一种用于对变压器绕组注入正弦激励信号的装置及方法与流程

本发明涉及输变电设备状态传感
技术领域：
，并且更具体地，涉及一种用于对变压器绕组注入正弦激励信号的装置及方法。
背景技术：
：电力变压器是电力系统的关键核心设备，截至2015年底，国网系统110kv及以上等级变压器在运量超过39000台，设备装用量巨大，其运行可靠性直接关系到电力系统的供电安全。然而近年来，变压器绕组变形故障频发，位居变压器故障首位，2006年～2015年，国网系统因绕组变形引起的220kv及以上等级变压器损毁故障达81台次，占变压器全部故障的33.8％。频繁的变压器绕组变形故障导致了极大的设备可靠性的担忧，尤其随着电力系统规模越来越大，容量越来越高，系统短路电流水平逐年提升，变压器绕组变形故障隐患更加突出，系统短路后，如何快速有效地检测出变压器是否发生绕组变形，避免变压器故障损毁，已经成为运维单位重点关注的问题，亟需解决。频率响应法是目前公认的检测绕组变形最为有效的技术手段，在变压器绕组变形离线检测方面取得了良好的应用效果，但是离线检测受制于被测设备的停电检修时间，无法实时获取变压器运行过程中的绕组变形状态。开展基于频响法的变压器绕组变形在线监测能够有效解决上述问题，但是在线工况下变压器绕组所处的电气网络涉及到不同负载回路，与离线状态下单一的变压器绕组回路完全不同，离线检测所用的频响信号注入方法、提取方法以及故障诊断方法均无法直接应用于在线监测。目前对变压器在线拓扑结构对频响信号的作用机理、激励信号注入方法、响应信号监测及在线诊断算法等关键问题尚未取得突破。技术实现要素：针对上述问题本发明一种用于对变压器绕组注入正弦激励信号的装置，包括：上位机，生成输出信号指令传输至高频大功率正弦信号源，对程控式绕组分接开关下达开关动作命令；高频大功率正弦信号源，接收输出信号指令后，输出正弦激励信号；程控式绕组分接开关，根据开关动作命令，切换分接开关，并将4抽头激励绕组中任意一个激励绕组接入电器回路；4抽头激励绕组，连接变压器绕组，并将变压器绕组穿过4抽头激励绕组的闭合磁芯，通过程控式绕组分接开关的切换，接收正弦激励信号并注入变压器绕组。可选的，正弦激励信号的频率为100hz～2mhz范围内程控可调、幅值0～150vpp范围内程控可调何功率200w的正弦激励信号。可选的，100hz～2mhz的频率范围，划分为低频、中频、中高频和高频四个频段。可选的，4抽头激励绕组，包括4个激励绕组，4个激励绕组根据激励绕组匝数由多至少分别接收低频、中频、中高频和高频四个频段的正弦激励信号。可选的，程控式绕组分接开关为四选一高频开关选通电路。本发明还提出了一种用于对变压器绕组注入正弦激励信号的方法，包括：上位机生成输出信号指令传输至高频大功率正弦信号源，对程控式绕组分接开关下达开关动作命令；高频大功率正弦信号源接收输出信号指令后，输出正弦激励信号；程控式绕组分接开关根据开关动作命令，切换分接开关，并将4抽头激励绕组中任意一个激励绕组接入电器回路；4抽头激励绕组连接变压器绕组，并将变压器绕组穿过4抽头激励绕组的闭合磁芯，通过程控式绕组分接开关的切换，接收正弦激励信号并注入变压器绕组。可选的，正弦激励信号的频率为100hz～2mhz范围内程控可调、幅值0～150vpp范围内程控可调何功率200w的正弦激励信号。可选的，100hz～2mhz的频率范围，划分为低频、中频、中高频和高频四个频段。可选的，4抽头激励绕组，包括4个激励绕组，4个激励绕组根据激励绕组匝数由多至少分别接收低频、中频、中高频和高频四个频段的正弦激励信号。可选的，程控式绕组分接开关为四选一高频开关选通电路。本发明解决了接入变压器绕组正弦激励信号功率不足和缺乏强磁场耦合回路等问题，并以非接触方式向变压器绕组耦合注入信噪比满足测量要求的正弦激励信号。附图说明图1为本发明一种用于对变压器绕组注入正弦激励信号的装置结构图；图2为本发明一种用于对变压器绕组注入正弦激励信号的装置实施例程控式绕组分接开关结构图；图3为本发明一种用于对变压器绕组注入正弦激励信号的装置实施例程控式绕组分接开关工作原理图；图4为本发明一种用于对变压器绕组注入正弦激励信号的装置实施例扫频信号发生器dds结构图；图5为本发明一种用于对变压器绕组注入正弦激励信号的装置实施例dds数字电路时序控制原理图；图6为本发明一种用于对变压器绕组注入正弦激励信号的装置实施例电流舵型dac结构图；图7为本发明一种用于对变压器绕组注入正弦激励信号的装置实施例高频大功率放电器电路图；图8为本发明一种用于对变压器绕组注入正弦激励信号的装置实施例100hz～2mhz范围内正弦信号频率误差曲线图；图9为本发明一种用于对变压器绕组注入正弦激励信号的方法流程图。具体实施方式现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属
技术领域：
的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属
技术领域：
的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。本发明提出了一种用于对变压器绕组注入正弦激励信号的装置，如图1所示，包括：上位机，生成输出信号指令传输至高频大功率正弦信号源，对程控式绕组分接开关下达开关动作命令；高频大功率正弦信号源，接收输出信号指令后，输出正弦激励信号；程控式绕组分接开关，根据开关动作命令，切换分接开关，并将4抽头激励绕组中任意一个激励绕组接入电器回路；4抽头激励绕组，连接变压器绕组，并将变压器绕组穿过4抽头激励绕组的闭合磁芯，通过程控式绕组分接开关的切换，接收正弦激励信号并注入变压器绕组。正弦激励信号的频率为100hz～2mhz范围内程控可调、幅值0～150vpp范围内程控可调何功率200w的正弦激励信号。100hz～2mhz的频率范围，划分为低频、中频、中高频和高频四个频段。4抽头激励绕组，包括4个激励绕组，4个激励绕组根据激励绕组匝数由多至少分别接收低频、中频、中高频和高频四个频段的正弦激励信号。程控式绕组分接开关为四选一高频开关选通电路。下面结合实施例对本发明进行进一步说明：如图1所示，高频大功率正弦信号源输出正弦激励信号；4抽头激励绕组由绕制在闭合磁芯上的4段不同匝数的绕组构成；程控式绕组分接开关有4组程控式高频开关组成，实现对不同匝数激励绕组的程控式切换。工作原理如下：上位机向高频大功率正弦信号源下达输出信号频率及幅值指令，高频大功率正弦信号源输出频率及幅值满足上位机指令要求的正弦信号。上位机向程控式绕组分接开关下达开关动作令，程控式激励绕组分接开关根据上位机指令要求进行开关切换，将激励绕组的特定抽头接入电气回路。被测变压器绕组连线穿过激励绕组所在的闭合磁芯，根据电磁耦合原理，接入电气回路的激励绕组能够在被测变压器绕组所在的二次回路产生感应电流i，进而在被测变压器绕组两端建立感应电动势u。为获取较高的耦合效率，将100hz～2mhz频率范围划分为低频、中频、中高频、高频四个频段，每个频段选用不同匝数的激励绕组进行信号耦合，频段越低选用的激励绕组匝数越多。不同匝数的激励绕组通过程控式激励绕组分接单元进行切换。程控式激励绕组分接开关由四组四选一高频开关选通电路组成，每一组中任何一个开关闭合时其他开关均断开，如图2所示，电路耐压dc200v，电流1a，dc12v供电，usb接口控制。程控式激励绕组分接开关的工作原理如图3所示，1、2两组开关分别连接4个激励绕组的首、尾端，实现对四个激励绕组的四选一式选通，3、4两组开关分别连接各激励绕组的匹配电阻，实现匹配电阻的四选一式选通。上位机下达指令使k11、k21、k31、k41开关闭合，则其他开关断开，此时电路将激励绕组l1和匹配电阻r1接入信号回路，高频大功率正弦信号源的输出信号施加在激励绕组l1的两端，由激励绕组l1实现信号的耦合注入。由于激励绕组在高频条件下呈感性，相同匝数条件下感抗值随频率升高而增大，相同频率条件下感抗值随匝数增多而增大。为获得较高的电磁耦合效率，不同频段信号应选用不同匝数的激励绕进行电磁耦合，频率低时使用多匝数激励绕组，频率高时使用少匝数激励绕组。将1khz～2mhz划分为低频段、中频段、中高频段及高频段四个不同频段，各频段与激励绕组的对应关系如表1所示。表1起始频率截止频率激励绕组匹配电阻低频段1khz100khzl1r1中频段100khz500khzl2r2中高频段500khz1mhzl3r3高频段1mhz2mhzl4r4高频大功率正弦信号源的基本参数如下：信号输出范围0～150vpp程控式调节，幅值精度优于1％，信号输出频率100hz～2mhz程控式调节，调节精度100hz，各频点频率误差不大于0.01％，可进行100hz～2mhz范围内的连续扫频输出，输出信号幅值在0～150vpp范围内可调，能够在变压器带负载运行条件下向变压器绕组耦合注入激励信号，注入信号不失真且耦合效率不低于80％。作为下位机通过有线或无线网络与上位机进行控制指令交互，上位机可对不少于3台的下位机网络进行切换及指令控制，控制响应时延不大于5ms。提供与上位机进行控制指令交互的开源代码及接口协议，能够根据用户需要在上位机开发高级应用程序及人机交互界面。原理如下：采用直接数字频率综合器(directlydigitalfrequencysynthesis，ddsorddfs)技术来产生不同频率的正弦波信号，扫描正弦信号源由dds产生，其输出频率改变由数字电路控制，频率分辨率可以达到1hz以下，产生的激励正弦波在芯片外部经过滤波和放大后，由功率放大器驱动变压器。dds正弦信号发生器工作时钟频率为50mhz，输出频带范围为0.1khz～2mhz，输出频率分辨率为100hz。dds模块系统原理框图如图4所示，包括：相位累加器、rom查找表、数模转换器dac等，其中相位累加器与正弦查找表rom均通过数字技术实现，dac通过模拟电路设计实现，相位累加器位数为32位，理论频率分辨率为0.11hz，相位控制字的位宽5位，相位控制的精度为11.25°，正弦查找表大小采用4096字14位rom实现，dac为14位高精度电流舵型dac系统时钟为50mhz由外部晶振产生。dds数字电路的时序控制如图5所示，工作过程如下：输入数据采用8位并行输入，因为频率控制字为32位相位控制字为5位，因此所有数据刷新一次，需要将8位并行数据输入5次，由5个周期w_clk控制将数据存入40位的输入寄存器中，其中高5位为相位控制字，低32位为频率控制字。fq_ud控制将输入寄存器中的数据存入数据上传寄存器，5位的相位控制字转换为对应角度的32位数字码，而累加器在系统时钟的控制下读取数据上传寄存器中的数据进行累加计算，其中由5位相位控制字转换的32位相位控制字作为累加器的第一个累加值，即确定输出信号的初始相位，实现了相位可控，然后将32位的频率控制字输入进行累加，每个时钟周期输出一个累加值，进而截取高12位累加值作为rom的地址码寻址并输出对应量化幅值信息，最后通过数模转换得到所需频率的正弦信号。对于dds模块的数字模块设计部分，相位累加器的位数n越大，dds的分辨率就越高。相位累加器每溢出一次，dds输出一个周期的正弦信号，因此系统时钟频率与相位累加器的位数决定了dds的频率分辨率，dds的频率分辨率公式如式(1)所示。为了使dds有足够高的频率分辨率以满足频率偏差小于0.1％的设计指标，即当dds输出信号频率为1khz时，dds输出信号频率允许的偏差为1hz以内，因此dds的频率分辨率应小于1hz。对于dds内部的dac模块设计如图6所示。dac由延时、译码及锁存电路、开关驱动电路、带隙基准电路、电流源阵列、开关阵列及外接电阻等组成，dac数字电路电源电压为1.8v，模拟电路电源电压为3.3v，其目的是减小数字电路噪声对模拟电路的影响，同时降低数字电路的功耗。dac设计采用是分段电流舵来实现高速译码，折衷考虑dac的性能、芯片的面积、电路实现的复杂性等因素，确定采用6+2+6的分段比结构，其中高6位和中间2位为温度计编码，低6位为二进制编码。带隙基准经过偏置电路，接电流源阵列，提供电流。数字码输入之后，先经过译码电路与锁存电路、开关驱动电路，最后送入开关阵列，控制开关的闭合与断开，产生一对差分电流，该电流在外接电阻上产生电压，提供最终的输出。由于dds产生的正弦波信号电压幅值较小，而激励变压器绕组的功率驱动信号的要求较高，需增加功率放大电路对dds产生的原始信号进行放大。采用高频大功率mosfet作为功率放大管，构成互补推挽放大器来提供所需要的输出放大电压和输出功率，结构如图7所示。4抽头激励绕组使用0.9mm直径漆包线在闭合磁芯上绕制4段不同匝数的独立绕组作为4个激励绕组，分别定义为l1、l2、l3、l4，其中l1绕组匝数最多，l2、l3、l4匝数依次减少。每个激励绕组的首端、尾端作为抽头向外引出，激励绕组的基本技术参数如下：6db带宽，包含1khz～2mhz的频率范围；带内平坦度不大于2db。闭合磁芯内径不小于600mm。本发明装置分别在100khz、500khz、1mhz、1.5mhz、2mhz输出频率时记录高频大功率正弦信号源输出幅值为50vpp、100vpp、120vpp、150vpp时的示波器读数，计算上述各频率下输出信号的幅值误差，误差计算公式见式2。式中：γv为特定频率下输出信号幅值的绝对误差；vx为特定频率下输出信号幅值的实测值；vn为特定频率下输出信号幅值的设定值。测试结果如表2。表2通过上位机程序控制高频大功率正弦信号在100hz～2mhz频率范围内以一定步长输出幅值为150vpp的正弦扫频信号，其中100hz～1khz扫频步长100hz，1khz～2mhz扫频步长1khz，示波器通过100倍衰减探头实时测量各频点输出信号的频率并计算频率误差，绘制100hz～2mhz范围内的频率误差曲线，频率误差曲线的计算公式如式3。γf为特定频率下输出信号频率的绝对误差；fx为特定频率下输出信号频率的实测值，x＝0.1khz,0.2khz,0.3khz…1khz,2khz,3khz…2000kh；fn为特定频率下输出信号频率的设定值。100hz～2mhz范围内的频率误差曲线如图8所示。表3本发明还提出了一种用于对变压器绕组注入正弦激励信号的方法，如图9所示，包括：上位机生成输出信号指令传输至高频大功率正弦信号源，对程控式绕组分接开关下达开关动作命令；高频大功率正弦信号源接收输出信号指令后，输出正弦激励信号；程控式绕组分接开关根据开关动作命令，切换分接开关，并将4抽头激励绕组中任意一个激励绕组接入电器回路；4抽头激励绕组连接变压器绕组，并将变压器绕组穿过4抽头激励绕组的闭合磁芯，通过程控式绕组分接开关的切换，接收正弦激励信号并注入变压器绕组。正弦激励信号的频率为100hz～2mhz范围内程控可调、幅值0～150vpp范围内程控可调何功率200w的正弦激励信号。100hz～2mhz的频率范围，划分为低频、中频、中高频和高频四个频段。4抽头激励绕组，包括4个激励绕组，4个激励绕组根据激励绕组匝数由多至少分别接收低频、中频、中高频和高频四个频段的正弦激励信号。程控式绕组分接开关为四选一高频开关选通电路。本发明解决了接入变压器绕组正弦激励信号功率不足和缺乏强磁场耦合回路等问题，并以非接触方式向变压器绕组耦合注入信噪比满足测量要求的正弦激励信号。当前第1页12