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1、变压器经济运行控制系统软件设计说明书1 引言1.1 研究背景随着我国社会主义现代化建设全面发展和社会的不断进步，电能在国民经济的发展对能源的需求中占有越来越大的比例。因此电力系统必将向超高压、大电网、自动化的方向发展，电压等级的提高使得电气设备的安全问题显得越来越突出。电力变压器是整个电力系统中最为重要的电气运行设备之一，是保证供电可靠性的基础，它的运行状况好坏直接关系到电力系统能否安全经济地运行。一旦变压器发生故障将导致局部地区或者全地区的大面积停电，给国民经济的其他部门的生产和运作带来严重的后果，致使国民经济遭到重大损失。为了保证变压器设备安全可靠地运行，一方面要采用良好的绝缘材料，改进制
2、造工艺来提高设备的绝缘强度，更重要的一方面，就是要对运行中变压器设备的绝缘状况进行检查，随时掌握设备的运行情况。1.2 在线检测方法的国内外现状变压器局部放电检测技术很早就引起了各国的关注。早在七十年代，世界很多国家对变压器局部放电测量就提出了各自的试验方法和标准。1980年，国际电工委员会根据各国的经验，正式在IEC76-3(1980)推荐标准中规定了局部放电的测试方法。1985 年，我国根据IEC76-3(1980)推荐标准，首次在GB1094.3-85电力变压器第三部分绝缘水平和绝缘试验中规定了局部放电测试方法。最近，在国际电工委员会新颁标准 IEC60076-3中，对电力变压器局部放电
3、测量施加试验电压的顺序作了较大的调整，使对电力变压器局部放电性能的考核更为严格1。局部放电在线监测作为变压器绝缘劣化及故障诊断中的一种重要内容而受到国内外广大研究人员的重视。局部放电在线监测通常要解决两个主要问题，一是抑制干扰，提取局部放电信号；二是判断产生局部放电的具体部位和放电性质。在局部放电在线监测技术应用中，提高监测系统的信噪比，增强监测系统的抗干扰能力是目前仍需解决的最主要的问题。1.3 课题任务本文主要对变压器放电超声定位在线检测系统设计实现进行叙述，对实现该系统的关键技术以及目前国内外的发展状况进行详细的叙述和研究。主要任务如下：（1）分析变压器运行过程中的绝缘损坏原理，放电过程
4、产生原理。论述了现有的变压器局部放电检测的各种方法的优缺点；（2）对放电信号数据的采集以及干扰信号进行了分析和消除的研究；（3）针对该系统所采用的超声定位检测方法，设计出硬件系统；（4）根据硬件系统所采集的超声放电信号，利用演示估计算法和声声定位算法计算出放电点的位置，根据历史经验判断出放电类型；（5）将不同时期的监测数据存入数据库以便以后参考查询。2 系统总体设计本系统所采用的是声声定位法检测放电点的位置和判断放电的类型，该方法需要几个传感器同步进行采集放电的超声信号，经过滤波对噪音进行消除，然后传给上位机。由于现场的复杂以及不便，数据的传输采用无线的传输给上位机。上位机软件经过对采集的超声
5、信号进行各路信号的时延计算，然后就各路放电信号的时间差带入定位算法计算出放电的位置。对超声信号进行图形直观的显示，将信号和一个周期的椭圆图形进行叠加显示，根据有关准则，进行模式识别判断出放电的类型，最后将放电点的位置和放电的类型直观的显示给用户。因此该系统需求：（1）测试仪要就近接入被测设备，减少传输线的长度；（2）测试仪向上位机无线传输数据，该系统采用GPRS传输；（3）被测设备数据和检测数据存入数据库。系统的技术指标：干扰消除： 通带滤波器 40 300 KHz采集信号传输方式：无线通信测试频带 40 300 KHz，AD8 位采样，1.25 个周期采样，40 M 采样频率。采集时间同步问
6、题：各个通道采用同时复位方式达到时间的同步传感器的选型：高灵敏度、高分辨率测试原理：超声信号起始位置的识别、幅度的判定坐标系的选取和建立：选定高压电气设备的某个固定点作为坐标原点，采用直角坐标系建立高压电气设备的立方体几何模型显示放电响应波形：椭圆显示、拉长显示针对上述系统需求，提出如下系统方案：（1）放电定位检测方法采用超声定位法；（2）传感器和采集仪器之间用光纤通信；（3）下位机和上位机之间采用GPRS进行无线通信；（4）各采集仪器之间的同步通过接收GPS时钟信号实现；（5）软件采用C/S架构，服务器端实现与测试仪通信并安装数据库，客户端控制采集和计算分析。服务器端与客户端通过建立TCP连
7、接，进行通信。根据功能的分析，系统硬件电路应该包括信号采集、信号处理、模数转换、通信模块等。运用模数转换、单片机等技术实现对变压器的放电位置检测和处理。变压器放电定位在线检测系统中的放电信号采集是整个系统的关键，由于放电过程时间短、信号弱、周围环境干扰比较大等特点。因此信号采集子系统的设计比较复杂。系统的框架结构如图1所示2：图1系统总体框架图3 硬件系统设计变压器放电定位在线检测系统中的放电信号采集是整个系统的关键，由于放电过程时间短，信号弱，周围环境干扰比较大等特点。因此信号采集子系统的设计比较复杂。为了减少在数据传输过程中的噪音信号的干扰，在传感器采集到的信号后采用光纤通信技术将数据送给
8、检测仪器进行信号处理和发送。电路板在焊接过程中应该将接地点定为一点。经过分析后的系统总体框图如图2所示。超声传感器信号处理模数转换AT89C51串口电路GPRS无线通信上位机显示图2 系统硬件总体框图3.1 信号采集模块3.1.1 超声定位检测原理超声波定位放电点的位置具有抗干扰性强、定位精度高等优点。超声定位测量是采用一种特制的磁浮式超声传感器探头，装在圆平面的装置内，其磁力的大小应满足该探头可以牢固地吸附在变压器油箱外表面上。变压器局部放电过程中会在放电点的位置产生超声波。局部放电超声定位可以分为电声定位还是声声定位，其做法都是将超声波传感器放置在变压器箱壁上的几个点组成声测阵列，各传感器
9、测量的放电点发出的超声信号，通过延时算法计算出放电点发出的超声信号到达不同传感器之间的时间差。将计算出来的时间差带入定位算法计算出放电点的位置。根据采集的超声信号的不同可以识别出不同的放电类型和放电量的大小。具体的步骤：（1）超声传感器采集放电点发出的超声信号；（2）对所采集的超声信号进行滤波模数转换处理；（3）对转换后的超声信号进行模式识别判断放电类型和放电量的大小；（4）对转换后的超声信号进行延时计算，计算出超声信号到达各个不同的传感器之间的时间差；（5）根据计算出的时间差和传感器的空间坐标利用定位算法计算出放电点的位置；（6）将计算出的放电点位置，利用三维图像显示在相应的变压器模型里面。
10、在电力系统现场的变压器局部放电定位过程中，由于受到电磁干扰等原因往往无法可靠的得到放电信号，因此声声定位法是国内外局部放电超声定位研究的重点。就目前的研究进展来看，影响局部放电声声定位成功率和定位精度的主要原因包括三个方面的问题，分别是：真实放电信号接收、时延估计算法和定位算法。针对现场环境恶劣，干扰信号比较多的情况下，要想接收到真实的放电信号。除了对传感器的性能要求比较高之外，还要尽量保证在信号的传输和处理上面再引入干扰信号。因此本系统在研发阶段尝试了几种传输方式，实验证明从传感器到硬件采集系统之间的传输采用光纤比较好，可以有效的抑制在传输过程的干扰。在电子器件线路排放和焊接上面也要注意。时
11、延估计在该系统中占有很重要的单位。声声定位的主要依据就是超声波传播到传感器之间的相对时间差，因此时延估计的精确度直接影响了定位精度。选择合适的定位算法对运算的速度和定位的精度有很大的影响，对放电点的定位归结为对超定方程的求最优解。目前有很多关于这方面的算法，综合这些算法的优缺点，本系统采用的是最速下降法和牛顿法相结合的一种混合定位算法，实验结果表明：该算法收敛比较快，对初始点有求不高。3.1.2超声信号处理在一定的电压下变压器内部绝缘结构中局部放电所产生的高频电流脉冲。这种电流脉冲会产生向对应的超声波。在实际现场检测的时候，应区分并消除由外界干扰引起的高频脉冲信号，否则，这种干扰信号或者假的放
12、电信号将导致检测灵敏度下降和最小可测水平的增加，甚至造成错误判断的严重后果。3.1.3 干扰信号的抑制干扰将会降低局部放电试验的检测灵敏度，甚至会带来错误的结果。现场检测时，应使干扰抑制到最低水平。干扰类型通常有7：电源干扰、接地系统干扰、电磁辐射干扰等。（1）电源干扰。检测仪及试验变压器所用的电源是与低压配电网相连的，配电网内的各种高频信号均能直接产生干扰3。因此，通常采用屏蔽式电源隔离变压器及低通滤波器抑制，效果甚好。（2）接地干扰。试验回路接地方式不当，例如两点及以上接地的接地网系统中，各种高频信号会经接地线耦合到试验回路产生干扰。这种干扰一般与试验电压高低无关。试验回路采用一点接地，可
13、降低这种干扰。（3）电磁辐射干扰。邻近高压带电设备或高压输电线路，无线电发射器及其它诸如可控硅、电刷等试验回路以外的高频信号，均会以电磁感应、电磁辐射的形式经杂散电容或杂散电感耦合到试验回路，它的波形往往与变压器内部放电不易区分，对现场测量影响较大。其特点是与试验电压无关。消除这种干扰的根本对策是将变压器置于屏蔽良好的试验室。采用平衡法、对称法和模拟天线法的测试回路，也能抑制辐射干扰。局部放电试验的干扰是随机而杂乱无章的，因此难以建立全面的识别方法，但掌握各类放电时的时间、位置、扫描方向以及电压与时间关系曲线等特性，有助于提高识别能力。（1）掌握局部放电的电压效应和时间效应；（2）掌握试验电压
14、的零位；（3）根据椭圆基线扫描方向；（4）整个椭圆波形的识别。3.1.4 超声波传感器超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波传感器具有高灵敏度、体积小、重量轻、较牢固、高精度、一致性好、功耗低以及在污染环境中使用的优点6。超声波传感器主要材料是有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。设计的超声波接收电路图如图3所示。图3 超声波接收电路原理超声波传感器的主要性能指标包括：（1）工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高；（2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探
15、头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备；（3）灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。实际安放传感器时，要考虑声阻抗的匹配。当声波从一种媒介传到另一媒介的时，由于声特性阻抗不匹配造成反射，会产生很大的界面衰减。衰减的大小可以用反射系数R来表示，如表1所示。表 1 不同媒介表面声波的特性阻抗及反射系数煤介特性阻抗空气矿物油聚苯乙烯铜钢铝铝1.71100745116200钢4.5310089780.50铜3.9310088750聚苯乙烯0.28100140矿物油0.131000空气0.000040可见特性阻抗相差越大，造成的衰减越大，故声波从空气传到钢板要比从油中传到钢板的衰减要大。为使界面衰减最小，以提高检测的灵敏度，在传感器和变压器外壳间，应涂上一层凡士林油，以消除其间的空气气隙。超声传感器所接受到的声压的大小是实际放电量的大小所决定的，同时又和传播路程的长短引起的衰减，以及其他的媒介反射有关。因此超声波检测法本身不能检测放电量的大小。如果需要检测放电量的大小需
