基于声音判别的变压器偏磁无线报警装置设计

朱建伟，江锡旦

（中国南方电网调峰调频发电公司天生桥水力发电总厂，贵州 兴义562400）

基于声音判别的变压器偏磁无线报警装置设计

朱建伟，江锡旦

（中国南方电网调峰调频发电公司天生桥水力发电总厂，贵州 兴义562400）

变压器直流偏磁会导致变压器噪声增加、铁心过热等危害，对变压器和电网安全运行极为不利。快速、准确地检测出变压器偏磁是解决偏磁对变压器本体、电力系统运行危害的首要任务。用测量变压器中性点电流的方式来检测直流偏磁装置具有成本高、结构复杂、故障时影响变压器运行等不足。利用变压器偏磁时运行声音增大这个显著特征，采用声音采集模块、西门子TC35模块和S7-200 PLC，设计出能够监测变压器直流偏磁的无线报警装置。试验和使用效果表明，该装置具有报警准确、安装方便等特点。

直流偏磁；声音判别；无线报警

0 引言

变压器直流偏磁是指交直流并列运行的网络在直流输电发生故障或单极闭锁时，在换流站周围区域内会产生地表电流，与其并行运行的交流输电系统中联络变压器会受到干扰，变压器接地中性点会产生直流分量[1]。直流偏磁发生时，变压器运行声音变大，振动加剧，严重时会使变压器铁芯极度饱和，局部过热导致变压器损坏。变压器直流偏磁严重时也会使电网电压下降，电容器组过载，继电保护误动作，对系统运行产生危害[2]。快速、准确地发现变压器直流偏磁是降低直流偏磁对设备、系统危害的关键。

目前，对变压器偏磁研究主要集中在中性点电流分析上。文献[3]在天广直流模型基础上，对直流偏磁进行建模仿真。文献[4]利用在变压器中性点加装电流互感器的方式监测直流偏磁，能够准确监测出变压器直流偏磁，并送至监控系统上。文献[5]对变压器偏磁发生时振动信号进行分析，理论上证实可以利用振动信号监测变压器偏磁。但是，基于检测中性点电流或在本体上安装振动传感器的直流偏磁报警装置具有如下缺点：（1）成本高。设备由霍尔电流互感器、现地监测模块、数据存储

模块、通信模块等构成，因此造成结构复杂，成本高；（2）实现远方监控需要长距离布线。大型变压器通常是在远离监控系统的户外运行，如果要实现远程监控，需要长距离布线和安装中继器等设备；（3）影响变压器正常运行。设备安装在变压器本体或中性点引出线，安装时变压器需停运，设备发生故障时可能会影响变压器正常运行。

针对上述问题，本文通过采用变压器偏磁声音变大这一特征获取声音信号，当变压器运行声音超过设定的门限值后，由GSM模块发送短消息到值班员手机上，达到快速报警的目的。设备不需安装在变压器本体，其安装与维护不影响变压器正常运行。

1 系统硬件构成

装置由声音采集模块、S7-200PLC、TC35模块三部分组成（如图1所示）。声音采集模块中声控开关常开接点接到 S7-200PLC输入点 I0.0，S7-200PLC的 Port0口通过PC/PPI电缆与TC35模块连接。所有模块集中安装在一个箱体中，装置面板有电源指示灯和偏磁报警指示灯。正常工作时电源指示灯亮，当检测到变压器有偏磁现象时，偏磁报警指示灯亮，方便巡检人员现场发现变压器偏磁。

图1 变压器偏磁告警装置系统示意图

1.1 声音采集模块构成

声音采集模块由电源电路、语音电路、单片机模拟电路、继电器电路组成，模块的核心是 EM78P259ND18J单片机。图2为系统结构图。

图2 声音采集模块系统示意图

（1）声控开关电源电路：该部分将AC200V电源通过内部的整流桥电路与电容电阻分压电路转换成符合声控系统工作的直流电压，提供给电路板工作。

（2）声控开关语音电路：该部分电路主要感应外界语音信号，通过语音信号触发模块工作，从而使整个系统工作。

（3）声控开关芯片模拟电路：将外界语音信号转变成模拟电压信号，使芯片工作。

（4）声控开关继电器电路：当外界声音达到门限值并持续一段时间后，继电器常开接点闭合，向外输出一个开关量；当外界声音低于门限值并持续一段时间后，继电器常开接点断开。

模块还配置有3个电位器，用来调节声音门限、延时时间X（声音大于门限值持续时间）、延时时间Y（声音小于门限值持续时间）。下面介绍具体调节方法：

（1）声音灵敏度基准设置：逆时针方向灵敏度提高，顺时针方向灵敏度降低，调节最大圈数位28圈。通过测量CPU芯片的第2脚电压可知，接近0 V灵敏度最高，接近5 V灵敏度最低，灵敏度范围30 dB～120 dB。

（2）延时时间 X设置：逆时针方向时间调小，顺时针方向时间调大，调节最大圈数位 28圈，每圈时间255/ 28 min。通过测量CPU芯片的第1脚电压可知，接近0 V时间最小，接近5 V时间最大。

（3）延时时间 Y设置：逆时针方向时间调小，顺时针方向时间调大，调节最大圈数位 28圈，每圈时间255/ 28 min，通过测量CPU芯片的第17脚电压可知，接近0 V时间最小，接近5 V时间最大。

1.2 TC35模块结构

图3为TC35模块结构图。TC35模块主要由4部分组成：GSM基带处理器（GSM Baseband）、GSM射频部分（Radio）、电源 ASIC（Application Specific Integrated Circuit）、Flash。TC35共有40个引脚，通过一个ZIF（Zero Insertion Force）连接器引出。这40个引脚可以划分为5类：电源、数据输入/输出、SIM卡、音频接口和控制。GSM基带处理器是整个模块的核心，控制着模块内各种信号的传输、转换和放大等处理过程。GSM射频部分完成对射频信号的接收和发送等处理。电源ASIC部分把外部输入的电源电压进行稳压处理后供GSM基带处理器和GSM射频部分使用，此外还输出一个2.9 V/70 mA的电压供模块外的其他电路使用。Flash用来存储用户配置信息、电话本和其他信息。

图3 TC35模块示意图

TC35模块通过串口与 S7-200PLC通信，当接收到S7-200PLC发送短信的指令后向指定手机号码发送短

消息。使用时要运用串口调试软件对TC35进行设置，用“AT+CMGF=1”指令设置TC35以普通文本格式发送短消息，用“AT+IPR=9600”设置TC35端口波特率为9 600 b/s，用“ATE0”设置禁止回波，使其适合与PLC通信。

1.3 S7-200PLC功能实现

S7-200PLC拥有自由口通信能力，它是建立在半双工RS-485硬件基础上的一种通信方式，可以自定义字符通信格式。硬件上使用PC/PPI电缆将PLC和TC35连接起来，通过XMT（发送）和RCV（接收）两条指令及相应的特殊寄存器实现与TC35模块通信。

1.3.1 Port0端口初始化

由于采用自由口通信方式，需要在程序第一个扫描周期对端口初始化，即对S7-200PLC特殊寄存器进行赋值，具体赋值及含义如表1所示。

表1 S7-200PLC特殊寄存器

1.3.2 程序执行流程

首次扫描对 Port0口初始化后，PLC每个扫描周期均检测I0.0是否是高电平。变压器运行正常时，声音检测模块的声控开关继电器没有励磁，常开接点断开，I0.0没有输入信号，为低电平。当变压器发生偏磁，声音检测模块的声控开关继电器励磁，常开接点闭合，I0.0输入 24 V信号，PLC检测到 I0.0上升沿，与TC35模块通信，将存储在PLC数据块的告警信息发送到TC35模块，TC35接到指令后即向指定号码发送变压器告警短信。当变压器偏磁消失，I0.0输入由高电平变为低电平，PLC检测到I0.0下降沿信号，与TC35模块通信，发送变压器偏磁告警复归信息给指定号码，达到解除报警的目的。S7-200PLC程序执行流程如图4所示。

图4 PLC程序流程图

2 试验及使用效果分析

2.1 声音采集模块试验

根据变压器正常运行的声音与偏磁时声音分贝值不同来调整声音灵敏度电位器和延时电位器，使继电器在小于75 dB时不动作，大于 75 dB且持续 5 s后动作；声音小于75 dB且持续5 s后继电器复归。如图5所示，变压器声音信号中有一段瞬时噪音（3 s），由于不足5 s，继电器没有动作，避免了在实际应用中由于外部环境瞬时噪音导致误判。

图5 声音采集模块试验结果图

2.2 PLC程序运行监视

当声音采集模块继电器动作后，常开接点闭合，PLC I0.0点输入高电平信号，延时后与TC35模块通信，TC35模块按照指令向指定手机发送短信。图6是PLC程序运行监视图，VB0存放指定手机号码，VB100用来存放TC35模块返回信息。由图可知当检测到I0.0点上升沿时，装置本体Q0.0输出，现场告警灯亮，同时与TC35通信，发送告警短信。

图6 PLC程序运行监视图

2.3 实际使用效果

2013年7 月4日，天广直流发生单极闭锁，天生桥电厂运行人员发现#4B联变运行声音异常，声音明显增大，类似联变充电时的声音。现场检查发现，联变中性点接地电流直流分量最大测量值为2.76 A。变压器生产厂家日本三菱公司对偏磁情况说明，在DC 3 A时，噪音会增加7.3 dB，温升低于2 K。变压器最大能承受中性点流过DC 20 A，此时噪音会增加9 dB。

安装无线报警装置后，装置自动报警发现直流偏磁3次，到现场测量中性点均有直流分量，与调度核实天广直流有操作或单极运行。

3 结论

大型变压器在电力系统中起着至关重要的作用，直流偏磁严重时会影响到系统的安全稳定。本文用噪音这一特征来检测直流偏磁，并设计整套无线报警装置，具有造价低廉、安装便捷、运行安全可靠等特点。由于声音的采集可以远离变压器主设备，该装置对运行设备没有任何影响，可确保安装和维护时变压器正常运行。

[1]苑舜，王天施.电力变压器直流偏磁研究综述[J].高压电器，2010，46（3）：83-85.

[2]申涛，孙晓刚.一起 500 kV变电站主变噪声异常分析及处理[J].变压器，2013，50（2）：68-50.

[3]林湘宁，相艳会.HVDC单极-大地运行情况下换流变压器直流偏磁建模仿真[J].电力科学与技术学报，2013，28（1）：31-35.

[4]高强，李平.变压器直流偏磁在线监测装置及其监测方法[P].中国：CN103197178A，2013-07-10.

[5]孙贝贝，刘连光.基于振动信号的变压器直流偏磁监测系统的设计[C].中国高等学校电力系统及其自动化专业第二十四届学术年会论文集，2008.

The design of transformer magnetic bias wireless alarm system based on the sound judgment

Zhu Jianwei，Jiang Xidan
（Tianshengqiao Hydropower General Plant，China Southern Power Grid Frequency and Amplitude Modulation Power Company，Xingyi 562400，China）

Power transformer D.C.magnetic biasing could contribute to noise increase and iron core overheating，etc.，which is in disfavor of the safe operation of transformer and power grid.The top priority to settle the detriment on transformer ontology and electric power system operation thrown by D.C.magnetic biasing is to detect out D.C.magnetic biasing of transformer quickly and exactly.To measure D.C.bias magnetic device，the way of measuring the neutral point current which is highly-priced and completely-structured needs to further improve its optimization.To work out wireless alarm device monitoring transformer D.C bias，sound acquisition module，Siemens TC35 module and S7-200 PLC are employed in this paper，accompanied by the adoption of the marked feature— running voice in the transformer D.C bias.It is suggested by the experiment and effects in use that this device is featured by alarming accurately and installing conveniently，etc.

D C bias；sound discriminant；wireless alarm

TM401.2

A

0258-7998（2015）05-0067-03

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.05.014

2015-01-19）

朱建伟（1985-），男，硕士，工程师，主要研究方向：水电厂运行。

江锡旦（1989-），男，本科，助理工程师，主要研究方向：水电厂运行。