CN113776649A - 一种基于压电自取能的变压器振动无源无线监测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于压电自取能的变压器振动无源无线监测方法及系统，该方法包括：选取变压器为激振源，同时确定振动信号监测位置，选择合适的振动传感器进行振动信号的测量；通过分析测量所得的振动信号，选取最佳振动信号监测点；在确定最佳振动信号监测点的基础上，利用压电片将变压器的振动机械能转换为电能，通过能量控制电路将所获得的电能转化为可供振动传感器正常工作的电能；采用LoRa无线通信技术，将振动传感器收集振动检测数据进行无线远传，同时对收集的振动监测数据进行排障分析，从而及时对变压器进行检修维护，实现一种变压器监测无源无线传感器。
Description
技术领域
本发明属于变压器监测技术领域，具体涉及一种基于压电自取能的变压器振动无源无线监测方法及系统。
背景技术
变压器在正常运行时，硅钢片的磁致伸缩会引起铁芯振动，同时绕组在负载电流的电磁力作用下产生振动。耦合之后的振动通过器身和冷却系统传递到变压器的油箱，引起油箱的振动。变压器油箱表面的振动与变压器绕组及铁芯的压紧状况、位移和绕组的变形程度有十分密切的关系。
运行中的变压器绕组线圈可以看作一个受到外界激励的质量-刚度-阻尼机械振动结构，由于受到强大的电磁力特别是超载或短路大电流引起的巨大电磁力冲击，作着复杂的机械振动，整个绕组带动着铁芯、绝缘垫块和夹件等结构发生振动。通过器身和油介质传递到变压器箱体表面，同时以声波的形式向外扩散。而传统的电测量方法对于此类故障的监测之所以始终只能起到定性参考的作用，正是由于运行中的绕组和铁芯的机械类故障，如构件的松动、变形最直接的表现形式是机械振动和声波，而互感、电感、电容、阻抗等电参量的变化都是这些故障的间接表现。
因此，通过振动分析法，即通过分析变压器箱体表面的振动信号来监测绕组的变形程度和铁芯的状况是切实可行的，是对电力变压器在线监测与故障诊断体系的一个有力补充和完善。与现有的变压器绕组变形测试技术相比，振动分析法与整个电力系统没有电气连接，对整个电力系统的正常运行无任何影响，可以安全、可靠地达到在线监测的目的，不仅可以检测出短路引起的绕组变形故障，还可以检测出铁芯、分接开关等结构件的松动故障。然而，目前变压器振动传感器存在无法通过振动取能实现无源及振动监测数据不能远传的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于压电自取能的变压器振动无源无线监测方法及系统，实现一种变压器监测无源无线传感器。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供一种基于压电自取能的变压器振动无源无线监测方法，包括：
选取变压器最佳振动信号监测点设置振动传感器，并将变压器最佳振动信号监测点处的振动机械能转换为电能；
将所获得的电能转化为供振动传感器正常工作的电能；
将振动传感器采集的振动数据进行远程传输并对变压器运行状态进行诊断。
进一步的，所述选取变压器最佳振动信号监测点，包括：
采用振动传感器对预设的变压器振动信号监测点进行振动信号的测量；
根据振动信号的幅值、能量和频率选取最佳振动信号监测点。
进一步的，所述根据振动信号的幅值、能量和频率选取最佳振动信号监测点，包括：
将采集到的振动信号转换为加速度信号并进行时频域转换；
对求得的加速度时域信号和频域信号进行分析，得到振动信号的频率、幅值和能量；
将幅值、能量和主频率幅值占比进行归一化处理；
取综合函数Y＝1/3幅值+1/3能量+1/3主频率幅值占比，按照Y值从大到小进行排序；
基于排序结果选取最佳监测点。
进一步的，按照排序选取至少一个作为最佳监测点。
进一步的，所述变压器振动信号监测点均匀分布在变压器的顶部、底部、正面、左侧和右侧。
进一步的，采用压电片将变压器最佳振动信号监测点处的振动机械能转换为电能。
进一步的，所述压电片采用通过高温固态处理合成Sm掺杂的PMN-PT陶瓷。
进一步的，采用能量控制电路将所获得的电能转化为供振动传感器正常工作的电能。
进一步的，通过LoRa将振动传感器采集的振动数据汇聚到汇聚节点，再上传到接入节点通过有线网络或者4G移动网络把数据上传到服务器进行存储分析及故障诊断。
本发明还提供一种基于压电自取能的变压器振动无源无线监测系统，包括：
振动传感器，用于检测变压器各振动信号监测点处的振动信号；
压电片，用于将变压器最佳振动信号监测点处的振动机械能转换为电能；
能量控制电路，用于将所获得的电能转化为供振动传感器正常工作的电能；
传输模块，用于将振动传感器采集的振动数据进行远程传输。
进一步的，还包括，
计算模块，用于根据变压器各振动信号监测点处的振动信号确定变压器最佳振动信号监测点。
进一步的，所述能量控制电路为一种并联双中间电容能量回收控制电路。
进一步的，所述传输模块采用LoRa无线通信模块。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用压电片将最佳振动信号监测点处的振动机械能转换为电能，采用Sm-doped PMN–P铂陶瓷的压电片，获得了高达1500
的超高压电系数d33和高于13000的介电常数ε33/ε0。
2、本发明采用改进型并联双中间电容能量回收控制电路获得高效率输出功率和电路良好负载适应性。
3、本发明采用LoRa无线通信技术，将振动传感器收集振动检测数据进行无线远传，从而实现变压器监测设备的无线传输功能。
附图说明
图1是本发明的基于压电自取能的变压器振动无源无线监测方法实现流程图。
图2是本发明实施例中变压器油箱振动信号监测点分布图。
图3是本发明实施例中能量控制电路图。
具体实施方式
下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明的一个实施例提供一种基于压电自取能的变压器振动无源无线监测方法，包括：
选取变压器最佳振动信号监测点，将变压器的振动机械能转换为电能；
将所获得的电能转化为供振动传感器正常工作的电能；
将振动传感器采集的振动数据进行远程传输并诊断。
本发明实施例的具体实现过程，参见图1，包括以下步骤：
步骤1：选取变压器为激振源，同时确定变压器振动信号监测点，选择合适的振动传感器进行振动信号的测量；
步骤2：分析测量所得的振动信号，通过分析振动信号的幅值、能量和频率选取最佳振动信号监测点；
步骤3：在确定最佳振动信号监测点的基础上，将进行取能转换的压电片放置在该监测点上，利用压电片将变压器的振动机械能转换为电能；压电片利用压电效应进行电信号和机械信号的耦合，可以实现电能和机械能的相互转化；
再通过能量控制电路将所获得的电能转化为可供振动传感器正常工作的电能；
步骤4：采用LoRa无线通信技术，将振动传感器在步骤2所述所有最佳监测点收集的振动数据进行无线远传，同时对收集的振动监测数据进行排障分析，从而及时对变压器进行检修维护，实现一种变压器监测无源无线传感器。
作为一种优选的实施方式，上述步骤1中，变压器振动信号监测点分布在变压器的顶部、底部、正面、左侧和右侧，如图2中的1—11测点。
作为一种优选的实施方式，上述步骤1中，变压器正常运行时油箱表面的振动信号主要是铁芯和绕组产生振动信号的叠加，且频率范围集中在10Hz-2000Hz之间，振动幅度大约为1.0-200μm。在铁芯材料、工作温度等不变的情况下铁芯振动加速度与电源电压平方呈正比，频率为电源频率的2倍，即100Hz，绕组振动基频绕组振动幅值与负载电流平方成正比，为电源频率的2倍，即100Hz。振动传感器采集到的信号是以100Hz为基频的电压信号。通过将采集到的电压信号转换为加速度信号并进行时频域转换，对求得的加速度时域信号和频域信号进行分析，可得到振动信号的频率、幅值和能量。
作为一种优选的实施方式，上述步骤2中，幅值越大，传感器对振动信号接收度越好，监测位置越佳；振动信号在传递过程中能量损耗越小，传感器采集所得信号能量越大，监测位置越佳；振动信号主要频率幅值占比越高，监测位置越佳。为此，最佳振动信号监测点的选取方法为：取综合函数Y＝1/3幅值+1/3能量+1/3主频率幅值占比，按照Y值从大到小进行最佳监测点排序。其中，幅值、能量和主频率幅值占比均先进行归一化处理。
作为一种优选的实施方式，上述步骤3中，压电片的压电材料采用通过高温固态处理合成Sm掺杂的PMN-PT陶瓷，能获得最佳的高压电性和介电性能。
作为一种优选的实施方式，上述步骤3中，在最佳监测点放置压电片，但最佳监测点不止一处。
作为一种优选的实施方式，上述步骤3中，能量控制电路为一种改进型并联双中间电容能量回收控制电路，参见图3，能量回收控制电路可以分为3个部分：
振荡电路，用于提高能量回收效率；
Buck-Boost转换电路，用于稳定输出电压和提高输出功率；
和负载。
其中，压电片受夹电容C0、电感L0、同步开关S1(由MOS管M1、MOS管M2、二极管D7、二极管D8组成)、二极管D1和中间电容C1组成L0C0C1振荡电路；
压电片受夹电容C0、电感L0、同步开关S1(由MOS管M1、MOS管M2、二极管D7、二极管D8组成)、二极管D2和中间电容C2组成的L0C0C2振荡电路；
同步开关S2(由二极管D3、电容C3、三极管Q1、二极管D4、二极管D5、三极管Q2组成)、电感L1、二极管D6和滤波电容C4组成的Buck-Boost转换电路；
电路的负载用等效电阻RL来表示。
等效电流源I0与受夹电容C0并联，实现压电元件输出特性的等效。
这种能量回收控制电路输出功率高、负载适应性强并且能够实现自供能。
该改进型并联双中间电容能量回收控制电路的最大输出功率为：
可见最大输出功率与负载无关。
上述公式中具体参数含义如表1所示。
表1
| 参数 | 含义 |
| f | 系统共振频率 |
| U<sub>M</sub> | 机械振动位移幅值 |
| α | 力因子 |
| γ | 振荡电路翻转系数 |
| η | buck-boost转换效率 |
作为一种优选的实施方式，上述步骤4中，通过LoRa把将振动传感器收集的振动检测数据汇聚到汇聚节点，再上传到接入节点通过有线网络或者4G移动网络把数据上传到服务器进行存储分析及故障诊断，最后通过移动终端或者PC终端进行数据查看。
本发明的另一个实施例提供一种基于压电自取能的变压器振动无源无线监测系统，包括：
振动传感器，用于检测变压器各振动信号监测点处的振动信号；
压电片，用于将变压器最佳振动信号监测点处的振动机械能转换为电能；
能量控制电路，用于将所获得的电能转化为供振动传感器正常工作的电能；
传输模块，用于将振动传感器采集的振动数据进行远程传输。
作为一种优选的实施方式，还包括计算模块，用于根据变压器各振动信号监测点处的振动信号确定变压器最佳振动信号监测点。
作为一种优选的实施方式，传输模块采用LoRa无线通信模块，将振动传感器收集的振动检测数据汇聚到汇聚节点，再上传到接入节点。通过有线网络或者4G移动网络把数据上传到服务器进行存储分析及故障诊断，支持通过移动终端或者PC终端连接服务器进行数据查看。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
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其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (13)
1.一种基于压电自取能的变压器振动无源无线监测方法，其特征在于，包括：
选取变压器最佳振动信号监测点设置振动传感器，并将变压器最佳振动信号监测点处的振动机械能转换为电能；
将所获得的电能转化为供振动传感器正常工作的电能；
将振动传感器采集的振动数据进行远程传输并对变压器运行状态进行诊断。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电自取能的变压器振动无源无线监测方法，其特征在于，所述选取变压器最佳振动信号监测点，包括：
采用振动传感器对预设的变压器振动信号监测点进行振动信号的测量；
根据振动信号的幅值、能量和频率选取最佳振动信号监测点。
3.根据权利要求2所述的一种基于压电自取能的变压器振动无源无线监测方法，其特征在于，所述根据振动信号的幅值、能量和频率选取最佳振动信号监测点，包括：
将采集到的振动信号转换为加速度信号并进行时频域转换；
对求得的加速度时域信号和频域信号进行分析，得到振动信号的频率、幅值和能量；
将幅值、能量和主频率幅值占比进行归一化处理；
取综合函数Y=1/3幅值+1/3能量+1/3主频率幅值占比，按照Y值从大到小进行排序；
基于排序结果选取最佳监测点。
4.根据权利要求3所述的一种基于压电自取能的变压器振动无源无线监测方法，其特征在于，按照排序选取至少一个作为最佳监测点。
5.根据权利要求2所述的一种基于压电自取能的变压器振动无源无线监测方法，其特征在于，所述变压器振动信号监测点均匀分布在变压器的顶部、底部、正面、左侧和右侧。
6.根据权利要求1所述的一种基于压电自取能的变压器振动无源无线监测方法，其特征在于，采用压电片将变压器最佳振动信号监测点处的振动机械能转换为电能。
7.根据权利要求6所述的一种基于压电自取能的变压器振动无源无线监测方法，其特征在于，所述压电片采用通过高温固态处理合成Sm掺杂的PMN-PT陶瓷。
8.根据权利要求1所述的一种基于压电自取能的变压器振动无源无线监测方法，其特征在于，采用能量控制电路将所获得的电能转化为供振动传感器正常工作的电能。
9.根据权利要求1所述的一种基于压电自取能的变压器振动无源无线监测方法，其特征在于，通过LoRa将振动传感器采集的振动数据汇聚到汇聚节点，再上传到接入节点通过有线网络或者4G移动网络把数据上传到服务器进行存储分析及故障诊断。
10.一种基于压电自取能的变压器振动无源无线监测系统，其特征在于，包括：
振动传感器，用于检测变压器各振动信号监测点处的振动信号；
压电片，用于将变压器最佳振动信号监测点处的振动机械能转换为电能；
能量控制电路，用于将所获得的电能转化为供振动传感器正常工作的电能；
传输模块，用于将振动传感器采集的振动数据进行远程传输。
11.根据权利要求10所述的一种基于压电自取能的变压器振动无源无线监测系统，其特征在于，还包括，
计算模块，用于根据变压器各振动信号监测点处的振动信号确定变压器最佳振动信号监测点。
12.根据权利要求10所述的一种基于压电自取能的变压器振动无源无线监测系统，其特征在于，所述能量控制电路为一种并联双中间电容能量回收控制电路。
13.根据权利要求10所述的一种基于压电自取能的变压器振动无源无线监测系统，其特征在于，所述传输模块采用LoRa无线通信模块。
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- 2021-08-16 CN CN202110936315.7A patent/CN113776649A/zh active Pending
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