基于多传感信息融合的电力变压器在线监测系统及方法与流程

本发明涉及电力变压器监测系统，具体用于电力变压器的运行状况监测。

背景技术：

在电力系统的各种设备中，变压器是主要的设备之一，其直接影响着整个电网的运行状况，它的安全运行对于保证电力设备可靠运行意义重大。

传统的变压器监测系统的监测功能过于单一，一般仅仅具备电流和电压监测功能；当我们发现振动监测的重要性时，一些现有技术通过安装振动传感器来测量振动；但是这种单纯的信息采集原理在用于实际的35kV或75kV及更高压的环境时存在很大实际技术困难，有些单纯的理论知道最终无法实现；

中国专利(授权公告号CN203573776U；授权公共日2014.04.30)公开了一种采用传感器一体化融合技术的220kV变压器；其集成了诸多信息采集传感器，包含电流、电压和振动监测；但是其将变压器的结构进行大范围改造，传感器大都置于变压器内部，这在实际操控时是很难实现的，因为对变压器的破坏性改造很容易造成达不到电力安全运行标准，及变压器本身的可靠性就存在问题，此种情况下，监测是没有意义的，监测反而让变压器更容易出问题，起不到遏制问题发生的作用；

上述专利中，对于信息采集后的进一步处理没有涉及，然而对于信息的可靠处理和传输又是十分重要的，我们在实际施工时，发现了采用现有的有线的数据传输技术根本无法在现场使用，过多的线束引入了更多的不确定因素，同时由于75kV及以上规格电力变压器的电磁干扰较大，常规的类似于上述专利的安装结构无法实现稳定可靠运行；对于这些缺陷，都是需要创造性的全新全方位考虑设计的。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于多传感信息融合的电力变压器在线监测系统及方法；其能够实现可靠的电力变压器在线实时监测，能够可靠采集、处理、传输和分析振动、电流、电压和开关量信息；具备可靠的推广前景。

为了达到上述目的，本发明公开的基于多传感信息融合的电力变压器在线监测系统，其采用以下技术方案予以实现：

基于多传感信息融合的电力变压器在线监测系统，包含多传感器采集组件；所述多传感器采集组件包含分别用于采集电力变压器的振动信息、电压信息、电流信息、温度信息和开关量信息的加速度传感器、电压互感器、电流传感器、温度传感器和开关量采集传感器；

还包含多传感器采集组件连接有采集调理电路；所述采集调理电路连接有AD模块转换电路；所述AD模块转换电路通过射频无线发射模块与监测现场的射频无线接收模块通讯；所述射频无线接收模块连接至嵌入式主控器，嵌入式主控器通过4G通信模块与远端的远程控制器通讯；嵌入式主控器还通过RS232/RS485接口连接触摸屏人机界面；

所述嵌入式主控器为基于ARM嵌入式系统的主控器；所述远程控制器为上位计算机；所述上位计算机运用SQL Server数据库软件进行开放式数据库管理，所述上位计算机上存储有不同类型电力变压器的振动噪声的噪声源确定和时频特性模型；

上述的加速度传感器分布在三相初级绕组和三相次级绕组上；每相绕组的上中下三处位置各贴装一个加速度传感器，所述加速度传感器包含加速度探头和连接螺钉，加速度传感器通过连接螺钉组装在磁力安装座上，所述磁力安装座采用对地绝缘的永磁体磁铁吸附在电力变压器上；所述永磁体表面涂覆一层绝缘漆；

所述采集调理电路包含运算放大器和滤波器；所述运算放大器的电荷放大器的电源线与电力变压器机壳相距一定距离或者电荷放大器的两根电源线呈十字交叉布置；

加速度传感器的信号地线、供电电源的电源地线和传感器机壳屏蔽地线分别引出后并联一点接地；所述加速度传感器为ICP传感器，且采用恒流源供电方式供电。

作为上述基于多传感信息融合的电力变压器在线监测系统的一种优选实施方式：所述不同类型电力变压器为6kV、10kV、35kV和75kV电力变压器；所述加速度传感器为AD50T-T或AD1000T；所述触摸屏人机界面为5～7寸触摸屏人机界面；所述RS485接口通过光电隔离器进行信号隔离。

作为上述基于多传感信息融合的电力变压器在线监测系统的一种优选实施方式：所述上位计算机运行有无线振动在线监测软件；所述无线振动在线监测软件对采集到的数据进行振动参数计算、实时数据显示、趋势数据显示、提供历史数据管理和自动报表功能，同时在振动异常或超标情况下进行报警提示。

作为上述基于多传感信息融合的电力变压器在线监测系统的一种优选实施方式：所述电流传感器为用于采集电力变压器的三相绕组初级、次级的电流的开合式电流传感器；所述电压互感器为用于采集电力变压器三相绕组初级、次级电压的电压互感器；所述温度传感器为用于采集电力变压器散热片的温度的温度传感器；所有加速度传感器连接至初级次级加速度信号采集调理电路；所有电流传感器和电压互感器连接至初级次级电压电流信号采集调理电路；所有温度传感器连接至初级次级油箱温度采集信号采集调理电路；所有开关量采集传感器连接至开关量采集调理电路；

上述初级次级加速度信号采集调理电路、初级次级电压电流信号采集调理电路、初级次级油箱温度采集信号采集调理电路和开关量采集调理电路分别连接有AD模块转换电路。

作为上述基于多传感信息融合的电力变压器在线监测系统的一种优选实施方式：所有加速度传感器通过24路加速度信号线与初级次级加速度信号采集调理电路连接；所述电压互感器的数量为六个；电流传感器的数量为六个；所述温度传感器的数量为8个；所述开关量采集传感器为8个；所述初级次级加速度信号采集调理电路采用仪表放大器进行第一级信号接收和放大，采用二阶低通滤波器或者三阶低通滤波器对仪表放大器输出的信号进行滤波，截止频率设计在2KHz；所述初级次级电压电流信号采集调理电路采用射随器进行第一级信号接收匹配处理；所述温度传感器为Pt100或AD590传感器；AD590传感器对应的初级次级、油箱温度信号采集调理电路中采用OP07进行信号放大；所述嵌入式主控制器和4G通信模块通过带充电系统的隔离电源模块供电。

作为上述基于多传感信息融合的电力变压器在线监测系统的一种优选实施方式：所述上位计算机还与电力变压器的监控室的监控器无线通讯连接。

作为上述基于多传感信息融合的电力变压器在线监测系统的一种优选实施方式：所述上位机计算机还存储有电力变压器的背景资料；所述电力变压器的背景资料包含变压器的容量、电压等级、型号、安装地点、投运时间以及维修使用记录。

本发明还公开了基于多传感信息融合的电力变压器在线监测方法，其采用上述的任一基于多传感信息融合的电力变压器在线监测系统执行如下步骤：

(1)系统初始化；

(2)上位计算机向嵌入式主控器发出无线传输指令；

(3)嵌入式主控器判断无线传输来的指令是否为本机指令，如果是则执行步骤(4)；

(4)开始测量；确实是否开始测量，如果是，则执行测量采集流程；如果否则执行判断继续测量流程；

所述测量采集流程包含采集信号、信号调理、AD转换、信号编码发射至上位计算机的步骤；

所述判断继续测量流程包含判断是否继续测量，如果是，则执行上述的执行测量采集流程；如果否，则判断是否测量结束；如果测量结束则结束测量；如果测量没有结束则返回指令出错，重新申请工作方式。

本发明的有益效果：

本发明包含多传感器采集组件；所述多传感器采集组件包含分别用于采集电力变压器的振动信息、电压信息、电流信息、温度信息和开关量信息的加速度传感器、电压互感器、电流传感器、温度传感器和开关量采集传感器；本发明的加速度为贴装结构，无需破坏变压器本体结构；本发明通过加速度传感器采集振动信息，加速度传感器(尤其是压电式加速度传感器)体积小，重量轻，安装谐振频率比较高，有足够的频宽，非常适合本发明的振动信息采集方案。

考虑到每种类型的传感器的采集的信号类型、强弱、变化范围差别也比较大，因此针对不同的传感器我们分别配置了信号采集调理电路。所述采集调理电路连接有AD模块转换电路；所述AD模块转换电路通过射频无线发射模块与监测现场的射频无线接收模块通讯；所述射频无线接收模块连接至嵌入式主控器，嵌入式主控器通过4G通信模块与远端的远程控制器通讯；嵌入式主控器还通过RS232/RS485接口连接触摸屏人机界面；信号采集调理电路将微弱信号放大、滤波后传输，使得后续处理工作能够可靠快捷完成；本发明采用的信号传输采用无线传输，避免了过多线束的复杂布置以及过多线束的信号干扰；嵌入式主控器安装在测试现场(长期使用可以将嵌入式主控器置于现场监控室，临时测试，可以仅仅放在测试现场即可)，通过4G通信传递至更远端的上位计算机，能够即时上传信息；

本发明的嵌入式主控器为基于ARM嵌入式系统的主控器；所述远程控制器为上位计算机；所述上位计算机运用SQL Server数据库软件进行开放式数据库管理，所述上位计算机上存储有不同类型电力变压器的振动噪声的噪声源确定和时频特性模型；本发明通过ARM系统强大的软硬件功能，完成数据采集、分析和采集数据传输。上位计算机通过SQL Server数据库软件进行开放式数据库管理，为变压器振动测量分析提供循序渐进的软件管理模式；随着对多传感器信息相互间的关系、多传感器信息与变压器故障的对应数据模型的逐步完善，能够非常精准可靠智能的监控分析缺陷；使得缺陷得到提前预防。

本发明的加速度传感器分布在三相初级绕组和三相次级绕组上；每相绕组的上中下三处位置各贴装一个加速度传感器，所述加速度传感器包含加速度探头和连接螺钉，加速度传感器通过连接螺钉组装在磁力安装座上，所述磁力安装座采用对地绝缘的永磁体磁铁吸附在电力变压器上；所述永磁体表面涂覆一层绝缘漆；本发明的加速度传感器分布位置合理，能够可靠全面采集振动信息；安装结构可靠方便，同时也避免了对变压器本体结构的损坏；加速度传感器的绝缘结构形成了可靠的浮地结构，能够防止工频干扰；采用磁力安装座另外的优势是可以在测量完毕后便于移除，这就大大增加了整个监测系统的便携性。

本发明的采集调理电路包含运算放大器和滤波器；所述运算放大器的电荷放大器的电源线与电力变压器机壳相距一定距离或者电荷放大器的两根电源线呈十字交叉布置；此结构能够防止导线与机壳间的分布电容引入工频干扰，这在75kV及以上电力变压器的应用中非常重要，能够保障可靠运行；

本发明的加速度传感器的信号地线、供电电源的电源地线和传感器机壳屏蔽地线分别引出后并联一点接地；所述加速度传感器为ICP传感器，且采用恒流源供电方式供电。并联一点接地能够保证整个监测系统不受地电位浮动的干扰，本发明将外接的电磁干扰已经降至了监测系统精度所要求的范围内；当本系统在高压电力变压器可以稳定可靠运行时，对于现有低压变压器则可以非常可靠的推广使用。

附图说明

图1为本发明基于多传感信息融合的电力变压器在线监测系统及方法的一种具体实施方式的电路结构原理框图；

图2为本发明基于多传感信息融合的电力变压器在线监测方法的一种具体实施方式的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式：

如图所示，其示出了本发明的具体实施方式，如图1所示，本发明公开的基于多传感信息融合的电力变压器在线监测系统，包含多传感器采集组件；所述多传感器采集组件包含分别用于采集电力变压器的振动信息、电压信息、电流信息、温度信息和开关量信息的加速度传感器、电压互感器、电流传感器、温度传感器和开关量采集传感器；

还包含多传感器采集组件连接有采集调理电路；所述采集调理电路连接有AD模块转换电路；所述AD模块转换电路通过射频无线发射模块与监测现场的射频无线接收模块通讯；所述射频无线接收模块连接至嵌入式主控器，嵌入式主控器通过4G通信模块与远端的远程控制器通讯；嵌入式主控器还通过RS232/RS485接口连接触摸屏人机界面；

所述嵌入式主控器为基于ARM嵌入式系统的主控器；所述远程控制器为上位计算机；所述上位计算机运用SQL Server数据库软件进行开放式数据库管理，所述上位计算机上存储有不同类型电力变压器的振动噪声的噪声源确定和时频特性模型；

上述的加速度传感器分布在三相初级绕组和三相次级绕组上；每相绕组的上中下三处位置各贴装一个加速度传感器，所述加速度传感器包含加速度探头和连接螺钉，加速度传感器通过连接螺钉组装在磁力安装座上，所述磁力安装座采用对地绝缘的永磁体磁铁吸附在电力变压器上；所述永磁体表面涂覆一层绝缘漆；

所述采集调理电路包含运算放大器和滤波器；所述运算放大器的电荷放大器的电源线与电力变压器机壳相距一定距离或者电荷放大器的两根电源线呈十字交叉布置；

加速度传感器的信号地线、供电电源的电源地线和传感器机壳屏蔽地线分别引出后并联一点接地；所述加速度传感器为ICP传感器，且采用恒流源供电方式供电。

上述“电力变压器的振动噪声的噪声源确定和时频特性模型”为经过长期积累不断完善的数据库；比如，对于振动部分的噪声源确定部分，将空载时的振动特性和负载时的振动特性进行统计完善，常见的振动方式(比如振动频率)即对应特定的故障信息或者隐患(经过我们研究发现，振动频率小于100Hz的振动，集中是由冷却系统引起的基本振动；变压器振动的频率是100Hz为基频的振动；电流电压的突变，引起绕组振动急剧增加等)；随着数据库的完善，其判断过程更加智能、精准和快捷；上述的时频特性模型是我们采用时域分析、频域分析和时频域分析综合分析的方式得出的理论模型。

优选的：所述不同类型电力变压器为6kV、10kV、35kV和75kV电力变压器(该四种不同规格的电力变压器的使用量大，实现对该四种规格的电力变压器的在线监测有助于本发明的大规模推广)；所述加速度传感器为AD50T-T或AD1000T；所述触摸屏人机界面为5～7寸触摸屏人机界面；所述RS485接口通过光电隔离器进行信号隔离，能够彻底消除共模电压的影响。

优选的：所述上位计算机运行有无线振动在线监测软件；所述无线振动在线监测软件对采集到的数据进行振动参数计算、实时数据显示、趋势数据显示、提供历史数据管理和自动报表功能，同时在振动异常或超标情况下进行报警提示。

优选的，如图所示：所述电流传感器为用于采集电力变压器的三相绕组初级、次级的电流的开合式电流传感器；所述电压互感器为用于采集电力变压器三相绕组初级、次级电压的电压互感器；所述温度传感器为用于采集电力变压器散热片的温度的温度传感器；所有加速度传感器连接至初级次级加速度信号采集调理电路；所有电流传感器和电压互感器连接至初级次级电压电流信号采集调理电路；所有温度传感器连接至初级次级油箱温度采集信号采集调理电路；所有开关量采集传感器连接至开关量采集调理电路；

上述初级次级加速度信号采集调理电路、初级次级电压电流信号采集调理电路、初级次级油箱温度采集信号采集调理电路和开关量采集调理电路分别连接有AD模块转换电路。

优选的，如图所示：所有加速度传感器通过24路加速度信号线与初级次级加速度信号采集调理电路连接；所述电压互感器的数量为六个；电流传感器的数量为六个；所述温度传感器的数量为8个；所述开关量采集传感器为8个；所述初级次级加速度信号采集调理电路采用仪表放大器进行第一级信号接收和放大，采用二阶低通滤波器或者三阶低通滤波器对仪表放大器输出的信号进行滤波，截止频率设计在2KHz，仪表放大器具有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、低线性误差、低失调漂移，增益设置灵活等特性；所述初级次级电压电流信号采集调理电路采用射随器进行第一级信号接收匹配处理，射随器具有很高的输入阻抗和很低的输出阻抗特性；所述温度传感器为Pt100或AD590传感器；AD590传感器对应的初级次级、油箱温度信号采集调理电路中采用OP07进行信号放大，AD590传感器输出的是电流信号，首先将电流信号转换成电压信号，然后选用高输入阻抗的运放进行信号放大；所述嵌入式主控制器和4G通信模块通过带充电系统的隔离电源模块供电，采用隔离电源给供电，保证了电网电压波动及浪涌等对本系统都不产生任何影响，确保了系统的正常工作，避免了误报警。

优选的，如图所示：所述上位计算机还与电力变压器的监控室的监控器无线通讯连接。监控室为现有远程控制监测变压器的配电装置，目前的变压器端和监控室端为相互独立的结构，变压器的状况很难第一时间准确的反映至监控室，监控室只能查看到常规的工作参数，对于故障信息完全没有预测和即时控制功能；通过本实施例，上位计算机可以将故障信息或者故障预警信息发送给监控室，监控室即可知晓故障原因，即时处理。

优选的：所述上位机计算机还存储有电力变压器的背景资料；所述电力变压器的背景资料包含变压器的容量、电压等级、型号、安装地点、投运时间以及维修使用记录。这些参数对于故障分析的作用较大，会即时存储更新，最终建立完善的数据库。

如图2所示：本发明还公开了基于多传感信息融合的电力变压器在线监测方法，其采用上述的任一基于多传感信息融合的电力变压器在线监测系统执行如下步骤：

(1)系统初始化；

(2)上位计算机向嵌入式主控器发出无线传输指令；

(3)嵌入式主控器判断无线传输来的指令是否为本机指令，如果是则执行步骤(4)；由于是无线传输的方式，本发明公开的方法能够使得指令得到可靠识别。

(4)开始测量；确实是否开始测量，如果是，则执行测量采集流程；如果否则执行判断继续测量流程；

所述测量采集流程包含采集信号、信号调理、AD转换、信号编码发射至上位计算机的步骤；

所述判断继续测量流程包含判断是否继续测量，如果是，则执行上述的执行测量采集流程；如果否，则判断是否测量结束；如果测量结束则结束测量；如果测量没有结束则返回指令出错，重新申请工作方式。

上述公开的监测方法，在具备监测系统对应的优点的基础上，能够快捷可靠的运行，最终实现实时的故障监测。

需要说明的是，关于变压器的振动信息、电流信息、电压信息、开关量信息和温度信息对于变压器故障的作用，我们进行了长时间的研究，这些研究的内容将第一时间充实上位计算机的数据库，能够有助于本发明做出准确、即时、可靠、快捷和智能的故障预警；这些研究内容包含但不限于如下内容：

一、电力变压器振动的主要产生原因：

1、硅钢片的磁致伸缩引起的铁芯周期性振动；

1.1由于磁致伸缩的变化周期恰恰是电源频率的半个周期，所以磁致伸缩引起的变压器本体的振动噪声，是以两倍的电源频率为其基频的，即变压器振动的频率是100Hz为基频的振动。

1.2由于磁致伸缩的非线性、多级铁心中心柱和铁轭相应级的截面不同，以及沿铁心内框和外框的磁路径长短不同等等，均使得磁通明显地偏离了正弦波，即有高次谐波的分量存在。

因此铁心的振动频谱中除了有基频振动噪声以外，还包含有其频率为基频整数倍的高频附加振动噪声。

2、硅钢片接缝处和叠片之间存在着因漏磁而产生的电磁吸引力，引起的铁芯振动；

2.1电流通过绕组时，在绕组间、线饼间、线匝间产生的动态漏磁力引起的绕组的振动。变压器绕组振动加速度的幅值正比与负载电流的平方，振动频率是电流频率(工频)的2倍，即100Hz；

2.2漏磁引起的油箱壁(包括磁屏蔽等)的振动；

2.3振动频率小于100Hz的振动，集中是由冷却系统引起的基本振动；

3、直流因素；

3.1具有直流特性的地磁感应电流(频率0.001～0.1Hz)和直流输电接地电流流入变压器形成直流偏磁，这些直流磁通造成变压器铁芯严重饱和，严重的磁饱和与振动会使变压器金属结构件损耗增加，破坏绝缘，设备老化降低使用寿命。在直流偏磁影响下变压器呈现出明显的噪声增大现象，从系统运行和设备安全的角度对振动噪声的状态监测有助于研究直流偏磁的危害，通过对振动噪声的监测进行异常状况的分析诊断，为理论分析提供可靠数据。

3.2变压器中性点流入直流电流产生明显的异常振动噪声，这也是人们主要关注的问题，许多文献都给出了分析依据(励磁电流在有直流分量流入时出现了明显的畸变，使变压器铁芯发生周期性饱和，引起噪声水平的增大[3])，但是结合偏磁电流的影响对变压器振动噪声的监测分析还很不完善。

二、电力变压器振动的决定因素

(1)绕组的振动是由负载电流产生的漏磁引起的，变压器的额定工作磁通通常取1.5T-1.8T(特斯拉)，国内外研究表明，在该磁通内，负载电流产生的漏磁引起的绕组、油箱壁的振动，随着变压器制造工艺的不断完善，硅钢片接缝处和叠片之间因电磁吸引力，引起的铁芯振动，与硅钢片的磁致伸缩引起的铁芯振动要小的多，可以忽略不计。因此，变压器工作在1.5T-1.8T(特斯拉)额定工作磁通时，变压器的振动主要取决于硅钢片的磁致伸缩引起的铁芯的周期性的振动；

(2)随着超取向高导磁硅钢片(例如Hi一B硅钢片)在变压器制造中的使用，以及铁心结构设计的改进，铁心工作磁密的降低，负载电流产生的漏磁引起的绕组振动大大增加，这种振动的大小与负载电流的平方成正比。特别是在额定工作磁密低于1.4T时，绕组的振动甚至会超过铁心磁致伸缩引起的变压器的振动；

(3)电流电压的突变，引起绕组振动急剧增加；

(4)变压器铁芯与绕组的工况与其振动大小之间的关系：

紧固铁芯的螺钉。当发生松动时，硅钢片的压紧力减弱，片见缝隙变大，铁芯的振动也就增大。硅钢片发生变形或者弯曲，硅钢片间的电磁吸引力也将增大，铁芯的振动也就增大。当发生短路或铁芯多点接地时，铁芯的温度会快速升高，将导致硅钢片的磁致伸缩迅速增大，铁芯的振动也就增大。变压器绕组若出现松动现象，绕组的振动将增大。

上面结合附图对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，这些变化涉及本领域技术人员所熟知的相关技术，这些都落入本发明专利的保护范围。

不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。