摘要：电力系统安全与否、供电性能是否可靠、运行是否经济与变压器有着直接的关系。所以，变压器的正常运行对整个电力系统而言非常重要。但是因为变压器常处于不停歇工作的状态，所以无法避免故障的产生。导致变压器出现事故的原因很多，其中包括变压器在安装、维护、检修时，没有严格按照相关要求，导致变压器存在一定的缺陷，存在严重的故障隐患；自然灾害也是导致变压器发生故障及事故的重要原因；因为变压器长期处于运行的状态，所以其组成材质逐渐劣化，为事故的发生埋下隐患，已经成为导致变压器出现故障的主要原因。
关键词：电力变压器;振动法;故障诊断；
1 系统总体结构
在总体结构设计上，TCMS采用了3层架构，整个系统从最底层的数据采集到用户交互，可分为数据采集层、数据处理层、用户层。
1.1 数据处理层。数据处理层是整个系统的关键，由于系统采用了B/S架构，该层不仅包含传统服务器所具有的数据处理分析功能，还新增加了Web服务功能，以上两种功能整合到一台数据管理与分析服务器上。数据处理层一方面实时地接收来自数据采集层的监测数据，并实时计算、分析、存储。同时Web服务组件接收来自用户的请求，并将处理后的数据通过HTTP协议返回给用户。
1.2 数据采集层。数据采集层以数据采集器为核心，通常每台数据采集器对应一台变压器，并安装在变压器旁。数据采集器的一端通过传感器测量变压器油箱表面振动、电压、电流等信号;另一端与数据管理与分析服务器相连，并将采集到的数据通过Socket连接发送至数据处理层。
1.3 用户层。在B/S架构下，用户层只需要浏览器即可访问服务器端的数据，这种方式不仅适合传统的PC，更是极大地方便了手机、Pad等移动终端用户的访问。Web浏览器以图形、图表、报表等直观形式向用户显示当前监测对象的运行状态信息。用户不仅可以观察任意变压器的实时波形，还可以查看变压器的运行状态，判断是否存在故障。
2 系统硬件设计
系统涉及硬件的包括2部分:前端的数据采集器和后端的数据管理与分析服务器。服务器硬件为一个标准的刀片式服务器，主要介绍数据采集器的硬件设计如下。数据采集器的硬件配置包括4个部分:传感器、信号调理模块、A/D采样模块、嵌入式计算机模块。为了能够更好地获取变压器的状态信息，分析振动的产生、传递和影响因素，系统采集的数据除了油箱表面振动外，还包括电压、电流、温度等信号，这些信号经传感器输出并通过信号调理电路放大和滤波，再经过数据采样模块的A/D转换后把数据送至嵌入式计算机模块进行处理。考虑到现场受到电磁干扰较大，在传感器的连线上应该注意电磁屏蔽，本系统所有的硬件均固定安装在一个铁箱内。为了让测到的振动更好地反映该变压器的本身特征，在油箱壁安装传感器时要选择最佳位置，图1是8个振动传感器的放置位置。
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图1 TCMS系统总架构图
3 系统软件设计
3.1 数据采集器软件设计。数据采集器软件是TCMS的一个重要部分，考虑到系统对实时性的要求并不苛刻，采用了简单的多线程开发模式。软件流程如图2所示，共分成3个部分。采样线程完成数据采样、数据处理及存储工作，该线程优先集最高。界面线程则负责间隔采样的控制、采样后的简单处理和接收系统消息，优先级居中，目前的采样间隔时间为1 min。通信线程负责与服务器端的数据通信，该线程通过可靠的Socket建立连接，接收来自服务器的命令，执行相应的任务，并返回指定的数据。
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图2 数据采集器各线程流程
3.2 服务器软件设计。服务器软件，也就是数据管理分析软件，是
TCMS中最复杂的部分，不仅负责数据的间隔采样控制、数据分析处理、还负责与用户的数据交互。根据系统要求，服务器部分的软件架构可分成3层:数据链接层、实时分析层、Web发布层。（1）数据链接层，数据链接层又分2部分:数据采集模块和数据访问模块。数据采集模块为实时分析提供数据源，该模块通过Socket与前置的数据采集器之间建立可靠的通讯链路，并实时获取采样数据。数据采集模块能够保证能立刻获取数据采集器间隔采集的数据，这个延时不超过1 s。数据访问模块则是给企业网内部的其他用户提供访问的接口，其他用户或者管理员可以通过该接口访问或者设置系统参数。（2）实时分析层。实时分析层又分为两部分:常规数据分析和故障诊断分析。常规数据分析主要计算间隔采样的振动峰峰值、有效值、各次谐波的值。故障诊断分析是整个系统的关键，故障分析算法根据已知的数据计算出一个特征值，评估变压器当前的状态。已知的数据不仅包括当前的振动信号、当前的电压电流值，还包括数据库中的历时数据。所有实时分析的结果都存入数据库。（3）Web发布层。Web发布层是B/S架构特有的部分，该部分的功能直接影响到用户体验。整个Web发布方案采用的是ASP．net和C#混合方式编程，其中为了达到更好的显示效果，采用了NI提供的网页控件来实现波形的显示。Web发布层的数据都从数据库中获取。整个Web界面又分成3部分:实时数据显示、趋势显示、故障分析报告。实时显示的数据包括采样直接获得的波形数据和经过数值分析得到的静态数据。波形数据包括振动和电压电流的实时波形，静态数据包括振动的峰峰值、有效值、基频100 Hz到1 000
Hz各次谐波幅值、电压电流的有效值和当前的温度值。趋势显示功能是展示实时分析保存的数据随时间的变化规律，其中24 h趋势显示的是参数在24 h内的变化规律，历史趋势则是根据用户指定的时间间隔显示参数的变化规律。所有的趋势数据均从数据库中读取。
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图3 数据采集器实物
3.3 故障诊断算法。由于变压器振动本身的复杂性、多样性和不确定性，根据是否依赖变压器振动历史数据，把振动分析方法分成2类。先验性算法。该方法通过对历史振动数据的训练学习，结合输入的电压、电流参数，判断当前状态是否与历史状态一致，并给出一个能反映该一致性的特征值。非先验性方法。这类分析方法只需当前数据、无需历史数据，就可做出相应诊断。该类算法是经过总结的适合绝大部分变压器的普遍算法。
4 系统实现与应用
所设计的在线监测系统安装在某电力局的马公变和光明变2个110 k V变电站。图3为安装在现场的数据采集器，整个系统放置在一个密封金属箱中且做接地处理。从图3(a)中可以看出，数据采集器安装在变压器旁的一个防水铁箱内，现场所有的传感器信号线、电源线、网线等都通过电缆引入箱内。
图3(b)为信号采集器的内部结构图，从下往上看依次为模拟信号接口板、信号调理模块、A/D采样模块和嵌入式计算机模块，以及最上方的电源模块。由于本系统采用B/S架构，用户需要通过网页浏览器从服务器端获取实时数据、趋势数据和故障诊断信息。目前对变压器进行故障诊断的产品很多，其中典型的较为成熟的产品有油色谱分析和频率响应分析(FＲA)，对比这2种方法，在是否支持在线监测和对一些常规故障的诊断上，所描述的系统的特点如表1所示。
表1 故障诊断方法比较
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总之，目前TCMS已经用于变电站现场，实现对变压器振动数据的采集和分析诊断等功能，为维护人员实时了解变压器的运行状态提供了可靠的依据。
参考文献
[1]张怀东．浅谈B/S架构的变压器在线状态监测系统实现．2017.
[2]王卓．电力设备状态监测与故障诊断．2017.
论文作者:贾友超
论文发表刊物:《电力设备》2018年第21期
论文发表时间:2018/12/12
标签：数据论文; 变压器论文; 实时论文; 采集器论文; 模块论文; 系统论文; 用户论文; 《电力设备》2018年第21期论文;