當高壓DC系統(tǒng)在單極接地回路中運行時，可能會對同一區(qū)域的交流系統(tǒng)產(chǎn)生影響。兩個不同DC電位的變電站通過輸電線路形成回路，DC電流將流向干式變壓器的中性點和干式變壓器的繞組。干式變壓器會產(chǎn)生DC磁偏，導致干式變壓器的噪聲和振動增加。上海電網(wǎng)是典型的多終端DC多饋DC系統(tǒng)。許多DC接地極已經(jīng)投入使用。DC偏磁對干式變壓器的影響已經(jīng)顯現(xiàn)，對干式變壓器的危害是長期的。目前沒有有效的質(zhì)量檢驗方法。因此，有必要建立一套有效的干式變壓器DC偏磁實時監(jiān)測系統(tǒng)。本文介紹了一套基于NI公司CompactRIO的干式變壓器自動、高精度、實時DC偏磁監(jiān)測系統(tǒng)。

高壓直流系統(tǒng)的單回地線運行時，同一地區(qū)的交流系統(tǒng)可能會受到影響。因為兩個不同DC電位的換流站通過傳輸線構(gòu)成一個回路，導致一定的直流電流流入變壓器中性點和繞組。變壓器會出現(xiàn)DC偏磁現(xiàn)象，導致變壓器噪聲和振動增加。上海電網(wǎng)是典型的多DC多饋入直流輸電系統(tǒng)，有多個DC接地極在運行。變壓器DC偏磁的影響已經(jīng)存在，并會對變壓器造成長期危害，但目前還沒有一套有效的質(zhì)量檢測方法。因此，有必要建立一套變壓器DC偏磁實時監(jiān)測系統(tǒng)。本文提出了一套自動化、高精度、實時監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案。監(jiān)控系統(tǒng)可以顯示主變壓器中性點直流電流的幅值和極性，以及振動的幅值變化。它還能顯示主變壓器中性點直流電流分布規(guī)律與振動幅度的關(guān)系，為判斷變壓器DC偏磁程度提供依據(jù)。

題記：項目開發(fā)不能只靠一時的狂熱，要靠正確的方法和大量的時間投入。較重要的是設(shè)計一個易于開發(fā)和實施的方案。做實用設(shè)備和做科研的區(qū)別在于，要考慮很多實際問題，不僅僅是性能，還要考慮選用的材料是否容易購買，配送周期，這樣才能和很多廠家溝通協(xié)調(diào)。此外，還需要根據(jù)公司的特點進行方案設(shè)計。不像外的研究所，有專門的工程部門與研究人員合作，促進產(chǎn)品開發(fā)。作為一個以科技報告為主要產(chǎn)出的電力研究所，并不開發(fā)相關(guān)的設(shè)備和產(chǎn)品，缺乏相應(yīng)的配套部門和人員。需要做的是掌握核心技術(shù)，具備復制修改能力，完全擁有自主知識產(chǎn)權(quán)。具體實現(xiàn)細節(jié)不是重點。根據(jù)以上分析，NI公司的產(chǎn)品較適合本文監(jiān)控設(shè)備的開發(fā)。NI公司的硬件產(chǎn)品性能卓越完善，與開發(fā)軟件LabVIEW高度集成，將工作量集中在LabVIEW程序開發(fā)上，大大簡化了工作量，使本項目的較終完成成為可能。在確定了NI產(chǎn)品的構(gòu)成方案后，方便在NI官網(wǎng)下載一個相關(guān)的套路。在購買NI產(chǎn)品的過程中，NI公司熱情地提供了試用產(chǎn)品的機會，并且方便地進行了驗證方案的測試，證明了方案的可行性。接下來的流程是不斷的優(yōu)化和改進，工作方向和思路清晰，可以保證時間不會浪費。 #p#分頁標題#e#

應(yīng)用領(lǐng)域：電力設(shè)備診斷、遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控、分布式數(shù)據(jù)采集

挑戰(zhàn)：監(jiān)控系統(tǒng)

目標是：干式變壓器中性點電流和干式變壓器箱體的振動，振動通過檢測加速度來反應(yīng)。電流檢測的難點：測量的電流范圍大，而且要保證整個測量范圍內(nèi)的相對精度，需要多個量程霍爾電流傳感器配合檢測。加速度檢測的難點：加速度傳感器采用壓電式的IEPE傳感器，采集卡需要提供恒流源激勵;要求可擴展到多個加速度傳感器測量點，采樣端口多，較高達到24個;采樣速率要求高，需達到50kHz及以上;采樣的數(shù)據(jù)量大，通信的信息量大;所采集的數(shù)據(jù)存儲也較為困難，為了方便查詢，數(shù)據(jù)存儲的格式需要特別設(shè)計。

應(yīng)用方案：本方案在吸取當下的直流監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)點的同時，還考慮直流偏磁對干式變壓器影響即增加了振動的監(jiān)測，通過同時監(jiān)測主變中性點直流電流和干式變壓器的振動，實時掌握干式變壓器發(fā)生直流偏磁的情況。本方案提出的監(jiān)測系統(tǒng)是一整套全自動、高精度、實時監(jiān)測系統(tǒng)，能實時顯示主變中性點直流電流流幅值和極性，及振動的幅值變化，能清晰地顯示各變電站主變中性點直流電流的分布規(guī)律及與振動大小的關(guān)系，為判斷干式變壓器直流偏磁的程度提供依據(jù)。直流電流的監(jiān)測方案已很成熟，主要考慮的是所要求的大范圍內(nèi)保證精度的要求;再根據(jù)上述分析的加速度檢測方案，考慮到還需要開發(fā)監(jiān)測臺PC的界面，選擇基于Labview的開發(fā)平臺，可直接使用該軟件開發(fā)PC界面，將數(shù)據(jù)通過光纖以太網(wǎng)傳輸?shù)奖O(jiān)測臺PC。本項目的核心在于將眾多IEPE采集卡端口與電流采集端口集成到一個平臺，對這些信號進行分析和處理，IEPE采集卡端口可根據(jù)測試點的數(shù)量選擇。

使用的產(chǎn)品：

LabVIEW 8.6.1軟件開發(fā)平臺

LabVIEW RT 8.6.1實時模塊

LabVIEW FPGA 8.6.1工具包

LabVIEW Sound and Vibration 7.0工具包

LabVIEW Database Conectivity 1.0.2工具包

CompactRIO-9014嵌入式控制器

CompactRIO-9114可重新配置嵌入式機箱

Compact-9239高速電壓信號隔離采集模塊

Compact-9234 IEPE專用采集模塊

Compact-9401高速TTL雙向數(shù)字I/O模塊

正文：

一、 引言

上海電網(wǎng)長期供不應(yīng)求、電力不足，已經(jīng)發(fā)展成為典型的受端電網(wǎng)。目前已經(jīng)投運兩條 500kV高壓直流輸電工程。上海電網(wǎng)將成為典型的多端直流和多饋入直流系統(tǒng)，將有多個直流接地極投入運行。高壓直流系統(tǒng)單極大地回線運行時，巨大的直流電流經(jīng)直流接地極流入大地，并在較大范圍內(nèi)造成地電位的明顯變化。這種地電位的變化，對于同一地區(qū)的交流系統(tǒng)可能產(chǎn)生影響。兩個處于不同直流電位的變電站經(jīng)輸電線路構(gòu)成回路，會產(chǎn)生直流電流通過干式變壓器中性點和干式變壓器繞組。使得干式變壓器出現(xiàn)直流偏磁現(xiàn)象，造成干式變壓器噪聲增大，振動加劇等[1][2][3]。#p#分頁標題#e#

上海電網(wǎng)中，以上影響已經(jīng)顯現(xiàn)，如220kV干練站的主變中性點電流超過44.5A，并產(chǎn)生達94dB以上的噪聲;葛南線直流單極運行時造成附近220kV銀河、目華站主變噪聲明顯增大等。直流偏磁對干式變壓器的危害是長期的，目前干式變壓器生產(chǎn)廠家對承受直流偏磁的干式變壓器長期運行的可靠性不做保證，并且沒有一套行之有效的質(zhì)量檢驗方法。因此非常有必要建立一套有效的實時監(jiān)測系統(tǒng)[4][5]。

二、 干式變壓器直流偏磁監(jiān)測系統(tǒng)組成

干式變壓器對于一個變電站至關(guān)重要，是變電站中主要組成部分，是核心部件，每個變電站中干式變壓器的正常運行就顯得至關(guān)重要。

干式變壓器直流監(jiān)測組成框圖如圖1所示，它主要由五部分組成：(1)干式變壓器中性點霍爾電流傳感器(CT)和振動傳感器;(2)實時采集設(shè)備，實時采集CT和振動傳感器監(jiān)測到的信號，并進行相應(yīng)的算法;(3)無線通訊設(shè)備，將實時采集設(shè)備與控制器的監(jiān)測PC相連;(4)控制室的監(jiān)測PC可以通過無線通訊接收實時采集設(shè)備監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，并可改變采集的參數(shù);(5)各變電站的監(jiān)測PC通過市公司在變電站中鋪設(shè)的光纖網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸和匯總，在遠程狀態(tài)監(jiān)測中心(如電科院)可以查看監(jiān)測的各個變電站直流偏磁情況，并可對監(jiān)測設(shè)備進行控制。

圖 1 干式變壓器直流偏磁監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

三、 干式變壓器直流偏磁監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案

直流電流的監(jiān)測方案已很成熟，主要考慮的是所要求的大范圍內(nèi)保證精度的要求;再根據(jù)上述分析的加速度檢測方案，考慮到還需要開發(fā)監(jiān)測臺PC的界面，選擇基于Labview的開發(fā)平臺，可直接使用該軟件開發(fā)PC界面，將數(shù)據(jù)通過光纖以太網(wǎng)傳輸?shù)奖O(jiān)測臺PC。本項目的核心在于將眾多IEPE采集卡端口與電流采集端口集成到一個平臺，對這些信號進行分析和處理，IEPE采集卡端口可根據(jù)測試點的數(shù)量選擇。

基于Labview開發(fā)平臺，采集卡和控制器全部采用高性能工業(yè)級NI器件。如圖2所示，電流的采樣卡選擇NI-9239;加速度采集卡采用自帶恒流源的IEPE專用采集卡NI-9234;工業(yè)實時控制器采用cRIO-9014;可配置機箱采用cRIO-9114，可擴展8塊采集卡。

NI-9014為嵌入式實時控制器，具有-40 ~ 70 C的操作溫度范圍，400MHz處理器、128M DRAM、2GB非易失存儲介質(zhì)。CompactRIO嵌入式控制器的設(shè)計極為堅固、可靠且電源能耗低，其9VDC和35VDC兩種電源輸入可用于CompactRIO機箱/模塊的隔離供電。

NI-9114為8槽嵌入式機箱，具有-40 ~ 70 C的操作溫度范圍，3百萬可重新配置I/O(RIO)，F(xiàn)PGA核心具有高超的處理能力，使用LabVIEW自動生成自定義控制和信號處理電路。

NI-9234為4通道C系列動態(tài)數(shù)據(jù)采集卡，自帶2mA IEPE恒流源激勵，可進行高精度的加速度測量，4條輸入通道借助自動調(diào)節(jié)采樣率的內(nèi)置抗混疊濾波器(Delta-Sigma)，可同時以每通道高達51.2 kS/s采樣信號。#p#分頁標題#e#

NI-9401為8通道C系列高速數(shù)字I/O模塊，100ns超高速數(shù)字輸入輸出，輸入和輸出的方向按半字節(jié)(4位)進行配置，可用LabVIEW對NI-9401編程，進行3種配置：8路數(shù)字輸出、8路數(shù)字輸出或4路數(shù)字輸入和4路數(shù)字輸出。

NI-9239為4通道C系列模擬輸入模塊，具有高速、準確的設(shè)計特點，分辨率、掃描率和輸入范圍方面同樣具有優(yōu)勢。4條通道之間彼此隔離，借助通道間的隔離，包括待測設(shè)備在內(nèi)的整套系統(tǒng)可以免受隔離等級內(nèi)的電壓尖脈的損害。4條輸入通道借助自動調(diào)節(jié)采樣率的內(nèi)置抗混疊濾波器(Delta-Sigma)，可同時以每通道高達50 kS/s采樣信號

本監(jiān)測系統(tǒng)是安裝在變電站中監(jiān)測主干式變壓器，變電站中規(guī)定不能隨意施工、布線，因此現(xiàn)場的監(jiān)測設(shè)備與控制樓中的上位機服務(wù)器之間的通信方式采用無線Mesh方式，Mesh網(wǎng)絡(luò)可自動連接組成子網(wǎng)，且傳輸速度快，在變電站中多個干式變壓器進行監(jiān)測時，互相之間可自動形成網(wǎng)絡(luò)，不需要額外的中繼點，安裝方便、節(jié)約成本。

圖2 可擴展8個采集卡的監(jiān)測系統(tǒng)

根據(jù)監(jiān)測的要求及相關(guān)技術(shù)難點的分析，經(jīng)過大量的調(diào)研工作，確定了電流的監(jiān)測方法和霍爾電流傳感器的參數(shù)，尋找具有相應(yīng)經(jīng)驗的廠商訂做;對于振動的監(jiān)測，采用加速度來反應(yīng)振動的情況，根據(jù)上述分析，選擇了合適的加速度傳感器，并進行了相應(yīng)的計算，確定方案的可行性。

對于整體方案的選擇，理論上分析通過后，進行了驗證性的測試，如圖3所示，為整體測試結(jié)構(gòu)圖，測試對象選擇調(diào)壓器，三維加速度傳感器通過磁鐵底座吸附在調(diào)壓器的側(cè)壁，傳感器信號線連接到采集卡，采集卡通過FPGA對數(shù)據(jù)進行緩存后傳輸?shù)娇刂破髦刑幚恚ㄟ^FFT、功率譜等算法后將結(jié)果通過以太網(wǎng)傳輸?shù)缴衔粰C，在用戶界面中顯示出來。

圖3 整體測試結(jié)構(gòu)圖

接下來將重點介紹干式變壓器直流偏磁監(jiān)測系統(tǒng)的電流和加速度的信號采集、處理算法的研究、無線通信方式、監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲設(shè)計。

1、電流和加速度的信號采集

1.1 電流信號采集

電流檢測的難點：測量的電流范圍大，而且要保證整個測量范圍內(nèi)的相對精度，需要多個量程霍爾電流傳感器配合檢測。通入下述的方法可以解決電流檢測的技術(shù)難點[7][8]。

如圖4所示， 電流監(jiān)測模塊包括：3個霍爾電流傳感器、2個電源控制裝置、MUX、ADC模塊、量程判定和控制器，其中：霍爾電流傳感器1的量程較大，一直上電工作不需要電源控制裝置，霍爾電流傳感器2和3都需要電源控制裝置，MUX用于選擇輸入的霍爾電流傳感器通道，ADC模塊將霍爾電流傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入到控制器。通過量程判定預(yù)先判斷電流的量程并依據(jù)判定的量程選擇相應(yīng)的電流傳感器，然后通過多路模擬開關(guān)選擇電流傳感器通道進行采樣，接著通過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后輸入到控制器，以及控制器發(fā)送觸發(fā)信號對電流傳感器進行斷電處理，提出一種干式變壓器中性點的、大范圍的、可保證大范圍內(nèi)精度的電流檢測方法。#p#分頁標題#e#

電流檢測方法，包括：

步驟一、通過量程判定預(yù)先判斷電流的量程;

步驟二、依據(jù)判定的量程選擇相應(yīng)的電流傳感器;

步驟三、通過多路模擬開關(guān)選擇電流傳感器通道進行采樣;

步驟四、通過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后輸入到控制器;

步驟五、控制器發(fā)送觸發(fā)信號對電流傳感器進行斷電處理。

為了配合此種電流監(jiān)測的方法，專門設(shè)計了量程判定單元和霍爾電流傳感器專用的電源控制模塊。

電流采集卡選擇NI-9239，4條通道隔離采樣可把3個霍爾電流傳感器的采樣隔離，彼此之間不影響，防止干式變壓器的地電位對電流采集的干擾，保證了采集的準確性。量程較小的霍爾電流傳感器2和3需要電源控制模塊，而電源控制模塊的輸入信號是通過NI-9401發(fā)出的。cRIO控制器及機箱并沒有可用作控制的輸出端口，必須通過I/O類的模塊實現(xiàn)，通過NI-9239、NI-9401就可以實現(xiàn)電流信號采集的閉環(huán)控制，克服上上述分析的電流檢測的難點，實現(xiàn)了保證相對精度的滿量程電流測量。

圖4 電流采樣裝置示意圖

1 來源：美家儀器