一种变压器铁心接地电流监测就地模块及监测方法与流程

1.本发明涉及电力领域，具体是一种变压器铁心接地电流监测就地模块及监测方法。


背景技术：

2.变压器铁心接地电流≥100ma时，铁心可能发生了多点接地，由此可能导致铁心甚至变压器过热、夹件碳化、铁心烧毁以及接地线烧毁等故障，进而威胁变压器乃至整个电网的安全运行，因此必须对铁心接地电流加以监测。
3.目前，变电站中对铁心接地电流进行监测通常是采用监测ied等过程层设备，但装置种类多样、接口各异、安装尺寸及方式不同，体积也较大；现有设备通常只能适配单一类型的传感器，通用性不高；监测ied还存在硬件故障率高、软件缺陷多等问题，运行可靠性较差；监测ied与合并单元、智能终端等其他设备布置在智能控制柜中，存在与一二次设备之间的电缆或光纤布线距离长、柜中布线密集等缺陷，给调试和运维检修带来很多困难。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷，本发明提供一种变压器铁心接地电流监测就地模块及监测方法，多种类型传感器接口一体化设计，适配多种输出类型的铁心接地电流传感器，具有较强的通用性；通过配置过压保护单元、智能自运维单元、传感器故障判断单元、接地电流预测单元，提高装置的运行可靠性，由被动检修变为主动防御，减少调试和运维工作量。
5.为了解决所述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种变压器铁心接地电流监测就地模块，包括传感器、传感器接口、采样模块、控制器、通信模块、限流电阻投切控制模块接口，传感器接口与铁心接地电流传感器和/或夹件接地电力传感器相连，包括适配不同类型传感器的rs485接口、电压输出型接口和 4
‑
20ma输出型接口，rs485接口与控制器相连，电压输出型接口和4
‑
20ma输出型接口通过采样模块与控制器相连，控制器通过通信模块与变电站辅助设备集中监控系统相连，通信模块包括无线通信模块和iec61850通信模块，控制器包括相连的控制器i和控制器ii，控制器i内设有智能自运维单元、传感器故障判断单元，控制器ii内设有接地电流预测单元，限流电阻投切控制模块接口与控制器i相连。
6.进一步的，采样模块包括过压保护单元、双运放信号调理电路和ad转换芯片，双运放信号调理电路包括双路运算放大器，分别适用于4
‑
20ma输出型接口和电压输出型接口，双运放信号调理电路与ad转换芯片相连，ad转换芯片与控制器相连，4
‑
20ma输出型接口与双运放信号调理电路相连，过压保护电路连接在电压输出接口与双运放信号调理电路之间。
7.进一步的，4
‑
20ma输出型接口与双运放信号调理电路、过压保护电路与双运放信号调理电路之间均设有负责切换的0欧姆电阻。
8.进一步的，过压保护电路中设有二进制乘法数模转换器，控制器根据采集信号的大小，调整二进制乘法模数转换器的输入参数，将信号调理单元的输出进行限定。
9.进一步的，监测就地模块还包括与控制器相连的人机交互模块，人机交互模块包括数码管、薄膜按键和led灯，数码管用于显示就地模块的ip地址，通过薄膜按钮修改ip地址。
10.进一步的，iec61850通信模块包括lc光模块和电网口，自适应和自识别 lc光口和电网口两种通信方式。
11.本发明还公开了一种变压器铁心接地电流监测方法，包括以下步骤：
12.s01)、将传感器安装在变压器油箱上，铁心或夹件接地铜排穿过传感器的中心孔，传感器采集铁心/夹件接地电流；
13.s02)、传感器的输出通过屏蔽电缆传输到就地模块的输入端，当传感器为电压输出或4
‑
20ma输出时，采集电流经过采样模块传输至控制器i；当传感器为rs485 输出时，采集电流直接传输至控制器i；
14.s03)、控制器i首先启动智能自运维单元，启动自检，进入程序主循环后启动周期自检以及对硬件的周期性监视和故障诊断，并生成运维日志；同时读取接地电流的转换结果，与预警和告警阈值进行比较，并将接地电流传输给iec61850通信模块和控制器ii；
15.s04)、控制器ii接收来自控制器i的接地电流数据，进行存储和接地电流预测，将t1至t
n
时刻的接地电流采样值输入预测模型，n≥20，输出下一采样时刻t
n+1
的铁心/夹件接地电流预测值，并将预测值回传给控制器i；
16.本步骤中的接地电流预测方法为：
17.s41)、将t1至t
n
时刻的接地电流值构造成数列i
(0)
＝{i
(0)
(1),i
(0)
(2),
…
,i
(0)
(n)}；
18.s42)、将数列i
(0)
进行累加得到数列i
(1)
＝{i
(1)
(1),i
(1)
(2),
…
,i
(1)
(n)}，其中
19.s43)、建立预测模型的白化微分方程，并求得离散解：
20.其中a和b分别为模型参数；
21.s44)、将步骤s43)中的离散解进行累减得到接地电流预测模型为：
[0022][0023]
s05)、控制器i将t
n+1
时刻的电流预测值、实际采样值、两者之间的差值传输至智能自运维单元、传感器故障判断单元和限流电阻投切控制模块，依据预测值和实际采样值作为传感器故障判断和限流电阻投切的一个判断条件，对于控制器i 内的传感器故障判断单元，输入为同一时刻三相铁心接地电流和三相夹件接地电流以及下一时刻的接地电流预测值，输出为传感器状态信号；
[0024]
s06)、控制器i将接地电流值、告警信息、自运维日志、传感器故障信息通过 iec61850通信模块或无线通信模块上传至变电站辅助设备监控系统。
[0025]
进一步的，模型参数a、b的计算过程为：
[0026]
[a,b]
t
＝(b
t
b)
‑1b
t
y
n
，
[0027]
其中y
n
＝[i
(0)
(2),i
(0)
(3),
…
i
(0)
(n)]
t
，
[0028][0029]
z
(1)
(k+1)的计算方法为：
[0030]
以k，k+1，k+2作为插值节点，进行拉格朗日插值，计算得到：
[0031][0032]
将区间[k,k+1]进行三等分，再次进行拉格朗日插值，计算得到：
[0033][0034]
进一步的，采样模块包括过压保护电路，过压保护单元连接在电压输入型信号调理电路之前，过压保护单元中设有二进制乘法数模转换器，控制器i根据采集信号的大小，调整模数转换器的输入参数，将信号调理单元的输出进行限定，具体过程为：
[0035]
电压型信号调理电路的输出v
out
为：
[0036][0037]
其中，n为数模转换器的通道个数；a1、a2…
a
n
为数模转换器的输入，若a
n
是高电平，则a
n
＝1，若a
n
是低电平，则a
n
＝0；v
ref
是传感器的输出信号，控制器i通过控制模数转换器的输入a1、a2…
a
n
，达到调节信号调理单元输出和过压保护的目的。
[0038]
进一步的，控制器i内的传感器故障判断单元连续3个采样周期没有采集到某路接地电流信号时，进行三相铁心接地/夹件接地电流比对和同相铁心接地电流和夹件接地电流比对，同时判断预测值与实际采样值的差值是否在允许范围内，若比对和判断结果与采样结果一致，则判定该路传感器故障并发出传感器故障信号。
[0039]
本发明的有益效果：通过设计一种小型化、标准化、免配置、易更换、高可靠的变压器铁心接地电流监测就地模块，代替原有的铁心接地电流监测ied等过程层设备，减少智能终端和ied到设备的距离和接线，解决了当前监测ied 接口各异、可靠性差、检修不便等问题。
[0040]
采用多种传感器接口一体化设计，适配多种输出类型的传感器，具有更强的通用性。
[0041]
通过采用标准化接口、实时修改ip地址实现装置的即插即用和自识别、免配置接入，装置故障后只需整体更换即可，更适合智能变电站不停电作业的检修方式。
[0042]
通过配置过压保护单元、智能自运维单元、传感器故障判断单元、接地电流预测单元等手段提高装置的运行可靠性和智能化水平。
[0043]
采用宽度约为120mm的4u半宽机箱，装置空间占用率比常规监测装置小约3/4。
[0044]
采用一种改进背景值计算方法的接地电流预测算法，解决了传统算法用直边梯形面积代替曲边梯形面积而使预测准确度下降的问题，方法简单易实现，不占用更多的软硬件资源，即可提高装置的智能化水平和可靠性。
附图说明
[0045]
图1变压器铁心接地电流监测就地模块接口示意图，
[0046]
图2变压器铁心接地电流监测就地模块原理图，
[0047]
图中：1、就地模块前面板；2、3位数码管；3、运行指示灯；4、故障指示灯；5、薄膜按键；6、就地模块后面板；7、lc光模块状态指示灯；8、lc光模块1接口；9、lc光模块2接口；10、电网口；11、电压型传感器接口；12、 rs485传感器接口；13、4
‑
20ma传感器接口；14、限流电阻控制接口；15、电源接口。
具体实施方式
[0048]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
[0049]
实施例1
[0050]
本实施例公开一种变压器接地电流监测就地模块，如图1、2所示，包括传感器接口、采样模块、控制器、通信模块和人机交互模块，传感器接口与铁心接地电流传感器和/或夹件接地电力传感器相连，包括适配3种类型传感器的rs485 接口、电压输出型接口和4
‑
20ma输出型接口，rs485接口将接地电流就地数字化，然后传输至控制器，电压输出型接口和4
‑
20ma输出型接口通过采样模块与控制器相连。控制器通过通信模块与变电站辅助设备集中监控系统相连，通信模块包括无线通信模块和iec61850通信模块，iec61850通信模块包括lc光模块和电网口，自适应和自识别lc光口和电网口两种通信方式，光纤接入时，就地模块与变电站辅助设备集中监控系统通过单个光模块或prp网络实现冗余通信；网线接入时，就地模块与变电站辅助设备集中监控系统通过以太网实现数据交互。
[0051]
本实施例中，采样模块包括过压保护单元、双运放信号调理电路和ad转换芯片，双运放信号调理电路包括双路运算放大器，分别适用于4
‑
20ma输出型接口和电压输出型接口，双运放信号调理电路与ad转换芯片相连，ad转换芯片与控制器相连，4
‑
20ma输出型接口与双运放信号调理电路相连，过压保护电路连接在电压输出接口与双运放信号调理电路之间。
[0052]4‑
20ma输出型接口与双运放信号调理电路、过压保护电路与双运放信号调理电路之间均设有负责切换的0欧姆电阻。
[0053]
本实施例中，过压保护电路中设有二进制乘法数模转换器，控制器根据采集信号的大小，调整二进制乘法模数转换器的输入参数，将信号调理单元的输出进行限定。
[0054]
如图2所示，控制器包括控制器i和控制器ii，控制器i与控制器ii采用串口通信。控制器i包括智能自运维单元、传感器故障判断单元，控制器ii包括接地电流预测单元，并且控制器连接限流电阻投切控制模块接口。通过能自运维单元、传感器故障判断单元、接地电流预测单元可以提高装置的运行可靠性和智能化水平。因为：智能自运维单元，可实现mcu、内部存储器、程序和数据的自检和故障自诊断，以及对lc光模块、电网口、电源、采样模块等硬件的监视和诊断。就地模块自运维信息、铁心/夹件接地电流监测信息生成相应的日志文件，历史日志可调阅。控制器i采集t1‑
t
k
(k≥20)时刻的铁心/夹件接地电流数据，并将其发送给控制器ii，控制器ii接收数据后，输入接地电流预测模型，输出下一采样时刻t
k+1
的铁心/夹件接地电流。将t
k+1
时刻的实际采样值与预测值相减，并设置差值的允许范围。
[0055]
控制器ii输出的t
k+1
的铁心/夹件接地电流预测值以及实际采样值与预测值的差
值传输至控制器i内的智能自运维单元和传感器故障判断单元，以及限流电阻投切控制模块，可作为采样电路精度的校准和对采样电路功能的监视，并为传感器故障判断和限流电阻投切提供参考。
[0056]
传感器故障判断单元输入为同一时刻三相铁心接地电流和三相夹件接地电流以及下一时刻的接地电流预测值，输出为传感器状态信号。控制器i连续3个采样周期没有采集到某路接地电流信号时，进行三相铁心接地/夹件接地电流比对和同相铁心接地电流和夹件接地电流比对，同时判断实际采样值与预测值的差值是否在允许范围内，若比对和判断结果与采样结果一致，则判定该路传感器故障并发出传感器故障信号。
[0057]
本实施例所述就地模块可同时实现三相变压器铁心接地电流、夹件接地电流的实时采集和连续监测，将转换得到的电流值与设定的阈值进行比较，超过预警阈值发出预警信号，超过告警阈值发出告警信号，通常预警阈值设定为75
‑
80ma，本实施例中取80ma，告警阈值设定为98
‑
100ma，本实施例中取100ma，并将电流值、预警信号、告警信号、传感器故障信号、装置ip地址、装置温度、自运维信息等通过iec61850通信模块采用mms通讯协议上传至变电站辅助设备集中监控系统，或通过无线通信模块上传至接入/汇聚节点，按需上传至数据中台。通过配置过压保护单元、智能自运维单元、传感器故障判断单元、接地电流预测单元等手段提高装置的可靠性。此外，人机交互模块的3位数码管实时显示就地模块ip地址的后三位，通过操作薄膜按键可修改ip地址。就地模块整体更换时，将新装置的ip地址通过按键修改为原装置的地址，进而重新生成站控层通信地址，实现装置的免配置接入和即插即用。就地模块通过2个lc光模块实现双网通信或prp并行冗余通信。
[0058]
本实施例采用度约为120mm的4u半宽机箱，相较于常规监测ied的2u 全宽机箱，体积小，重量轻。
[0059]
如图1所示，人机交互模块的3位数码管2、led灯(运行指示灯3、故障指示灯4)和薄膜按键5设置在就地模块机箱前面板1上。lc光模块i接口8、 lc光模块ii接口9、电网口10、电压输出型接口11、rs485接口12、4
‑
20ma 输出型接口13、限流电阻控制接口14、电源接口15均设置在就地模块机箱后面板6上，就地模块机箱后面板6上同时设有lc光模块状态指示灯7、lc光模块 1接口8。设有接口和状态指示灯可以实现连接和状态指示。
[0060]
实施例2
[0061]
本实施例公开一种变压器铁心接地电流监测方法，包括以下步骤：
[0062]
s01)、将传感器安装在变压器油箱上，铁心或夹件接地铜排穿过传感器的中心孔，传感器采集铁心/夹件接地电流；
[0063]
s02)、传感器的输出通过屏蔽电缆传输到就地模块的输入端，当传感器为电压输出或4
‑
20ma输出时，采集电流经过采样模块传输至控制器i；当传感器为 rs485输出时，采集电流直接传输至控制器i；
[0064]
s03)、控制器i首先启动智能自运维单元，对mcu、内部存储器、程序和数据等进行启动自检，进入程序主循环后启动周期自检以及对lc光模块、电网口、电源、采样模块等硬件的周期性监视和故障诊断，并生成运维日志；同时读取接地电流的转换结果，与预警和告警阈值进行比较，并将接地电流传输给 iec61850通信模块和控制器ii；就地模块自运维信息、铁心/夹件接地电流监测信息生成相应的日志文件，历史日志可调阅。
[0065]
s04)、控制器ii接收来自控制器i的接地电流数据，进行存储和接地电流预测，将
t1至t
n
时刻的接地电流采样值输入预测模型，n≥20，输出下一采样时刻t
n+1
的铁心/夹件接地电流预测值，并将预测值回传给控制器i；
[0066]
本步骤中的接地电流预测方法为：
[0067]
s41)、将t1至t
n
时刻的接地电流值构造成数列 i
(0)
＝{i
(0)
(1),i
(0)
(2),
…
,i
(0)
(n)}；
[0068]
s42)、将数列i
(0)
进行累加得到数列i
(1)
＝{i
(1)
(1),i
(1)
(2),
…
,i
(1)
(n)}，其中
[0069]
s43)、建立预测模型的白化微分方程，并求得离散解：
[0070]
其中a和b分别为模型参数；
[0071]
s44)、将步骤s43)中的离散解进行累减得到接地电流预测模型为：
[0072]
s05)、控制器i将t
n+1
时刻的电流预测值、实际采样值、两者之间的差值传输至智能自运维单元、传感器故障判断单元和限流电阻投切控制模块，预测值和实际采样值可用于采样电路精度的校准和对采样电路功能的监视，并作为传感器故障判断和限流电阻投切的一个判断条件，对于预测值与实际采样值之间的差值，应设置差值的允许范围。
[0073]
对于控制器i内的传感器故障判断单元，输入为同一时刻三相铁心接地电流和三相夹件接地电流以及下一时刻的接地电流预测值，输出为传感器状态信号；控制器i连续3个采样周期没有采集到某路接地电流信号时，进行三相铁心接地 /夹件接地电流比对和同相铁心接地电流和夹件接地电流比对，同时判断预测值与实际采样值的差值是否在允许范围内，若比对和判断结果与采样结果一致，则判定该路传感器故障并发出传感器故障信号。
[0074]
s06)、控制器i将接地电流值、告警信息、自运维日志、传感器故障信息通过iec61850通信模块或无线通信模块上传至变电站辅助设备监控系统。
[0075]
本实施例中，模型参数a、b的计算过程为：
[0076]
[a,b]
t
＝(b
t
b)
‑1b
t
y
n
，
[0077]
其中y
n
＝[i
(0)
(2),i
(0)
(3),
…
i
(0)
(n)]
t
，
[0078][0079]
z
(1)
(k+1)的计算方法为：
[0080]
以k，k+1，k+2作为插值节点，进行拉格朗日插值，计算得到：
[0081][0082]
将区间[k,k+1]进行三等分，再次进行拉格朗日插值，计算得到：
[0083][0084]
本实施例中，采样模块包括过压保护电路，过压保护单元连接在电压输入型信号调理电路之前，过压保护单元中设有二进制乘法数模转换器，控制器i根据采集信号的大小，调整模数转换器的输入参数，将信号调理单元的输出进行限定，具体过程为：
[0085]
电压型信号调理电路的输出v
out
为：
[0086][0087]
其中，n为数模转换器的通道个数；a1、a2…
a
n
为数模转换器的输入，若a
n
是高电平，则a
n
＝1，若a
n
是低电平，则a
n
＝0；v
ref
是传感器的输出信号，控制器i通过控制模数转换器的输入a1、a2…
a
n
，达到调节信号调理单元输出和过压保护的目的。
[0088]
以上所示，只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本专利的保护范围。