楊海生，劉 玲，楊孟卓，王彥波

(1．山西電網(wǎng)公司 晉中供電公司，山西 晉中030600;2．華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定071003)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得現(xiàn)代儀器技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，從而產(chǎn)生功能強(qiáng)大、多變的虛擬儀器［1］。虛擬儀器是以計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的硬件支持作為基礎(chǔ)，一般再輔以數(shù)據(jù)采集設(shè)備、電壓或者電流傳感器以及一些濾波設(shè)備等，利用計(jì)算機(jī)各種輸入、輸出接口進(jìn)行信號(hào)的采集，測(cè)量和調(diào)理，然后利用軟件對(duì)所獲得的信號(hào)進(jìn)行處理。

LabVIEW 是這類軟件中的代表產(chǎn)品。在它的驅(qū)動(dòng)程序中，有支持各種測(cè)試測(cè)量功能的底層程序供用戶使用，用戶只需根據(jù)自身實(shí)際的需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修改即可。它更提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能以及一些用于工業(yè)控制、測(cè)量方面的實(shí)用功能等。利用軟件用戶可以在計(jì)算機(jī)上模擬各種實(shí)際的設(shè)備［2］，實(shí)現(xiàn)以及修改它的各種功能，這也正是虛擬一詞的由來(lái)。然后再對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種運(yùn)算、分析及處理［3］。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)變壓器繞組變形的檢測(cè)方法主要有低壓脈沖法、短路阻抗法和頻率響應(yīng)法［4］。但這些方法大都是離線檢測(cè)法，因此，發(fā)展一種不影響變壓器運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)是非常重要的。頻響法是實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)的典型方法，它的原理如下:當(dāng)變壓器在高頻電壓的作用下，可以將它的繞組等效為由電阻、電感、電容等分布參數(shù)組成的二端口網(wǎng)絡(luò)，并用傳遞函數(shù)來(lái)描述這一網(wǎng)絡(luò)特性［5］。當(dāng)繞組發(fā)生局部變形，會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中電氣參數(shù)的改變，從而引起傳遞函數(shù)的變化。應(yīng)用頻響法來(lái)判斷變壓器的繞組變形，主要是通過(guò)測(cè)量變壓器每相繞組的頻響曲線，再通過(guò)縱向或者橫向比較的方式來(lái)得到結(jié)果［6，7］。

1 系統(tǒng)硬件介紹

總體硬件電路結(jié)構(gòu)如圖1 所示。利用信號(hào)發(fā)生器向系統(tǒng)注入高頻脈沖信號(hào)，信號(hào)經(jīng)保護(hù)電路、電容分壓器進(jìn)入變壓器的低壓繞組［8］，在中性線處利用高頻電流傳感器測(cè)量響應(yīng)信號(hào)。該響應(yīng)信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理單元、數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)入工控機(jī)。本系統(tǒng)所使用的主要硬件設(shè)備如下:脈沖信號(hào)發(fā)生器、保護(hù)電路、電容分壓器、電流傳感器、高速數(shù)據(jù)采集卡、工控機(jī)。

圖1 總體硬件結(jié)構(gòu)示意圖

利用LabVIEW 軟件對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，得到變壓器繞組的頻響曲線，從而判斷變壓器的繞組變形。

2 軟件介紹

文中測(cè)試系統(tǒng)的軟件部分主要包括以下內(nèi)容:用戶登錄、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析及處理、歷史數(shù)據(jù)查詢。

2.1 用戶登錄

用戶登錄模塊主要是防止非授權(quán)用戶的非法進(jìn)入，只有合法的用戶方可進(jìn)入測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行操作。這增加了系統(tǒng)和測(cè)試數(shù)據(jù)的安全性。該模塊提供了一個(gè)良好的人機(jī)交互界面，用戶需要輸入指定的用戶名及密碼方可使用該系統(tǒng)。后臺(tái)程序提供了增加登錄用戶、密碼修改等功能。

2.2 數(shù)據(jù)采集

本文的數(shù)據(jù)采集模塊的編程原則是采用生產(chǎn)者－消費(fèi)者模型編寫［9］。它將多個(gè)并行循環(huán)分為生產(chǎn)數(shù)據(jù)和消費(fèi)數(shù)據(jù)的兩類循環(huán)，循環(huán)間采用隊(duì)列的方式進(jìn)行通訊。這樣當(dāng)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的速度比處理數(shù)據(jù)的速度快時(shí)，隊(duì)列的緩沖作用保證數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。新采集到的數(shù)據(jù)直接放入隊(duì)列中，這一簡(jiǎn)單過(guò)程耗時(shí)很少。程序的另一部分則不停地從隊(duì)列中取出數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行處理［10］。如果需要，還可以把這個(gè)模型中的數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)保存部分也放到另一單獨(dú)的循環(huán)中去運(yùn)行。模型中，上半部分的循環(huán)是產(chǎn)生(采集)數(shù)據(jù)的，而下半部分的循環(huán)是消費(fèi)(處理)數(shù)據(jù)的。

采集程序是采用差分方式下的連續(xù)的數(shù)據(jù)采集方式。利用兩個(gè)通道，分別采集了電壓信號(hào)和電流信號(hào)，前面板中所顯示的是一個(gè)全頻域的脈沖波形。系統(tǒng)采用將采集到的脈沖信號(hào)以波形數(shù)據(jù)的方式保存在磁盤中，之后通過(guò)數(shù)據(jù)處理單元對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。歷史數(shù)據(jù)查詢模塊也可以對(duì)這一數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。

2.3 數(shù)據(jù)分析

本模塊是對(duì)數(shù)據(jù)采集部分的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分，單獨(dú)對(duì)數(shù)組進(jìn)行操作，這包括數(shù)據(jù)截?cái)唷V波以及曲線的擬合。其中濾波是采用LabVIEW 自帶的快速虛擬儀器程序，利用的是3 階巴特沃茲濾波器。而曲線擬合經(jīng)多次試驗(yàn)后選擇0.7 是比較合適的。所采集到的波形數(shù)據(jù)經(jīng)這一程序運(yùn)行后就會(huì)得到變壓器的頻響曲線。圖2 是數(shù)據(jù)分析模塊的前面板。

圖2 數(shù)據(jù)分析模塊前面板

2.4 歷史數(shù)據(jù)查詢

該模塊是方便用戶對(duì)變壓器歷史數(shù)據(jù)的查詢。用戶只需輸入要查詢的時(shí)間段，點(diǎn)擊查詢按鈕后，數(shù)據(jù)將以波形圖的形式顯示在屏幕上，用戶也可以單獨(dú)對(duì)查詢到的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以下是對(duì)兩臺(tái)10 kV 變壓器進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果。分析方法是采用縱向及橫向比較兩種方式來(lái)判斷變壓器繞組變形的情況。

圖3 所示是實(shí)驗(yàn)室某10 kV 變壓器A 相繞組縱向比較后的結(jié)果。我國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《電力變壓器繞組變形頻率響應(yīng)分析法》采用求取相關(guān)系數(shù)的方法量化分析頻響曲線的變形程度。設(shè)有兩個(gè)長(zhǎng)度為N的傳遞函數(shù)幅度序列X(k)，Y(k)，k=0，1，…，N－ 1。采用以下公式計(jì)算相關(guān)系數(shù)。

式中:Cxy是序列X與Y的協(xié)方差;Dx，Dy是標(biāo)準(zhǔn)方差。若(1 －Cxy/) ＜10－10，Rxy則取10。軟件程序通過(guò)計(jì)算兩條頻響曲線的相關(guān)系數(shù)給出了繞組變形程度—輕微變形。

圖3 試驗(yàn)變壓器低壓繞組幅頻響應(yīng)曲線

圖3 中在350 ～800 kHz 的頻段內(nèi)出現(xiàn)了諧振頻率偏移，而在約750 kHz 處最為明顯，說(shuō)明變壓器繞組發(fā)生了變形。經(jīng)過(guò)在實(shí)驗(yàn)室打開(kāi)后發(fā)現(xiàn)，繞組有鼓包、斷股等局部輕微變形。

圖4 試驗(yàn)變壓器低壓繞組幅頻響應(yīng)曲線

圖4 所示是實(shí)驗(yàn)室另一臺(tái)10 kV 變壓器通過(guò)橫向比較后的結(jié)果。從圖中可見(jiàn)，在整個(gè)頻段內(nèi)A，B 相曲線相關(guān)性很好，而在440 kHz 以后，C相曲線與A，B 相曲線明顯不同。說(shuō)明C 相繞組發(fā)生了變形。軟件程序同樣根據(jù)公式(1)給出了C 相繞組發(fā)生了明顯變形。后經(jīng)打開(kāi)后發(fā)現(xiàn)C相繞組有不同程度的扭曲及鼓包現(xiàn)象發(fā)生。

4 結(jié)論

本文論述了基于LabVIEW 的10 kV 變壓器繞組變形測(cè)試系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)。重點(diǎn)闡述了軟件系統(tǒng)的組成、各個(gè)模塊的功能、運(yùn)行機(jī)制及開(kāi)發(fā)原理。利用該系統(tǒng)對(duì)多臺(tái)10 kV 變壓器進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確、有效地檢測(cè)出變壓器繞組變形情況。進(jìn)一步的工作是加強(qiáng)軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理部分的靈活性。

［1］朱光偉．基于LabVIEW 的電力變壓器在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及研究［D］．成都:西華大學(xué)，2009．

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