城市轨道交通主变电所主变压器铁芯接地智能监测系统研究

代文平，汪秋宾，贺 毅

（四川艾德瑞电气有限公司，四川成都 610031）

0 引言

城市轨道交通主变电所作为地铁线路的总变电所，承担整条地铁线路的电力负荷用电。主变压器作为主变电所的核心电气设备，其正常运行要求铁芯/夹件单点接地，当出现多点接地，会严重影响城市轨道交通运行安全[1-2]。国内外近年来对变压器铁芯接地监测技术展开了大量研究[3-7]，但存在测量精度及时效性差等问题。研究表明，铁芯的故障大部分是由于铁芯/夹件多点接地引起的[8]。目前，对城市轨道交通主变压器的铁芯接地电流监测技术仍处于一片空白，因此，本文提出一种适用于城市轨道交通主变电所主变压器的铁芯接地智能监测系统，对变压器铁芯接地故障检测技术的研究具有重大意义[9]。

1 主变压器铁芯接地智能监测系统方案设计

1.1 总体架构

城市轨道交通主变电所主变压器的铁芯接地智能监测系统采用过程层、云端层和站控层的 3 层架构方式，主要由监测电子设备（监测 IED）、云服务器、Web 应用服务器、通信链路及监测软件构成。系统总体架构如图 1 所示。

图1 主变压器铁芯接地智能监测系统总体架构

（1）过程层。监测 IED 就地化设置在主变压器的铁芯接地点附近，完成铁芯接地电流的采集和处理，并通过 GPRS 的传输方式，将采集的电流数据通过移动基站传送给云服务器。

（2）云端层。接收由监测 IED 发送的铁芯电流数据，并进行数据储存。

（3）站控层。通过电脑或手持式设备终端等设备登录 WEB 应用服务器，完成电流数据的访问。

该系统具有远距离传输、组网方式灵活、功能扩展方便、抗干扰能力强等特点，可同时监测多个主变电所的主变压器铁芯接地电流，实现对主变压器的实时监测和运行状态控制，大大降低运维人员的劳动强度，提高工作效率。

1.2 硬件设计

城市轨道交通主变电所主变压器的铁芯接地智能监测系统的硬件主要由高精度单匝穿芯式传感器、电源模块、模拟信号处理模块、模拟信号采集模块、数字信号处理和通信管理模块、GPRS 通信模块和 RS485 通信模块组成，其硬件框图如图 2 所示。

图2 主变压器的铁芯接地智能监测系统硬件框图

1.2.1 电源模块

由于监测 IED 采用就地化安装，因此电源设计应充分考虑电磁干扰（EMI）和电磁耐受（EMS）2 个方面的因素。电源模块采用高性能的模块化小型结构，选型应满足DL/T 1498.2-2016《变电设备在线监测装置技术规范第一部分 1：通则》中功耗、电磁兼容（EMC）等项目相关技术要求。

1.2.2 高精度单匝穿芯式传感器

高精度单匝穿芯式传感器作为监测本体取样的接口元件，在设计时应充分考虑不影响监测本体的安全运行，选型应满足 DL/T 1498.2-2016《变电设备在线监测装置技术规范第一部分1：通则》中精度、温度及 EMC等项目相关技术要求。

1.2.3 模拟信号处理模块和采集模块

模拟信号处理模块应采用高精度、高输入阻抗、低漂移阻抗单元的集成运算放大器，保证小电流和大电流信号的精度，避免由于传感器线性度不高造成的误差增大。采集模块在电路设计时应与传感器特性及处理模块电路配合，保证满足 DL/T 1498.2-2016《变电设备在线监测装置技术规范第一部分 1：通则》中相关的精度要求。

1.2.4 数字信号处理和通信管理模块

数字信号处理和通信管理模块负责数据运算和通信管理。数据运算采用非递归型滤波器（FIR）高阶低通数字滤波器和离散傅氏变换的快速算法（FFT分析算法），实时计算铁芯接地电流及其谐波电流。数据计算完成后通过 GPRS 模块上传数据至云平台服务器，也可由 RS485 接口采用 MODBUS 协议传到当地 IED 或数据后台。

1.2.5 GPRS 通信模块

GPRS 通信模块将由数字信号处理和通信管理模块实时计算的铁芯/夹件接地电流及其谐波电流数据上传至云平台服务器。设计时应从功耗低、体积小、高性能等特性方面考虑。

1.2.6 RS485 通信模块

RS485 通信模块负责将铁芯接地电流数据传到当地IED 或数据后台。选型应满足 DL/T 1498.2-2016《变电设备在线监测装置技术规范第一部分1：通则》中相关的EMC项目技术要求。

1.3 软件设计

铁芯/夹件接地在线监测系统的软件由监测装置IED端和服务端 2 部分构成。

1.3.1 监测装置 IED 端软件

监测 IED 端软件按照设定的采样间隔对接地电流进行采样，将采样的数据处理后写入数据传输缓存中并通过无线发射模块发送至云端。其软件流程如图 3 所示。

1.3.2 服务端软件

服务端的软件包括系统配置、数据采集、历史数据保存和实时告警模块，其软件框图如图 4 所示。

4.5 严格餐饮具清洗消毒。餐饮服务单位应配备洗碗机或以蒸汽、煮沸等方式，严格落实餐饮具和工用具使用后清洗，使用前消毒，消毒后的餐饮具应符合GB14934的规定。餐饮服务单位应配备专用、密闭餐饮具保洁设施，消毒后餐饮具和工用具并在保洁设施内存放。已消毒和未消毒的餐饮具和工用具应分开存放，保洁设施内不得存放其他物品。

（1）系统配置模块。在移动端或无专用程序时可通过 WEB 端口进行系统配置，也可通过专用协议和专用配置程序通信完成系统配置。

（2）数据采集模块。在传输控制协议（TCP）端口打开服务程序，启动一定数目的服务线程等待监测IED 的连接，当监测 IED 连接成功时，立即分配空闲的服务器处理监测 IED 上传的数据，并将数据解析后存入实时数据库。

图3 监测 IED 端软件流程图

（3）历史数据保存模块。实时数据保存完成后，数据进入变化保存服务程序队列，变化保存服务程序根据配置文件定义，保存该点的历史数据。

（4）实时告警模块。实时数据保存完成后，数据进入报警服务程序队列，报警服务程序根据配置文件定义，判断当前数据是否异常，并按要求写入或清除正在报警库，同时存入历史事件库。

2 主变压器铁芯接地智能监测系统的应用

根据 DL/T 596-2005《电力设备预防性试验规程》要求，运行中的铁芯/夹件接地电流一般不大于 0.1 A。为验证上述系统方案的可行性，设计了一台主变压器铁芯接地智能 IED，搭建智能监测系统，进行了测试。

铁芯智能 IED 的安装方式方便灵活，主变压器的铁芯接地采用扁铁连接，智能 IED 直接安装在扁铁走向经过的位置，接地扁铁直接穿过智能 IED 上的穿线孔；也可将主变压器的接地扁铁截断，换用软导线穿过智能IED 设备上的穿线孔后进行就近接地。智能 IED 采用固定支架固定方式，可利用主变压器的螺栓来固定安装支架，也可将支架设计成夹具形式固定在主变压器上，亦或将支架直接焊接在主变压器本体上。

由于铁芯接地智能 IED 采用单匝穿芯式进行信号取样，考虑智能 IED 的安装现场工况，将样机挂网点的主变压器接地扁铁截断，换用软导线穿过设备上的穿线孔后采用螺栓连接两端的扁铁进行铁芯的接地，同时采用主变压器的螺栓固定智能 IED 的安装支架，如图 5所示。

智能 IED 正常运行后，通过 GPRS 通信模块将由数字信号处理和通信管理模块实时计算的铁芯/夹件接地电流及其谐波电流数据上传至云平台服务器，用户登录云平台可对主变压器进行远程实时监测和运行状态控制，监测的实时数据如图 6 所示。

图 7 显示出了监测的铁芯电流月历史数据，通过这些数据有利于掌握铁芯电流的变化情况和趋势，为运营维护人员提供有效的数据支撑，实现状态检修。

图4 服务端软件框图

图5 智能 IED 挂网图

通过图 6、图 7 的铁芯接地智能监测系统的测试数据可知，该系统完成了主变压器铁芯接地电流的实时采集与显示、历史数据存储等功能，为提高监测主变压器安全运行提供了有效的技术手段。

图6 铁芯实时监测数据

图7 铁芯监测数据曲线及报表

3 结论

本文设计了一种适用于城市轨道交通主变电所主变压器的铁芯接地智能监测系统，实现了对主变压器的远程实时监测和运行状态控制。同时，该系统具有组网方式灵活、功能扩展方便、数据存储和历史查询等功能特点，为城市轨道交通的运营及维护提供了有效的技术手段，提高了供电系统的安全性和可靠性。

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