动态增益控制后送入后端A/D采样电路。超声波传感器组件置于一体化的金属壳体内，可以有效减少环境干扰的耦合，同时在电路上去除带外的干扰信号，避免放大电路异常饱和。

3、振动传感器组件。根据变压器振动信号的幅值和频宽，振动信号采样传感器采用压电式加速度传感器采集振动信号，其基本参数如表1所示。具体应用时，一般在电力变压器4个箱壁各放置1路振动信号采样传感器。振动信号采样传感器采集到的一般是微弱小信号，经过内部的无源滤波电路、放大电路处理后再送入装置的模数转换电路。

4、表面温度传感器和环境温湿度传感器。变压器表面温度和环境温湿度采用1％精度传感器进行采集，考虑到室外运行，进气孔需进行防水处理，达到6级以上防水能力。

5、LoRa数据通讯块。Lora是一种免费使用的低功耗无线传输技术，具有非常高的链路预算和灵敏度，适合远距离数据传输。智能局放装置内Lora模块，一方面用于电源同步的采样信号，依据此信号解析出的同步时间，各传感器启动振动、局放等线号的采样。另一方面用于把采集且压缩后的各类数据通过LoRa发送到汇聚节点。

6、电池组和/或充电电路。供电模块使用电池供电，根据单次充电之后系统使用年限设计容量。并支持不拆机进行外部充电，也可直接更换电池，具体视现场情况，以最大程度的提升可维护性。

该具体应用实例能够保障环境适应性及工作精度，并充分考虑到了室外使用的恶劣环境，能够做到防水防尘。

表1

本发明另一实施例提供了一种变压器运行状态在线监测系统，如图2所示，可以包括：本发明上述实施例提供的多参量智能传感器以及汇聚节点模块；汇聚节点模块通过数据无线收发模块，和/或，同步采样接收模块和时钟电路模块与MCU控制模块连接；

其中：

MCU控制模块接收到的数据输出至汇聚节点模块；

汇聚节点模块发出变电站220V工频相位同步信号和采样时间，分别通过同步采样接收模块和时钟电路模块输出至MCU控制模块，并通过MCU控制模块输出至多种类传感器模块，多种类传感器模块根据接收到时间戳，在约定时刻同步采样。

在该实施例的一优选实施例中，汇聚节点模块设有以太网接口和/或无线通信模块。

在该实施例的一优选实施例中，变压器运行状态在线监测系统，还包括终端模块和/或报警模块；其中：

汇聚节点模块将接收到的数据通过以太网接口或无线通信模块发送至终端模块；

MCU控制模块根据获取的数据以及设定的阈值输出报警信息至报警模块。

该实施例提供的变压器运行状态在线监测系统，汇聚节点模块负责通过LoRa的无线方式，采集多参量智能传感器上传的各类变压器状态量。然后通过有线以太网或者LTE，数据转发给终端模块(如物联网平台)。

多参量智能传感器还具有同步采样功能，具体地，由汇聚节点模块控制，发出变电站220V工频相位同步信号和采样时间给所有传感器，各传感器收到时间戳后，在约定时刻同步采样，以满足多参量数据同步获取的要求。

本发明上述实施例提供的变压器运行状态在线监测系统，对变压器多个状态信号进行数据采集、处理后，采用无线通讯方式把数据传输给系统内的汇聚节点模块后，再输出至终端模块(例如物联网平台)，以实现故障诊断/报警等多种功能。

本发明上述实施例提供的变压器运行状态在线监测系统及其多参量智能传感器，功能集成度高，能够同时采集变压器振动信号、超声局放信号、变压器表面温度以及环境温湿度信号；适用范围广，能在高温、低温、高湿等环境条件下可靠运行，防水防尘；使用方便，通过后台分析/诊断平台，实时接收现场监测设备采集的数据，实现人机交互，能够早期发现缺陷，及时给予报警，提高变电站人员的工作效率；安装简单，值守在线监测设备体积小，重量轻，快速安装，无需施工队布置网络和电源；施工方便，具有设备安装方便，无需现场布置220V电源线，可缩短施工工期、降低施工费用。多参量智能传感器将不同类型的在线监测数据以及初步诊断结果通过多功能汇聚节点的以太网接口或3G/4G无线通信模块发送到物联网后台服务器或者云服务器，为大数据计算和智能算法的应用提供了必要的条件。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (15)

1.一种多参量智能传感器，其特征在于，包括：多种类传感器模块、A/D采集模块、MCU控制模块以及供电模块；所述多种类传感器模块通过所述A/D采集模块与所述MCU控制模块连接，所述供电模块与所述MCU控制模块连接；其中：

所述多种类传感器模块，包括如下任意一个或任意多个部件：

-振动传感器组件，用于获取变压器箱体表面振动参数信号数据，并进行相应处理；

-超声波传感器组件，用于获取变压器内部产生的超声波信号数据，并进行相应处理；

-表面温度传感器，用于获取变压器箱体表面温度数据；

-环境温湿度传感器，用于获取变压器所处环境温度及湿度数据；

所述A/D采集模块将多种类传感器及其调理电路单元获取的数据进行模数转换，并发送至MCU控制模块；

所述供电模块为所述多种类传感器模块、所述A/D采集模块和所述MCU控制模块供电；

所述多参量智能传感器的底部还安装有磁铁。

2.根据权利要求1所述的多参量智能传感器，其特征在于，所述变压器箱体表面振动参数数据包括：位移、加速度、频谱特性和/或高频能量。

3.根据权利要求1所述的多参量智能传感器，其特征在于，所述振动传感器组件包括：振动信号采样传感器和处理电路；其中：

所述振动信号采样传感器采用压电式加速度传感器；

所述处理电路包括无源滤波电路和放大电路。

4.根据权利要求3所述的多参量智能传感器，其特征在于，所述振动信号采样传感器采用4路结构，分别用于设置在变压器箱体的四个侧面上。

5.根据权利要求1所述的多参量智能传感器，其特征在于，所述超声波传感器组件包括：超声局部放电采样传感器和调理电路；其中：

所述超声局部放电采样传感器采用采样超声波20K-200KHz频段的声发射传感器；

所述调理电路包括：宽频放大电路、带外抑制电路和动态增益控制电路。

6.根据权利要求5所述的多参量智能传感器，其特征在于，所述超声局部放电采样传感器和调理电路设置于一体化的金属壳体内。

7.根据权利要求1所述的多参量智能传感器，其特征在于，所述表面温度传感器采用NTC温敏电阻。

8.根据权利要求1所述的多参量智能传感器，其特征在于，所述环境温度数据用于消除环境温度变化对变压器表面温度造成的测量偏差。

9.根据权利要求1所述的多参量智能传感器，其特征在于，所述供电模块包括如下任意一种或任意多种形式：

-电池组；

-充电电路。

10.根据权利要求1所述的多参量智能传感器，其特征在于，所述磁铁采用钕硼铁磁铁。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的多参量智能传感器，其特征在于，还包括：与MCU控制模块连接的如下任意一个或任意多个模块：

-数据无线收发模块；

-同步采样接收模块和时钟电路模块。

12.根据权利要求11所述的多参量智能传感器，其特征在于，所述数据无线收发模块和/或同步采样接收模块采用LoRa数据通讯块。

13.一种变压器运行状态在线监测系统，其特征在于，包括：权利要求11或12所述的多参量智能传感器以及汇聚节点模块；所述汇聚节点模块通过数据无线收发模块，和/或，同步采样接收模块和时钟电路模块与所述MCU控制模块连接；

其中：

所述MCU控制模块将接收到的数据输出至所述汇聚节点模块；

所述汇聚节点模块发出变电站220V工频相位同步信号和采样时间，分别通过同步采样接收模块和时钟电路模块输出至所述MCU控制模块，并通过所述MCU控制模块输出至所述多种类传感器模块，所述多种类传感器模块根据接收到时间戳，在约定时刻同步采样。

14.根据权利要求13所述的变压器运行状态在线监测系统，其特征在于，所述汇聚节点模块设有以太网接口和/或无线通信模块。

15.根据权利要求13或14所述的变压器运行状态在线监测系统，其特征在于，还包括：终端模块和/或报警模块；其中：

所述汇聚节点模块将接收到的数据通过所述以太网接口或无线通信模块发送至所述终端模块；

所述MCU控制模块根据获取的数据以及设定的阈值输出报警信息至所述报警模块。

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