专利名称：电力变压器在线监测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于电力设备监测技术领域，涉及一种用于输变电设备的监测装置， 具体涉及一种电力变压器在线监测装置。
背景技术：
变压器铁芯担负着电一磁一电转换的重要作用，是变压器最重要的部件之一。变 压器在运行中，因铁芯叠装工艺欠佳等原因，极易造成级间短路，而导致放电过热和多点接 地故障，严重时将损坏变压器，由于变压器铁芯接地电流的大小随铁芯接地点的多少而变 化，因此，预试维修中，国内外都把铁芯接地电流作为诊断大型变压器铁芯短路故障的特征 值。目前，我国输变电设备的维护工作主要是按照《电气设备预防性试验规程》的要求定期 进行预防性试验，即定期维修(Time Based Maintenance).定期维修在早期对提高设备的 可靠性能起到一定的作用，但存在试验周期长、劳动强度大、试验有效性差和影响供电可靠 性等问题，特别是停电试验施加的电压远远低于设备使用时的正常电压，对一些潜伏性的 故障不能及时发现。因此，状态维修(Condition Based Maintenance)逐步代替定期维修 成为电力系统设备维修发展的必然趋势。这也是设备检修部门以消除设备缺陷为主要工作 的被动检修，向设备定期大修和改造为主的主动检修过渡，进而实现有针对性的日常维修 为主的预防性检测。而实现电力变压器状态维修的前提条件是其绝缘状态的在线监测(状 态监测)与故障诊断技术的应用。早期投入运行的监测装置大多采用分散式结构，运行效果 不理想，反映出来的问题主要有1)现场需铺设大量的电缆，施工量大，造成维护、扩展不便；2)采用有线传输模式，信号传输距离过长，模拟信号有一定程度的衰减，且无法避 免现场中的各种电磁干扰，另外，有线传输的模式也给异地信号的采集和传输带来了不可 逾越的瓶颈；3)对于实时采集及传输监测数据，传统的做法为构建一个有线通讯网络，例如采 用485总线，由上位机发出数据采集指令，然后各监测终端收到采集指令后同步开始数据 采集，然而该方法同步性较差；4)监测装置的开发水平较低。对于监测铁芯接地电流，电流传感器起着关键作用， 其性能直接影响电力变压器的测量精度和可靠性，为保证电气设备和信号的取样安全，一 般选用穿芯结构。由于要求具有高准确性、良好的抗电磁干扰能力和长时间的稳定性，常规 的传感器很难满足实际应用的标准；5)监测装置的监测量单一。
发明内容本实用新型的目的是提供一种电力变压器在线监测装置，监测稳定性好、重复性、 精度和可靠性高，维护方便，通过GPRS无线通信将数据传输到远程监控中心，实现同步精 确触发采样。[0009]本实用新型所采用的技术方案是，一种电力变压器在线监测装置，包括依次连接 的远程监控中心、服务器和监测终端，其中的，远程监控中心，用于发出采集指令，将该采集指令输入服务器，接收服务器返回的 数据，对该返回的数据进行分析和计算，根据数据分析和计算的结果，对电力变压器的运行 状态进行诊断和故障预警，将接收到的服务器返回的数据存入数据库；服务器，用于接收远程监控中心发出的采集指令，并将该采集指令发送给监测终 端，接收监测终端发送的数据，并将该数据传输给远程监控中心；监测终端，用于接收服务器传来的采集指令，根据该采集指令对电力变压器的运 行状态进行监测，采集设备运行过程中铁芯电流信号和其它相关信息，将采集的电流信号 和其它相关信息转变为数据，将该数据予以储存，在既定时间带来时将该数据传输到服务
O本实用新型的特点还在于，其中的监测终端设置有两个或两个以上。其中的监测终端包括微控制器，微控制器分别与信号调理电路、A/D采样电路、液 晶显示器、键盘、静态随机存储器、闪存单元、GPRS通信单元、GPS同步单元、顶层油温采集 单元、硬件看门狗和断电复位电路相连接；信号调理电路、A/D采样电路分别与程控放大电 路相连接，程控放大电路与信号选择电路相连接，信号选择电路分别与铁芯电流信号采集 电路、短路电抗测量电路及工频信号发生电路相连接。其中的微控制器包括处理器，处理器上分别连接有消抖逻辑模块、采样逻辑模块 及测频逻辑模块，处理器分别与液晶显示器、静态随机存储器、闪存单元、GPRS通信单元、 GPS同步单元、顶层油温采集单元、硬件看门狗和断电复位电路相连接；消抖逻辑模块与键 盘相连接；采样逻辑模块与A/D采样电路相连接；测频逻辑模块与信号调理电路相连接。本实用新型监测装置与现有技术相比，具有如下优点1)采用DS18b20温度传感器实现电力变压器顶层油温的在线监测，基于硬件电路 设计以及BCT-2型高精度电磁式穿芯小电流传感器实现电力变压器短路电抗、铁芯电流的 在线监测，使得电力变压器在线监测装置具有更好的完整性；2)针对现场工况，可选择采用GPRS无线通信技术进行数据传输与控制，避免了传 统数据传输方式带来的电缆施工，大大降低了施工的难度和装置安装成本；装置既可连续 安装又可离散安装；装置扩展非常灵活，能方便地挂接新的监测单元；3)采用GPS技术进行监测终端同步采样，提高了同步采样精度，有利于被监测设 备的横向和纵向的比较以及故障分析；4)对被测设备实现远程监控，客户端免维护，使装置的分布相对集中，有利于装置 的维护，具有较好的可扩展性以及灵活性。
图1是本实用新型监测装置的结构示意图；图2是本实用新型监测装置中监测终端的结构示意图；图3是本实用新型监测装置中监测终端的端子示意图；图4是本实用新型监测装置中微控制器实时采集和处理数据的流程4[0026]图5是本实用新型监测装置中测频逻辑模块对铁芯电流信号的检测等效原理图。图中，1.远程监控中心，2.服务器，3.监测终端，4.微控制器，，4-1.消抖逻辑模 块，4-2.处理器，4-3.采样逻辑模块，4-4.测频逻辑模块，5.信号调理电路，6.铁芯电流信 号采集电路，7.信号选择电路，8.程控放大电路，9. A/D采样电路，10.液晶显示器，11.键 盘，12.静态随机存储器，13.闪存单元，14. GPRS通信单元，15. GPS同步单元，16.顶层油温 采集单元，17.硬件看门狗，18.工频信号发生电路，19.断电复位电路，20.短路电抗测量电 路。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型进行详细说明。本实用新型监测装置的结构，如图1所示。包括依次连接的远程监控中心1、服务 器2和多个监测终端3，监测终端3的结构，如图2所示，包括微控制器4，微控制器4分别 与信号调理电路5、A/D采样电路9、液晶显示器10、键盘11、静态随机存储器12、闪存单元 13、GPRS通信单元14、GPS同步单元15、顶层油温采集单元16、硬件看门狗17和断电复位 电路19相连接；信号调理电路5和A/D采样电路9分别与程控放大电路8相连接，程控放 大电路8与信号选择电路7相连接，信号选择电路7分别与铁芯电流信号采集电路6、短路 电抗测量电路20和工频信号发生电路18相连接。微控制器4包括处理器4-2，处理器4-2 上分别连接有消抖逻辑模块4-1、采样逻辑模块4-3及测频逻辑模块4-4。微控制器4中的 处理器4-2分别与液晶显示器10、静态随机存储器12、闪存单元13、GPRS通信单元14、GPS 同步单元15、顶层油温采集单元16、硬件看门狗17和断电复位电路19相连接；消抖逻辑模 块4-1与键盘11相连接；采样逻辑模块4-3与A/D采样电路9相连接；测频逻辑模块4_4 与信号调理电路5相连接。远程监控中心1，用于发出采集指令，将该采集指令输入服务器2，接收服务器2返 回的数据，对该返回的数据进行分析和计算，根据数据分析和计算的结果，对电力变压器的 运行状态进行诊断和故障预警，将接收到的服务器2返回的数据存入数据库；服务器2，用于接收远程监控中心1发出的采集指令，并将该采集指令发送给监测 终端3，接收监测终端3发送的数据，并将该数据传输给远程监控中心1 ；监测终端3，用于接收服务器2传来的采集指令，根据该采集指令基于GPS的PPS 秒脉冲信号对电力变压器的运行状态进行监测，采集设备运行过程中铁芯电流信号和其它 相关信息，将采集的电流信号和其它相关信息转变为数据，将该数据予以储存，在既定时间 带来时通过GPRS/485方式将该数据传输到服务器2。监测终端3的信号采集端子如图3所 示，TansI为铁芯电流输入信号，ShortX为短路电抗等效输出电压，其值通过R84基于+IOV 的电源分压所得，AGND为模拟地。(1)微控制器4微控制器4采用Nios II系列嵌入式处理器EP1C6Q240C8N。将处理器、外设、存储 器和I/O接口集成到一个单一的FPGA芯片中，降低了监测装置的成本、复杂性和功耗。监测 装置涉及到的数字逻辑都在FPGA内部实现，并采用的高性能微处理器(MCU)对装置流程进 行控制。微控制器4能完成手动自检和实时采集，手动自检和实时采集的启动采用中断模 式触发。微控制器4实时采集和处理数据的流程图，如图4所示，工作时，微控制器4通过其内嵌的Nios II软核处理器4-2获取温湿度信息，实现对A/D采样电路9的实时采样控制 和信号频率的测量，并完成数据的缓冲、处理和传输等功能，使能采集的控制逻辑模块。GPS 同步单元15的同步沿(精度可达2ns)触发采样，自动完成500点数据采集。采集好的数据 存放在FPGA中的RAM中，控制逻辑会以高电平(high level)指示数据准备好(ready)，MCU 可依次读回RAM中的数据。采集的500点数据经UARTb传送给GPRS通信单元14，然后通过 无线网络传送到数据中心。微处理器接受到上位机发送到GPRS上的采集命令后，若为定时 采集命令则需读GPS的时间，当既定时间后的IPPS到来时使能A/D采样控制模块，若为实 时采集命令则需等待在当前GPS时间基础上延时2s后的1PPS。由FPGA构成的微控制器4内部包含Nios II处理器软核以及经HDL语言编写的 测频逻辑模块4-4和采样逻辑模块4-3。测频逻辑模块4-4用于对方波化后的电流传感器 信号进行频率测量，其中elk为FPGA的全局时钟，measure_en为测频使能端，在需要测频 时令measunen为高，通过计数器模块hmfreq对其频率进行计数，计数值将会输出给Nios II进行计算，然后转换成相应的频率。采样逻辑模块4-3在sample_enable置高后开始等 待GPS的同步秒脉冲1PPS，作为对一个周期的工频信号开始采样的触发标志，采集模块随 即根据微处理器给定的采样速率samplerat^divdata对电网信号进行500点采样，采样 速率=信号频率的计数值/500，每次采集过程对应工频信号的一个周期，每个采样值占据 2个字节，采样逻辑模块4-3将500个采样值都存储在ad_data_ram的内部RAM里，并在第 500个点采样完毕后给微处理器发出一个采样完毕信号，同时依次输出存储在内部RAM中 的500个点的采样值。( 2 )铁芯电流信号采集电路6铁芯电流信号采集电路6包括一个基于零磁通技术的BCT-2型电磁式有源穿芯 结构小电流传感器，一个基于继电器的通道切换电路，铁芯电流信号通过传感器转换为绝 对值幅值不高于IOV的电压信号为A/D采样电路9提供输入。铁芯电流信号采集电路6采用基于有源零磁通技术的BCT-2型电磁式穿芯小电流 传感器，用于铁芯电流信号的采集。变电站高压电气设备绝缘在线监测装置中，对于监测电 力变压器，电流传感器起着关键作用，其性能直接关系到容性设备介质损耗测量的精度和 可靠性，为了保证电气设备接地电流信号的取样安全，传感器一般选用穿芯结构。变压器铁 芯电流的范围在几十毫安到几安培，传统的无源传感器无法保证其精度和稳定性，难以满 足现场的应用要求，而采用有源零磁通技术是提高小电流检测精度的最好途径。BCT-2型 电磁式穿芯小电流传感器采用起始导磁率高，损耗小的坡莫合金做铁芯，并采用了独特的 深度负反馈技术，能够对铁芯全自动补偿，使铁芯工作在理想的零磁通状态。穿芯结构的 设计更能保证设备的安全(孔径30毫米)，长期使用表明，该传感器能够准确检测100 μ A 700mA的工频电流。相位变换误差不大于0.01°，不需要任何校正及修改，所有设备一样， 互换性极强，且具有极好温度特性和电磁场干扰能力，完全满足复杂的电站现场干扰下的 设备取样的精确度。(3) GPS 同步单元 15GPS同步单元15，选用摩托罗拉(Motorola) M12+Timing授时模块，该授时模块具 有12通道，可同时跟踪12颗卫星，能产生高达纳秒级的同步授时。采用GPS卫星基于GMT (Greenwich Mean Time)格林尼治标准时间的全球同步授时信号以及GPS授时模块具有的自同步秒脉冲，可以产生精度较高的同步沿，同步误差精度可达2ns，因此可采用GPS进行 触发，完成数据采集，确保了采样时间的同步性，保证了测量的有效性和可靠性，为微处理 器提供基准时间和同步秒脉冲1PPS。(4) GPRS 通信单元 14GPRS通信单元14采用H7118 GPRS DTU模块，该模块支持双频GSM/GPRS，符合ETSI GSM Phase 2+标准，数据终端永远在线，支持A5/1&A5/5加密算法、透明数据传输与协议转 换，支持虚拟数据专用网、短消息数据备用通道(选项)，支持动态数据中心域名和IP地址， 支持RS-232/422/485或以太网接口，可通过Xmodem协议进行软件升级，具备自诊断、告警 输出以及抗干扰设计，适合电磁环境恶劣的应用需求，该模块采用先进的电源技术，供电电 源适应范围宽，提高设备的稳定性，选配防潮外壳，适合室外应用。可直接与监测终端3相 连接，实现GPRS拨号上网功能，且其性能稳定，能满足本监测装置的需要。(5)A/D 采样电路 9A/D采样电路9选用TI公司的ADS8505芯片，该芯片是高性能的SAR型A/D转 换器。其内部采用CMOS工艺的电容矩阵方式，功耗较低，体积较小。A/D转换器内部通常 设置有采样保持器，该采样保持器可以维持采样电压直到转换结束，且其转换速率很快。 ADS8505芯片具有16位分辨率，采样速率可以达到250KHz，并行16位数据输出，适合8位 和16位数据总线，采用单5V电源供电，标准输入信号范围可以达到正负10V，整体功耗仅为 70mW。本监测装置需要对A/D转换器进行控制，完成同步高速整数倍信号的采样和对工 频信号频率的测量。传统方法多采用CPU或单片机完成对A/D转换器的采样控制，其优点 是编程简单，控制灵活，但缺点是控制周期长，速度慢。例如MCS-51系列单片机最高时钟频 率仅为12MHz，当A/D转换器本身的采样速度比较快时，CPU或单片机的慢速工作时序极大 地限制了 A/D转换器的高速性能。而FPGA的时钟频率可达IOOMHz以上，可以灵活控制A/ D转换器进行高速采样，并把采样数据实时存入FPGA内部的高速RAM中。(6)滤波电路信号调理电路5中包含的滤波电路是低通滤波电路，信号采集电路采集到的信号 经低通滤波处理，滤除其谐波成分，才能输入到测频逻辑前端。(7)测频逻辑模块4-4和采样逻辑模块4-3通过测频逻辑模块4-4和采样逻辑模块4-3，实现对工频电压频率的测量和A/ D转换芯片ADS8505的实时采样控制，完成数据的缓冲、处理、传输等功能。测频逻辑模 块4-4对泄漏电流信号检测的等效原理图，如图5所示，freq_in是电流传感器输出的正 弦电压信号经外部模拟电路整形后的方波输入，其频率等于电网信号频率，elk为FPGA的 全局时钟，measure_en为测频使能端，在需要测频(包括对装置自检信号的测频以及正常 工作时对电流传感器输出信号的测频)时令measunen为高，通过计数器模块hmfreq对 其频率进行计数，计数值measUre_ValUe[31..0]将会输出给微处理器Nios II进行计算 继而转换成相应的频率。例如若FPGA使用的是20M的晶振，则其全局时钟elk周期为 1/20μ s，而freq_in输入的是标准50Hz频率(周期为l/50s)的工频信号，则32位寄存器 measure_value[31. · 0]的计数输出为 l/50s + l/20y s = 40 0000，反之，通过 measure— value的值当然也可同理换算出freqjn的频率，从而实现了测频。在A/D采样控制模块中，软核微处理器Nios II接受到上位机发送到GPRS上的采集命令后，若为定时采集命令 则需读GPS的时间，当读到既定的时间后Nios II使能采集模块(sample_enable置高)， 若为实时采集命令则无需等待GPS的既定时间便立即置高Sample_enable。采集模块ad_ data_ram在sample_enable置高后开始等待GPS的同步秒脉冲1PPS，作为对一个周期的 工频信号开始采样的触发标志，采集模块随即根据微处理器给定的采样速率Samplerate_ divdata[12. . 0]对电网信号进行500点采样，采样速率=信号频率的计数值/500，即 meaSure_value/500，其代表的是一个工频周期内各相邻采样点的采样间隔。一个PPS对应 一次采样过程，每次采集过程对应工频信号的一个周期，每个采样值占据2个字节，采样控 制模块将500个采样值都存储在ad_data_ram的内部RAM里，并在第500个点采样完毕后 给微处理器发出一个采样完毕信号finished，同时依次从ram_datateSt[15. . 0]输出存储 在内部RAM中的500个点的采样值。(8)顶层油温采集单元16顶层油温采集单元选用DS18b20温湿度传感器，它是单线接口的数字温度传感 器。单电源供电，供电范围为3疒5. 5V，测温范围为-55°C 125°C，在温度为-10°C 85°C时， 精度为士0.5°C，能够满足顶层油温的监测要求。(9)断电复位电路19采用CD6040BE定时器芯片，每隔22小时对FPGA进行断电复 位1次。(10)短路电抗测量电路20由一个作为参考电压的+IOV的电源、一个高精度阻值 为500Ω的电阻和一个基于继电器的通道切换电路组成。(11)硬件看门狗17采用CAT1832芯片，微控制器4在500ms内不间断地向硬件 看门狗17输出低电平宽度超过20ns的脉冲信号，否则一旦间隔超过500ms，硬件看门狗17 反馈给FPGA —个复位脉冲信号。本实用新型监测装置的工作流程远程监控中心1发出采集指令，并将该采集指令输入服务器2，服务器2将接收到 的采集指令通过Internet网络和GPRS通信单元14送达各个监测终端3 ；各监测终端3接 到采集指令后，获取GPS同步单元15的时钟信号作为统一时钟，同时采集被监测设备的铁 芯电流信号、短路电抗以及顶层油温信息，并将采集的数据存储。当各监测终端一个工频周 期的数据采集完毕后，将采集数据以及其它相关信息打包通过GPRS无线网和Internet网 络，往服务器2回送；服务器2收到数据后通知客户端进行分析、计算、诊断、故障预警并将 数据存入数据库作历史分析之用。监测终端3主要完成铁芯电流数据的采样逻辑控制、数据初步处理、电网频率测 量、通信控制和液晶显示控制等任务。监测终端3经电流传感器获得铁芯电流信号，该信号 以及短路电抗测量电路输出电压、工频信号发生电路输出信号经信号选择电路后送入程控 放大电路8，程控放大电路8采用PGA204，对接收到的电压信号进行程控放大，放大后的电 压信号送入滤波电路，滤波电路采用UAF42U，滤波电路对接收到的信号进行带通滤波后，输 送至测频逻辑模块4-4，测频逻辑模块4-4计算出接收到信号的频率；监测终端3与监控主 机建立了完善的通信机制，自适应GPRS/RS485通信模式，实现多个监测终端3与上位机的 稳定通信；同时，监测终端3也能控制液晶显示器10为用户提供友好交互界面，并实现手动 自检、实时采样等操作。[0058]铁芯电流信号采集电路6、短路电抗测量电路20和工频信号发生电路18获得的 电气设备状态模拟量，经程控放大电路8放大后，分为两路一路送入测频逻辑模块4-4完 成信号的测频；另一路由A/D采样电路9转换为数字量，送入微控制器4中，经过Nios II 数据处理器4-2处理，由通讯模块以GPRS/RS485传输方式传输到主控室内的计算机工作站 上。监测终端3在自检功能被启动时，信号选择模块切换至工频信号发生器，处理器4-2对 此信号进行测频及采样，以完成上电自检。各监测终端3之间通过Motorola M12+GPS实现 精确同步。本实用新型监测装置，采用可编程逻辑技术，以FPGA为主要的硬件载体，完成前 端的工频频率检测和高速同步整数倍采样，以微处理器4作为装置的控制核心，对装置的 工作过程进行控制，并完成通讯功能。在硬件架构的基础上，拟定了采样率能够自动跟踪 工频频率的采集方案。能够在线实时监测电力变压器的运行状态，监测终端完成数据采集 并传输给远端控制中心，由控制中心的专家软件基于在线监测数据进行计算并进行故障判 断。
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权利要求一种电力变压器在线监测装置，其特征在于，包括依次连接的远程监控中心(1)、服务器(2)和监测终端(3)，其中的，远程监控中心(1)，用于发出采集指令，将该采集指令输入服务器(2)，接收服务器(2)返回的数据，对该返回的数据进行分析和计算，根据数据分析和计算的结果，对电力变压器的运行状态进行诊断和故障预警，将接收到的服务器(2)返回的数据存入数据库；服务器(2)，用于接收远程监控中心(1)发出的采集指令，并将该采集指令发送给监测终端(3)，接收监测终端(3)发送的数据，并将该数据传输给远程监控中心(1)；监测终端(3)，用于接收服务器(2)传来的采集指令，根据该采集指令对电力变压器的运行状态进行监测，采集设备运行过程中铁芯电流信号和其它相关信息，将采集的电流信号和其它相关信息转变为数据，将该数据予以储存，在既定时间带来时将该数据传输到服务器(2)。
2.根据权利要求1所述的电力变压器在线监测装置，其特征在于，所述的监测终端(3) 设置有两个以上。
3.根据权利要求1或2所述的电力变压器在线监测装置，其特征在于，所述的监测终端 (3)包括微控制器(4)，微控制器(4)分别与信号调理电路(5)、A/D采样电路(9)、液晶显示 器(10)、键盘(11)、静态随机存储器(12)、闪存单元(13)、GPRS通信单元(14)、GPS同步单 元(15)、顶层油温采集单元(16)、硬件看门狗(17)和断电复位电路(19)相连接；所述的信 号调理电路(5)、A/D采样电路(9)分别与程控放大电路(8)相连接，程控放大电路(8)与信 号选择电路(7)相连接，所述的信号选择电路(7)分别与铁芯电流信号采集电路(6)、短路 电抗测量电路(20)及工频信号发生电路(18)相连接。
4.根据权利要求3所述的电力变压器在线监测装置，其特征在于，所述的微控制器(4) 包括处理器(4-2 )，处理器(4-2 )上分别连接有消抖逻辑模块(4-1 )、采样逻辑模块(4-3 )及 测频逻辑模块(4-4)，处理器(4-2)分别与液晶显示器(10)、静态随机存储器(12)、闪存单 元(13),GPRS通信单元(14),GPS同步单元(15)、顶层油温采集单元(16)、硬件看门狗(17) 和断电复位电路(19)相连接；所述的消抖逻辑模块(4-1)与键盘(11)相连接；所述的采样 逻辑模块(4-3)与A/D采样电路(9)相连接；所述的测频逻辑模块(4-4)与信号调理电路 (5)相连接。
专利摘要本实用新型公开的一种电力变压器在线监测装置，包括依次连接的远程监控中心、服务器和监测终端，远程监控中心用于向服务器发出采集指令，接收服务器返回的数据，进行分析和计算，对电力变压器的运行状态进行诊断和故障预警，将数据存入数据库；服务器用于将远程监控中心发出的采集指令发送给监测终端，将监测终端发送的数据传输给远程监控中心；监测终端用于接收服务器传来的采集指令，采集设备运行过程中铁芯电流的信号和其它信息，将采集的电流信号和其它信息转变为数据，储存传输至服务器。本实用新型监测装置实时监测电力变压器的运行状态，监测终端完成数据采集并传输给远端控制中心，由控制中心的专家软件基于在线监测数据进行计算并进行故障判断。
文档编号H02J13/00GK201742158SQ201020141328
公开日2011年2月9日 申请日期2010年3月26日 优先权日2010年3月26日
发明者刘伟, 黄新波 申请人:西安工程大学