基于CompactRIO的变压器直流偏磁监测系统在变电站的应用.doc

基于CompactRIO的变压器直流偏磁监测系统在变电站的应用高压直流系统单极大地回线运行时，对于同一地区的交流系统可能产生影响，两个处于不同直流电位的变电站经输电线路构成回路，将有直流电流流到变压器中性点和变压器绕组变压器会出现直流偏磁现象，造成变压器噪声增大，振动加剧等上海电网是典型的多端直流和多馈入直流系统，已有多个直流接地极投入运行，变压器的直流偏磁影响已经显现，对变压器的危害是长期的，而目前还没有一套行之有效的质量检验方法因此有必要建立一套有效的变压器直流偏磁的实时监测系统本文提出了一整套基于NI公司CompactRIO的全自动、高精度、实时变压器直流偏磁监测系统Abstract: When the single earth-return line of HVDC (High voltage direct current) system is functioning, the AC system in the same area will probably be influenced. Because two converting station at different DC potential constitute a loop via transmission line, causing certain direct current moving into the transformer neutral point and winding. The transformer DC magnetic biasing phenomenon will appear, leading increased noise and vibration of transformer. Shanghai grid is the typical multi-DC and multi-infeed HVDC system, with several DC grounding-electrodes in service. The influence of transformer DC magnetic biasing already exists and will do harm to transformers in a long term, while there’s no set of effective quality inspection method. Therefore, it is necessary to establish a set of real-time monitoring system for transformer DC magnetic biasing. In this paper, a set of automatic, high-accuracy and real-time monitoring system designing scheme is proposed. The monitoring system can display the amplitude and polarity of main transformer""s neutral point direct current, and the amplitude changes of vibration. It can also show the relationship between the distribution rule of main transformer""s neutral point direct current and the amplitude of vibration, providing the basis for judging the degree of transformer DC magnetic biasing.题记：项目开发不能只凭借着一时的头脑发热，而是正确的方法和大量时间的投入，最为重要的是设计一个易于开发、实现的方案。

做实际的装置与科研不同之处就在于必须要考虑很多实际的问题，不仅要考虑性能，还要考虑到所选择的材料是否易于购买，及配货周期，大量地与多个厂家沟通、协调另外，还是要根据公司的特点设计方案，不同于外企研究院，专门有工程部门配合研究人员推进产品的开发，作为以科技报告为主要产出的电科院，并不开发相关的装置和产品，这就缺少相应的支撑部门和人员，所需要做的就是掌握核心技术，具有复制、修改的能力，完全拥有自主知识产权，具体的实现细节并不是重点根据上述的分析，NI公司的产品最适合本文监测设备的开发，NI公司的硬件产品性能优良、完善，而且与开发软件LabVIEW集成度高，这就将工作量集中到LabVIEW程序开发中，极大地简化了工作量，也让本次项目开发的最终完成有了可能确定了NI产品组成的方案后，很方便在NI的官方网站上下载一个有相关性的例程，在NI产品的采购过程中，NI公司热情地提供了产品试用的机会，很方便就可以进行验证方案的试验，证明了方案的可行性，下面的过程就是不断地优化、完善，工作方向和思路明确，可保证不会白白浪费时间应用领域：电力设备诊断、远程数据监测、分布式数据采集挑战：本监测系统的目标是：变压器中性点电流和变压器箱体的振动，振动通过检测加速度来反应。

电流检测的难点：测量的电流范围大，而且要保证整个测量范围内的相对精度，需要多个量程霍尔电流传感器配合检测加速度检测的难点：加速度传感器采用压电式的IEPE传感器，采集卡需要提供恒流源激励;要求可扩展到多个加速度传感器测量点，采样端口多，最高达到24个;采样速率要求高，需达到50kHz及以上;采样的数据量大，通信的信息量大;所采集的数据存储也较为困难，为了方便查询，数据存储的格式需要特别设计应用方案：本方案在吸取当下的直流监测系统优点的同时，还考虑直流偏磁对变压器影响即增加了振动的监测，通过同时监测主变中性点直流电流和变压器的振动，实时掌握变压器发生直流偏磁的情况本方案提出的监测系统是一整套全自动、高精度、实时监测系统，能实时显示主变中性点直流电流流幅值和极性，及振动的幅值变化，能清晰地显示各变电站主变中性点直流电流的分布规律及与振动大小，为判断变压器直流偏磁的程度提供依据直流电流的监测方案已很成熟，主要考虑的是所要求的大范围内保证精度的要求;再根据上述分析的加速度检测方案，考虑到还需要开发监测台PC的界面，选择基于Labview的开发平台，可直接使用该软件开发PC界面，将数据通过光纤以太网传输到监测台PC。

本项目的核心在于将众多IEPE采集卡端口与电流采集端口集成到一个平台，对这些信号进行分析和处理，IEPE采集卡端口可根据测试点的数量选择使用的产品：LabVIEW 8.6.1软件开发平台LabVIEW RT 8.6.1实时模块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可重新配置嵌入式机箱Compact-9239高速电压信号隔离采集模块Compact-9234 IEPE专用采集模块Compact-9401高速TTL双向数字I/O模块正文：一、 引言上海电网长期供不应求、电力不足，已经发展成为典型的受端电网目前已经投运两条±500kV高压直流输电工程上海电网将成为典型的多端直流和多馈入直流系统，将有多个直流接地极投入运行高压直流系统单极大地回线运行时，巨大的直流电流经直流接地极流入大地，并在较大范围内造成地电位的明显变化这种地电位的变化，对于同一地区的交流系统可能产生影响两个处于不同直流电位的变电站经输电线路构成回路，会产生直流电流通过变压器中性点和变压器绕组。

使得变压器出现直流偏磁现象，造成变压器噪声增大，振动加剧等[1][2][3]上海电网中，以上影响已经显现，如220kV干练站的主变中性点电流超过44.5A，并产生达94dB以上的噪声;葛南线直流、目华站主变噪声明显增大等直流偏磁对变压器的危害是长期的，目前变压器生产厂家对承受直流偏磁的变压器长期运行的可靠性不做保证，并且没有一套行之有效的质量检验方法因此非常有必要建立一套有效的实时监测系统[4][5]二、 变压器直流偏磁监测系统组成变压器对于一个变电站至关重要，是变电站中主要组成部分，是核心部件，每个变电站中变压器的正常运行就显得至关重要变压器直流监测组成框图如图1所示，它主要由五部分组成：(1)变压器中性点霍尔电流传感器(CT)和振动传感器;(2)实时采集设备，实时采集CT和振动传感器监测到的信号，并进行相应的算法;(3)无线通讯设备，将实时采集设备与控制器的监测PC相连;(4)控制室的监测PC可以通过无线通讯接收实时采集设备监测到的数据，并可改变采集的参数;(5)各变电站的监测PC通过市公司在变电站中铺设的光纤网进行数据传输和汇总，在远程状态监测中心(如电科院)可以查看监测的各个变电站直流偏磁情况，并可对监测设备进行控制。

图 1 变压器直流偏磁监测系统结构示意图三、 变压器直流偏磁监测系统设计方案直流电流的监测方案已很成熟，主要考虑的是所要求的大范围内保证精度的要求;再根据上述分析的加速度检测方案，考虑到还需要开发监测台PC的界面，选择基于Labview的开发平台，可直接使用该软件开发PC界面，将数据通过光纤以太网传输到监测台PC本项目的核心在于将众多IEPE采集卡端口与电流采集端口集成到一个平台，对这些信号进行分析和处理，IEPE采集卡端口可根据测试点的数量选择基于Labview开发平台，采集卡和控制器全部采用高性能工业级NI器件如图2所示，电流的采样卡选择NI-9239;加速度;工业实时控制器采用cRIO-9014;可配置机箱采用cRIO-9114，可扩展8块采集卡NI-9014为嵌入式实时控制器，具有-40 ~ 70°C的操作温度范围，400MHz处理器、128M DRAM、2GB非易失存储介质CompactRIO嵌入式控制器的设计极为坚固、可靠且电源能耗低，其9VDC和35VDC两种电源输入可用于CompactRIO机箱/模块的隔离供电NI-9114为8槽嵌入式机箱，具有-40 ~ 70°C的操作温度范围，3百万可重新配置I/O(RIO)，FPGA核心具有高超的处理能力，使用LabVIEW自动生成自定义控制和信号处理电路。

NI-9234为4通道C系列动态数据采集卡，自带2mA IEPE恒流源激励，可进行高精度的加速度测量，4条输入通道借助自动调节采样率的内置抗混叠滤波器(Delta-Sigma)，可同时以每通道高达51.2 kS/s采样信号NI-9401为8通道C系列高速数字I/O模块，100ns超高速数字输入输出，输入和输出的方向按半字节(4位)进行配置，可用LabVIEW对NI-9401编程，进行3种配置：8路数字输出、8路数字输出或4路数字输入和4路数字输出NI-9239为4通道C系列模拟输入模块，具有高速、准确的设计特点，分辨率、扫描率和输入范围方面同样具有优势4条通道之间彼此隔离，借助通道间的隔离，包括待测设备在内的整套系统可以免受隔离等级内的电压尖脉的损害4条输入通道借助自动调节采样率的内置抗混(Delta-Sigma)，可同时以每通道高达50 kS/s采样信号本监测系统是安装在变电站中监测主变压器，变电站中规定不能随意施工、布线，因此现场的监测设备与控制楼中的上位机服务器之间的通信方式采用无线Mesh方式，Mesh网络可自动连接组成子网，且传输速度快，在变电站中多个变压器进行监测时，互相之间可自动形成网络，不需要额外的中继点，。