基于LabVIEW的变压器在线状态监测系统

李双科 吴记群

(兰州工业高等专科学校电气工程系1，甘肃 兰州 730050;兰州工业高等专科学校电子信息工程系2，甘肃 兰州 730050)

0 引言

变压器是电力系统各种设备中十分重要且比较贵重的关键设备之一，其安全运行对保证电网安全可靠意义重大。运行中的变压器一旦出现故障，则可能造成大面积的停电，由此造成巨大的经济损失。因此，变压器的状态监测具有重要的意义。有关部门的统计资料表明［1－2］，在变压器故障中，绕组、铁心和有载分接开关 (onload tap changer，OLTC)的故障分别占46.4%、23.6%和 18.5%，三项故障总和达到 88.5%，它们是变压器发生故障的主要部件。

目前，变压器在线检测的主要方法有:短路电抗法［3］、传递函数法［4］、声强法［5］、油样气相色谱法［6］和振动分析法［7－8］等。本文基于振动信号分析设计了大型电力变压器在线状态监测和故障诊断系统，通过监测变压器的振动信号、电压信号、电流信号和开关量信号，对信号进行综合分析后判断变压器的工作状态。该系统实现了在线测量的精确性和实时性，具有很好的应用前景。

1 振动分析法

变压器在稳定运行时，铁心由于硅钢片的磁滞伸缩引起振动，绕组在负载电流的电场力作用下也会产生振动，绕组和铁心的振动通过变压器器身和油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和铁心的压紧状况、位移和变形状态密切相关。因此，变压器油箱的振动信号能够直接、有效地反映出变压器运行中的绕组和铁心的状况［9］。

振动分析法就是通过固定在变压器油箱壁上的振动传感器得到振动信号，根据建立的数学模型对振动信号进行分析与处理，得出变压器的运行状态、故障原因、具体部件和损失程度等。

由于三相电力变压器每相的振动信号与该相的电压、电流信号密切相关，因此应对振动信号、电压和电流信号同时进行采样，以便分析振动信号与电压电流信号的相互关系［10］。

2 系统介绍

系统主要包括系数据采集终端和上位机两部分。数据采集终端安装在工作现场，主要完成数据采集和数据存储。上位机通过与数据采集终端进行通信(包括串口通信和以太网通信)，取得终端采样数据后主要对数据进行分析(包括波形分析和频谱分析)、显示和故障诊断。这部分主要采用LabVIEW编写程序实现。系统组成框图如图1所示。

图1 系统组成Fig.1 System structure

2.1 数据采集终端

终端硬件选择具有工业级的PC-104模块，其中，CPU模块选用台湾研华的PCM-3350，A/D模块为研华的PCM-3718。PCM-3718的主要指标是16路单端模拟输入或8路差分模拟输入、2个8位的数字输入端、转换精度可达12位、采样频率最高可达100 kHz。

由于需要监测三相电力变压器每一相的振动信号，因此至少需要3路振动传感器，系统设计有4路振动信号。此外，需要对变压器的三相电压、电流进行监测，同时系统各预留1路电压、电流测量通道，即各有4路采集通道，还有1路温度采集通道，共有13路模拟输入通道。

由于PCM-3718可采用16路单端模拟输入或8路差分模拟输入方式，而系统共有13路模拟输入，因此PCM-3718应采用单端输入方式。此外还须采集变压器的有载分接开关信息，故用到了PCM-3718的1个数字输入端口。变压器振动信号能量主要集中在基频(100Hz)附近，谐波分量都很小，500Hz以后基本衰减到0，因此，采样频率选择为4096Hz，可以保证信号分析的准确性。终端每10s采集一次数据。

操作系统选用WinCE，采用Embedded Visual C++进行监测软件编程。数据采集终端对采集到的变压器振动、电压、电流和温度信号进行一定的数据处理，并作出简单的状态诊断，最后通过RS-232、Ethernet把处理获得的数据和异常信息发送给上位机。上位机利用LabVIEW软件作进一步的分析处理，最终得到变压器的运行状况。

2.2 上位机

上位机部分采用LabVIEW软件编程。LabVIEW是由NI公司推出的一个功能强大而又灵活的仪器和分析软件应用开发工具，是科学研究和工程领域最主要的图形开发环境，广泛应用于仿真、数据采集、仪器控制、测量分析和数据显示等嵌入式应用开发系统。由于采用图形化编程，LabVIEW特别适用于做图形显示的系统界面。

上位机主要功能包括:实时波形和频谱显示、实时趋势分析、实时棒图和数据列表显示、天趋势分析、年趋势分析和报警分析。上位机实时波形和频谱显示流程如图2所示。

图2 实时波形和频谱显示流程图Fig.2 Flowchart of real-time waveform and spectrum display

上位机部分首先根据数据分析的需要生成相应的请求帧，通过串口或以太网通信方式把请求帧发送给数据采集终端，终端收到请求帧后组织数据，然后发送相应的数据给上位机。上位机收到数据后首先判断数据接收是否正确:若数据接收错误，则发送数据接收错误响应帧给终端，通知终端重新发送数据;如果数据接收正确，则首先发送数据接收正确响应帧给下位机，表明此次数据通信完成。然后上位机对数据进行相应的处理，并进行波形、频谱显示和系统工作状态显示，以及当前变压器工作是否正常等信息显示。

①实时波形和频谱显示部分用来显示当前时刻12路信号中的1～4路信号的实时波形、实时频谱和选中通道的静态数据。波形数据每10s更新一次，显示的通道最多可以选择4路，最少1路，频谱显示的范围为0～2 kHz。

②实时趋势分析部分用来显示当前5 min内4个振动组通道的静态数据，并对数据进行分析以及显示当前变压器趋势变化。

③实时棒图和数据列表部分分别用棒图和列表的形式显示当前10s内的静态数据。

④天趋势分析部分用来显示从当前时刻开始往前24 h内的静态数据。天趋势分析可以反映当前一天内变压器的运行情况。

⑤年趋势分析部分用来显示过去某天内的静态数据。年趋势分析可以用来查询过去某天内的历史数据。

⑥报警分析部分是用来显示报警时刻振动、电压和电流波形、频谱以及报警前后各150s的静态数据，并记录同时刻的振动、电压和电流波形数据，以便进一步分析报警时刻的振动与电压、电流的相互关系。

3 实时波形和频谱显示界面

实时波形和频谱显示界面主要包括:工作状态指示灯、通道选择、波形显示、频谱显示、静态数据显示和各功能按钮。

①工作状态指示部分包括变压器状态指示灯和终端状态指示灯。变压器状态指示灯为绿色，表示当前变压器处于正常工作状态，红色代表当前变压器处于报警状态。终端状态指示灯为绿色，代表当前终端处于正常工作状态，红色代表当前终端处于故障状态。

②通道选择部分包含4路振动、4路电压和4路电流共12路通道选择按钮。用户可以从中选择1～4路，若选择超过4路，则选择无效，需重新进行选择。选择完成后按确认按钮便可实现通道更新，下一次数据显示就按此次选择的通道进行显示。

③实时波形显示部分实时显示当前时刻所选通道的波形数据。用户可以通过改变波形显示界面的横坐标范围来更清楚地观察波形，此外可以通过游标移动读取所在位置的数据。

④实时频谱显示部分通过对波形数据进行FFT运算，得到对应的频谱数据并进行显示。显示的频谱数据范围最大为2 kHz。通过频谱图可以更有利于在频域分析信号。

⑤静态数据显示部分显示所选通道的振动组静态数据。

⑥各功能按钮主要包括冻结、存储、打印。如果对某一时刻的数据特别感兴趣，可以通过冻结按钮停止数据更新;如果想保存某一时刻的数据，可以在冻结的情况下通过存储按钮保存该时刻的数据，以便于将来进一步分析该时刻的数据。此外还可以通过打印按钮打印当前时刻的波形图。

4 结束语

本系统采用振动分析法对变压器的振动、电压、电流和温度信号同步采样，更有利于分析变压器的振动信号与电压、电流之间的相互关系，对于故障诊断能够起到更好的作用。

［1］王梦云.全国110 kV及以上变压器事故统计分析［J］.供用电，2006，23(1):1 －5.

［2］梁义明，武志勇，敖明.变压器铁芯内部故障分析［J］.吉林电力，2006，34(5):41 －44.

［3］李强.基于短路电抗分析的变压器绕组变形在线监测的研究［D］.成都:西南交通大学，2005.

［4］何平，文习山.变压器绕组变形的频率响应分析法综述［J］.高电压技术，2006，32(5):37 －40.

［5］谭闻，张小武.电力变压器噪声研究与控制［J］.高压电器，2009，45(2):70 －76.

［6］陈伟根，刘冰洁，周恒逸，等.变压器油中溶解气体光声光谱检测的温度特性［J］.电工技术学报，2010，25(11):15 －20.

［7］刘瑾，杨海马，张青.虚拟仪器在变压器故障诊断中的应用［J］.自动化仪表，2010，31(10):16 －18.

［8］唐卫民，傅坚，邵宇鹰.大型变压器绕组状态振动分析法的试验研究［J］.变压器，2010，47(1):25 －27.

［9］马宏彬，柯金良，陈青恒.500 kV单相电力变压器的振动与噪声波形分析［J］.高电压技术，2008，34(8):1599 －1604.

［10］傅坚，徐剑，陈柯良，等.基于振动分析法的变压器在线监测［J］.华东电力，2009，37(7):29－32.