基于CompactRIO的干式变压器DC偏差监测系统在变电

当高压DC系统在单极接地回路中运行时，可能会对同一区域的交流系统产生影响。两个不同DC电位的变电站通过输电线路形成回路，DC电流将流向干式变压器的中性点和干式变压器的绕组。干式变压器会产生DC磁偏，导致干式变压器的噪声和振动增加。上海电网是典型的多终端DC多馈DC系统。许多DC接地极已经投入使用。DC偏磁对干式变压器的影响已经显现，对干式变压器的危害是长期的。目前没有有效的质量检验方法。因此，有必要建立一套有效的干式变压器DC偏磁实时监测系统。本文介绍了一套基于NI公司CompactRIO的干式变压器自动、高精度、实时DC偏磁监测系统。

高压直流系统的单回地线运行时，同一地区的交流系统可能会受到影响。因为两个不同DC电位的换流站通过传输线构成一个回路，导致一定的直流电流流入变压器中性点和绕组。变压器会出现DC偏磁现象，导致变压器噪声和振动增加。上海电网是典型的多DC多馈入直流输电系统，有多个DC接地极在运行。变压器DC偏磁的影响已经存在，并会对变压器造成长期危害，但目前还没有一套有效的质量检测方法。因此，有必要建立一套变压器DC偏磁实时监测系统。本文提出了一套自动化、高精度、实时监控系统的设计方案。监控系统可以显示主变压器中性点直流电流的幅值和极性，以及振动的幅值变化。它还能显示主变压器中性点直流电流分布规律与振动幅度的关系，为判断变压器DC偏磁程度提供依据。

题记：项目开发不能只靠一时的狂热，要靠正确的方法和大量的时间投入。较重要的是设计一个易于开发和实施的方案。做实用设备和做科研的区别在于，要考虑很多实际问题，不仅仅是性能，还要考虑选用的材料是否容易购买，配送周期，这样才能和很多厂家沟通协调。此外，还需要根据公司的特点进行方案设计。不像外的研究所，有专门的工程部门与研究人员合作，促进产品开发。作为一个以科技报告为主要产出的电力研究所，并不开发相关的设备和产品，缺乏相应的配套部门和人员。需要做的是掌握核心技术，具备复制修改能力，完全拥有自主知识产权。具体实现细节不是重点。根据以上分析，NI公司的产品较适合本文监控设备的开发。NI公司的硬件产品性能卓越完善，与开发软件LabVIEW高度集成，将工作量集中在LabVIEW程序开发上，大大简化了工作量，使本项目的较终完成成为可能。在确定了NI产品的构成方案后，方便在NI官网下载一个相关的套路。在购买NI产品的过程中，NI公司热情地提供了试用产品的机会，并且方便地进行了验证方案的测试，证明了方案的可行性。接下来的流程是不断的优化和改进，工作方向和思路清晰，可以保证时间不会浪费。 #p#分页标题#e#

应用领域：电力设备诊断、远程数据监控、分布式数据采集

挑战：监控系统

目标是：干式变压器中性点电流和干式变压器箱体的振动，振动通过检测加速度来反应。电流检测的难点：测量的电流范围大，而且要保证整个测量范围内的相对精度，需要多个量程霍尔电流传感器配合检测。加速度检测的难点：加速度传感器采用压电式的IEPE传感器，采集卡需要提供恒流源激励;要求可扩展到多个加速度传感器测量点，采样端口多，较高达到24个;采样速率要求高，需达到50kHz及以上;采样的数据量大，通信的信息量大;所采集的数据存储也较为困难，为了方便查询，数据存储的格式需要特别设计。

应用方案：本方案在吸取当下的直流监测系统优点的同时，还考虑直流偏磁对干式变压器影响即增加了振动的监测，通过同时监测主变中性点直流电流和干式变压器的振动，实时掌握干式变压器发生直流偏磁的情况。本方案提出的监测系统是一整套全自动、高精度、实时监测系统，能实时显示主变中性点直流电流流幅值和极性，及振动的幅值变化，能清晰地显示各变电站主变中性点直流电流的分布规律及与振动大小的关系，为判断干式变压器直流偏磁的程度提供依据。直流电流的监测方案已很成熟，主要考虑的是所要求的大范围内保证精度的要求;再根据上述分析的加速度检测方案，考虑到还需要开发监测台PC的界面，选择基于Labview的开发平台，可直接使用该软件开发PC界面，将数据通过光纤以太网传输到监测台PC。本项目的核心在于将众多IEPE采集卡端口与电流采集端口集成到一个平台，对这些信号进行分析和处理，IEPE采集卡端口可根据测试点的数量选择。

使用的产品：

LabVIEW 8.6.1软件开发平台

LabVIEW RT 8.6.1实时模块

LabVIEW FPGA 8.6.1工具包

LabVIEW Sound and Vibration 7.0工具包

LabVIEW Database Conectivity 1.0.2工具包

CompactRIO-9014嵌入式控制器

CompactRIO-9114可重新配置嵌入式机箱

Compact-9239高速电压信号隔离采集模块

Compact-9234 IEPE专用采集模块

Compact-9401高速TTL双向数字I/O模块

正文：

一、 引言

上海电网长期供不应求、电力不足，已经发展成为典型的受端电网。目前已经投运两条 500kV高压直流输电工程。上海电网将成为典型的多端直流和多馈入直流系统，将有多个直流接地极投入运行。高压直流系统单极大地回线运行时，巨大的直流电流经直流接地极流入大地，并在较大范围内造成地电位的明显变化。这种地电位的变化，对于同一地区的交流系统可能产生影响。两个处于不同直流电位的变电站经输电线路构成回路，会产生直流电流通过干式变压器中性点和干式变压器绕组。使得干式变压器出现直流偏磁现象，造成干式变压器噪声增大，振动加剧等[1][2][3]。#p#分页标题#e#

上海电网中，以上影响已经显现，如220kV干练站的主变中性点电流超过44.5A，并产生达94dB以上的噪声;葛南线直流单极运行时造成附近220kV银河、目华站主变噪声明显增大等。直流偏磁对干式变压器的危害是长期的，目前干式变压器生产厂家对承受直流偏磁的干式变压器长期运行的可靠性不做保证，并且没有一套行之有效的质量检验方法。因此非常有必要建立一套有效的实时监测系统[4][5]。

二、 干式变压器直流偏磁监测系统组成

干式变压器对于一个变电站至关重要，是变电站中主要组成部分，是核心部件，每个变电站中干式变压器的正常运行就显得至关重要。

干式变压器直流监测组成框图如图1所示，它主要由五部分组成：(1)干式变压器中性点霍尔电流传感器(CT)和振动传感器;(2)实时采集设备，实时采集CT和振动传感器监测到的信号，并进行相应的算法;(3)无线通讯设备，将实时采集设备与控制器的监测PC相连;(4)控制室的监测PC可以通过无线通讯接收实时采集设备监测到的数据，并可改变采集的参数;(5)各变电站的监测PC通过市公司在变电站中铺设的光纤网进行数据传输和汇总，在远程状态监测中心(如电科院)可以查看监测的各个变电站直流偏磁情况，并可对监测设备进行控制。

图 1 干式变压器直流偏磁监测系统结构示意图

三、 干式变压器直流偏磁监测系统设计方案

直流电流的监测方案已很成熟，主要考虑的是所要求的大范围内保证精度的要求;再根据上述分析的加速度检测方案，考虑到还需要开发监测台PC的界面，选择基于Labview的开发平台，可直接使用该软件开发PC界面，将数据通过光纤以太网传输到监测台PC。本项目的核心在于将众多IEPE采集卡端口与电流采集端口集成到一个平台，对这些信号进行分析和处理，IEPE采集卡端口可根据测试点的数量选择。

基于Labview开发平台，采集卡和控制器全部采用高性能工业级NI器件。如图2所示，电流的采样卡选择NI-9239;加速度采集卡采用自带恒流源的IEPE专用采集卡NI-9234;工业实时控制器采用cRIO-9014;可配置机箱采用cRIO-9114，可扩展8块采集卡。

NI-9014为嵌入式实时控制器，具有-40 ~ 70 C的操作温度范围，400MHz处理器、128M DRAM、2GB非易失存储介质。CompactRIO嵌入式控制器的设计极为坚固、可靠且电源能耗低，其9VDC和35VDC两种电源输入可用于CompactRIO机箱/模块的隔离供电。

NI-9114为8槽嵌入式机箱，具有-40 ~ 70 C的操作温度范围，3百万可重新配置I/O(RIO)，FPGA核心具有高超的处理能力，使用LabVIEW自动生成自定义控制和信号处理电路。

NI-9234为4通道C系列动态数据采集卡，自带2mA IEPE恒流源激励，可进行高精度的加速度测量，4条输入通道借助自动调节采样率的内置抗混叠滤波器(Delta-Sigma)，可同时以每通道高达51.2 kS/s采样信号。#p#分页标题#e#

NI-9401为8通道C系列高速数字I/O模块，100ns超高速数字输入输出，输入和输出的方向按半字节(4位)进行配置，可用LabVIEW对NI-9401编程，进行3种配置：8路数字输出、8路数字输出或4路数字输入和4路数字输出。

NI-9239为4通道C系列模拟输入模块，具有高速、准确的设计特点，分辨率、扫描率和输入范围方面同样具有优势。4条通道之间彼此隔离，借助通道间的隔离，包括待测设备在内的整套系统可以免受隔离等级内的电压尖脉的损害。4条输入通道借助自动调节采样率的内置抗混叠滤波器(Delta-Sigma)，可同时以每通道高达50 kS/s采样信号

本监测系统是安装在变电站中监测主干式变压器，变电站中规定不能随意施工、布线，因此现场的监测设备与控制楼中的上位机服务器之间的通信方式采用无线Mesh方式，Mesh网络可自动连接组成子网，且传输速度快，在变电站中多个干式变压器进行监测时，互相之间可自动形成网络，不需要额外的中继点，安装方便、节约成本。

图2 可扩展8个采集卡的监测系统

根据监测的要求及相关技术难点的分析，经过大量的调研工作，确定了电流的监测方法和霍尔电流传感器的参数，寻找具有相应经验的厂商订做;对于振动的监测，采用加速度来反应振动的情况，根据上述分析，选择了合适的加速度传感器，并进行了相应的计算，确定方案的可行性。

对于整体方案的选择，理论上分析通过后，进行了验证性的测试，如图3所示，为整体测试结构图，测试对象选择调压器，三维加速度传感器通过磁铁底座吸附在调压器的侧壁，传感器信号线连接到采集卡，采集卡通过FPGA对数据进行缓存后传输到控制器中处理，通过FFT、功率谱等算法后将结果通过以太网传输到上位机，在用户界面中显示出来。

图3 整体测试结构图

接下来将重点介绍干式变压器直流偏磁监测系统的电流和加速度的信号采集、处理算法的研究、无线通信方式、监测数据的存储设计。

1、电流和加速度的信号采集

1.1 电流信号采集

电流检测的难点：测量的电流范围大，而且要保证整个测量范围内的相对精度，需要多个量程霍尔电流传感器配合检测。通入下述的方法可以解决电流检测的技术难点[7][8]。

如图4所示， 电流监测模块包括：3个霍尔电流传感器、2个电源控制装置、MUX、ADC模块、量程判定和控制器，其中：霍尔电流传感器1的量程较大，一直上电工作不需要电源控制装置，霍尔电流传感器2和3都需要电源控制装置，MUX用于选择输入的霍尔电流传感器通道，ADC模块将霍尔电流传感器的模拟信号转换为数字信号输入到控制器。通过量程判定预先判断电流的量程并依据判定的量程选择相应的电流传感器，然后通过多路模拟开关选择电流传感器通道进行采样，接着通过数模转换模块转换为数字信号后输入到控制器，以及控制器发送触发信号对电流传感器进行断电处理，提出一种干式变压器中性点的、大范围的、可保证大范围内精度的电流检测方法。#p#分页标题#e#

电流检测方法，包括：

步骤一、通过量程判定预先判断电流的量程;

步骤二、依据判定的量程选择相应的电流传感器;

步骤三、通过多路模拟开关选择电流传感器通道进行采样;

步骤四、通过数模转换模块转换为数字信号后输入到控制器;

步骤五、控制器发送触发信号对电流传感器进行断电处理。

为了配合此种电流监测的方法，专门设计了量程判定单元和霍尔电流传感器专用的电源控制模块。

电流采集卡选择NI-9239，4条通道隔离采样可把3个霍尔电流传感器的采样隔离，彼此之间不影响，防止干式变压器的地电位对电流采集的干扰，保证了采集的准确性。量程较小的霍尔电流传感器2和3需要电源控制模块，而电源控制模块的输入信号是通过NI-9401发出的。cRIO控制器及机箱并没有可用作控制的输出端口，必须通过I/O类的模块实现，通过NI-9239、NI-9401就可以实现电流信号采集的闭环控制，克服上上述分析的电流检测的难点，实现了保证相对精度的满量程电流测量。

图4 电流采样装置示意图

1 来源：美家仪器