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          智能變電站變壓器內部故障診斷探討

          學術期刊發表網 位置:理工論文 時間:2021-01-13 08:51 (12)

          摘要:摘要:變壓器是電力系統中的核心裝置,故障發生后會對整個電網甚至各行各業的生產有著非常嚴重的影響。由此設計了一種基于物聯網技術的智能變壓器內部故障診斷系統,利用底層各

            摘要:變壓器是電力系統中的核心裝置,故障發生后會對整個電網甚至各行各業的生產有著非常嚴重的影響。由此設計了一種基于物聯網技術的智能變壓器內部故障診斷系統,利用底層各類智能傳感器、接入節點以及匯聚節點構建數據傳輸網絡,實現變壓器內部各項參數的智能化采集。采集的數據通過故障診斷系統進行存儲,采用神經網絡算法以及專家診斷技術建立診斷模型進行數據綜合分析,并生成直觀的分析結果以供用戶查詢。通過對某變電站變壓器進行帶電檢測采集數據,并根據數據分析結果證明了該診斷系統的實用性、準確性及穩定性,且具有良好的經濟及實用價值。

            關鍵詞:電力系統;故障診斷;智能傳感器;數據采集;通信協議

          智能變電站變壓器內部故障診斷系統設計與實現

            伴隨著我國各個行業的快速發展,用電需求也逐年上升,電力行業在飛速發展的同時,一些主要的弊端也在逐漸凸顯??筛爬橐韵聨讉€方面:第一,隨著各類終端接入量的增多,產生的數據量也日益龐大,相應的采集工作也面臨了新的挑戰,由于數據通道未有效貫通,人工錄入的情況仍較為普遍,無論是工作效率還是數據質量都有待提高;第二,隨著電網規模越來越大,對于資源的優化配置需求日益提高,但目前仍然缺乏應對大規模資源調度配置的能力[1-2];第三,電力行業相對封閉,導致該行業缺乏市場化管理和互聯網的發展思維,進一步限制了電力行業的發展[3]。國家電網公司也在2019年出臺了“泛在電力物聯網”的建設方案,明確了電力行業要朝著數字化、智能化方向升級轉變[4]。變壓器是變電站中重要的輸變電設備,一旦發生故障會影響到電網安全運行,并造成巨額經濟損失。因此需要對變壓器的各項參數進行實時采集并對變壓器的運行狀況進行評估,及時發現變壓器內部故障并排除將有利于電力系統的平穩安全運行[5-6]。在這個背景之下,現通過與當前發展迅猛的物聯網技術相結合,設計一種智能變電站變壓器內部故障診斷系統,該系統利用底層各類智能傳感器、接入節點以及匯聚節點構建數據傳輸網絡,實現變壓器內部各項參數的智能化采集,并對采集的數據進行分析及用戶顯示,具有良好的經濟實用價值。

            1智能變電站變壓器內部故障診斷系統總體框架

            智能變電站變壓器內部故障診斷系統由感知層、網絡層和平臺層構成,整體結構框架如圖1所示。感知層分為傳感器層與數據匯聚層兩部分,由各類智能傳感器、接入節點以及匯聚節點組成智能傳感器網絡,用于實現傳感器對變壓器內部各項參數的信息采集和匯聚。網絡層由接入控制器和接入網關等設備組成,用于實現感知層與平臺層之間的數據處理與傳輸。平臺層分為系統管理層與系統應用層兩部分,可為用戶提供多種功能接口,實現故障診斷系統的可視化、人性化操作。

            2變壓器故障診斷系統硬件設計

            智能變電站變壓器故障診斷系統其硬件以TMS320C6474嵌入式系統為控制核心,外接傳感器數據采集網絡、擴展總線接口吧、以太網通信模塊、電源模塊、GPS授時模塊和LCD液晶顯示模塊等各種外圍電路,如圖2所示。變壓器數據采集傳感器網絡由CC2530為核心控制器,包含數據采集器、擴展PC104總線接口、振動傳感器模塊、超聲傳感器模塊、高頻電流傳感器模塊、鐵芯接地電流傳感器模塊以及溫度傳感器模塊等。通過這些智能傳感器對變壓器內部各項參數進行采集,再通過數據采集器進行放大和濾波。通過數模轉換接口轉換成數字信號傳入CC2530控制單元,并且轉換后的數字量數據可在控制單元進行存儲。通過控制單元對采集數據進行分析處理,對分析結果進行故障判斷,并在現場液晶屏進行結果顯示,獲取變壓器現場管理維護的重要信息。通過CC2530控制器,匯總各個智能傳感器的采集數據、采集參數、通信參數、工作狀態,然后將變壓器采集數據信號轉換成滿足IEEE802.15.4標準的無線信號發送到智能接入節點,同時獲得已安裝的在線監測設備的數據、移動式重癥監護系統的數據及智能巡檢終端的數據,將數據通過智能接入節點傳輸到電力網絡層。以太網通信模塊采用W5500控制器與TMS320C6474嵌入式系統的RS232接口相接,實現變壓器故障診斷系統與傳感器檢測匯聚節點之間的串行通信。TMS320C6474嵌入式系統供電電源主要采用15V直流電源,但網關及控制器還需5V直流電源供電,因此通過UC1844控制器和UC1825控制器進行電源轉換。

            3變壓器故障診斷系統軟件設計

            3.1故障診斷軟件平臺設計

            變壓器內部故障監測系統能夠實現應用層用戶管理、支持上位機與下位機之間的通信協議、對變壓器采集數據的存儲、傳輸、處理以及顯示等功能,從而為電力系統管理人員提供一個全面的變壓器運行狀態的實時遠程監測與內部故障診斷平臺。智能變電站變壓器內部故障診斷平臺的數據采集與傳輸是整個故障診斷系統的核心,故障診斷平臺與數據采集網絡之間通過網絡層連接,支持TCP/IP通信協議,實現對變電站內多臺變壓器的監測數據進行集中管理、展示和分析,并直觀地面向用戶,既能實現人性化操作,又能保證檢測數據的安全性和管理的規范性。變壓器內部故障診斷軟件平臺界面,如圖3所示。軟件平臺由“局部放電”、“油中氣體”、“振動”、“負荷電流”、“油溫”和“鐵心電流”六個參量綜合對變壓器運行狀態進行評估。局部放電監測通過三維坐標顯示了放電周期內放電量與相位的對應情況。油中氣體監測反映了變壓器油中內部不同成分的氣體情況。振動監測反映了變壓器內部部件是否存在松動故障,鐵心電流監測能夠發現變壓器是否存在多點接地故障,油溫及負荷電流的監測能夠作為變壓器故障診斷的輔助參量。軟件平臺運用神經網絡算法[7]以及專家診斷技術[8]建立變壓器故障診斷的數學模型,有效地融合多種監測數據,提取每種監測參量的特征量,對各類復雜的信息進行綜合處理,最終得到關于變壓器運行狀態和故障狀況的綜合評價。系統狀態評估通過用“紅、綠、黃”三種顏色分別表示“嚴重”、“正常”和“異常”,并通過對所有監測數據綜合分析,智能判斷變壓器故障和異常情況,評估變壓器的健康指數。該系統可以實現對變壓器的實時監測,捕捉突變信號,提高診斷精確度和可信度。

            3.2故障診斷軟件應用測試

            某變電站1號主變壓器A相油中溶解氣體色譜分析(DGA)發現乙炔含量異常,變壓器內部故障監測系統檢測到其振動數據出現異常,局部放電數據異常。振動信號頻率能量分布如圖4所示,頻帶范圍為156~313Hz以及938~1094Hz占比較高,可有效反應振動信號的高頻分量。局部放電統計圖譜如圖5所示,放電脈沖主要集中在第一象限和第三象限,兩個象限放電幅值峰值幾乎相等,圖譜呈現矩形分布。通過油中氣體數據、振動數據、局部放電數據進行綜合分析,發現變壓器內部出現局部放電故障,并且繞組可能存在異常。該變壓器返廠調出A相繞組并將紙筒解體后發現,在高壓線圈解體后,繞組下部與銅線接觸的絕緣紙正常無缺陷,但繞組上部銅線表面呈燒灼異樣,與銅線接觸的絕緣紙表面受到損害,如圖6所示。

            4結束語

            通過應用案例與系統測試,對設計的智能變電站變壓器內部圖5局部放電統計圖譜圖6現場變壓器繞組解體圖故障診斷系統方案與軟硬件平臺進行了驗證,證明了提出的智能變電站變壓器內部故障診斷系統方案設計與完成的軟硬件設計的正確性與可靠性。通過該軟件系統可以實現對整個電力系統變壓器的運行狀態進行遠程監測,在線根據采集的變壓器參數進行分析,判斷變壓器運行異常及分析故障,實現對大量復雜數據28的綜合處理,并為用戶提供多種功能接口,實現故障診斷平臺的可視化和人性化操作。綜上所述,該智能變電站變壓器內部故障診斷系統可以實現對電力變壓器的維護管理,提高變壓器故障處理效率,對電力系統的穩定運行有著非常重要的影響,具有良好的經濟應用價值。

            參考文獻:

            [1]歐陽邵杰,曾博,邱澤晶,等.面向用戶差異化需求的智能配電網綜合資源優化規劃和配置方法[J].電力建設,2017,38(2):38-44.

            [2]呂軍,欒文鵬,劉日亮,等.基于全面感知和軟件定義的配電物聯網體系架構[J].電網技術,2018,42(10):3108-3115.

            [3]張寧,楊經緯,王毅,等.面向泛在電力物聯網5G通信:技術原理與典型應用[J].中國電機工程學報,2019,39(14):4015-4025.

            [4]江秀臣,劉亞東,傅曉飛,等.輸配電設備泛在電力物聯網建設思路與發展趨勢[J].高電壓技術,2019,45(5):1345-1351.

            [5]馬宏忠,周宇,李凱,等.基于振動的變壓器繞組壓緊狀態評估方法[J].電力系統自動化,2015,39(18):127-132.

            [6]沈鑫,曹敏,薛武,等.基于物聯網技術的輸變電設備智能在線監測研究及應用[J].南方電網技術,2016,10(1):32-41.

            [7]禹建麗,黃鴻琦,陳洪根,等.神經網絡在變壓器故障診斷中的應用研究[J].控制工程,2018,25(10):1898-1904.

            [8]徐陽,謝天喜,周志成,等.基于多維度信息融合的實用型變壓器故障診斷專家系統[J].中國電力,2017,50(1):85-91.

            作者:于一三 袁文海 張永熙 楊勝林 劉暢

            《智能變電站變壓器內部故障診斷系統設計與實現》來源與《電氣自動化

            《電氣自動化》(雙月刊)創刊于1979年,由上海電氣自動化設計研究所有限公司、上海市自動化學會主辦??d電氣自動化方面的科學研究和應用技術論文,設有控制理論應用、電氣傳動和自動控制、微電腦應用、模糊控制、網絡與通信技術、現場總線技術、仿真技術、PLC應用、實用電路、軟開關及電源技術、計算機網絡與通信、現總線控制、可編程控制器應用、故障診斷與容錯控制、綜述、數據庫設計、智能控制技術、CAD/CAM、經驗交流等欄目。讀者為自動電子動手術、計算機應用等專業的科研技術人員及大專院校的師生。


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