（遼寧工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，其對配電網(wǎng)的可靠性和供電質(zhì)量提出了更高的要求。配電變壓器作為配電網(wǎng)的重要組成設(shè)備，擔(dān)負(fù)著電能變換和傳輸?shù)闹匾饔?，因此，配電變壓器安全可靠運(yùn)行對于配電網(wǎng)而言意義重大。傳統(tǒng)的人員定期巡檢策略已經(jīng)不能適應(yīng)智能電網(wǎng)的需求。據(jù)相關(guān)資料表明，隨著電網(wǎng)規(guī)模的日益龐大以及配電變壓器數(shù)量的日益增多，配電變壓器造成的停電事故呈現(xiàn)顯著的上升趨勢[1]。在眾多故障中，變壓器繞組變形故障占比較大，是導(dǎo)致配電變壓器事故的主要原因之一[2]，此外變壓器繞組變形故障在前期屬于潛行故障不易察覺。因此對配電變壓器開展運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測工作，及時、全面地了解配電變壓器繞組變形情況，對于制定配電變壓器檢修策略和保障供電可靠性而言十分必要。

本文利用數(shù)據(jù)采集技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)設(shè)計了配電變壓器運(yùn)行狀態(tài)評估系統(tǒng)。本系統(tǒng)應(yīng)用于具有配電數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（supervisory control and data acquisition，SCADA）系統(tǒng)的配電變壓器時，PC監(jiān)測平臺可直接通過配電SCADA系統(tǒng)獲取配電變壓器一次側(cè)電壓、電流和二次側(cè)電壓、電流等運(yùn)行參數(shù)，然后通過短路電抗在線檢測算法計算出短路電抗值，并以國標(biāo)《DL/T 1093—2018》中短路電抗注意值為依據(jù)，對變壓器繞組變形程度做出評估。當(dāng)本系統(tǒng)應(yīng)用于未安裝配電SCADA系統(tǒng)的配電變壓器時，可通過模擬量采集單元采集上述運(yùn)行參數(shù)，然后控制單元執(zhí)行短路電抗在線檢測算法并對變壓器繞組狀態(tài)做出評估，最后將變壓器運(yùn)行參數(shù)及狀態(tài)通過無線網(wǎng)絡(luò)（GPRS網(wǎng)絡(luò)或北斗短報文通訊網(wǎng)絡(luò)）上傳至PC監(jiān)測平臺，以便管理人員及時發(fā)現(xiàn)配電變壓器潛在的繞組故障。PC監(jiān)測平臺不但可以查看被監(jiān)測變壓器的實時運(yùn)行參數(shù)及評估狀態(tài)，而且還可以建立變壓器運(yùn)行檔案，記錄配電變壓器的運(yùn)行參數(shù)及發(fā)生短路等故障的次數(shù)，可結(jié)合日后的專家系統(tǒng)為管理部門提供更為詳盡的故障分析及維修策略。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本系統(tǒng)主要由運(yùn)行參數(shù)實時采集裝置和PC監(jiān)測平臺兩部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。運(yùn)行參數(shù)實時采集裝置包括模擬量采集單元、控制單元和電源單元，PC監(jiān)測平臺包括PC機(jī)和配電SCADA系統(tǒng)通訊接口[3]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of system structure

模擬量采集單元由電壓采集模塊、電流采集模塊和信號調(diào)理模塊組成，用于采集未安裝配電SCADA系統(tǒng)配電變壓器的一、二次側(cè)電壓、電流等運(yùn)行參數(shù)；控制單元由TMS320F28335、擴(kuò)展接口模塊、人機(jī)交互模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和通訊模塊組成，用于控制運(yùn)行參數(shù)實時采集裝置將參數(shù)信息通過無線方式發(fā)送至PC監(jiān)測平臺；電源單元用于為運(yùn)行參數(shù)實時采集裝置各單元提供穩(wěn)定、可靠的電源。

PC監(jiān)測平臺采用C#語言編寫，顯示變壓器的運(yùn)行參數(shù)及繞組狀態(tài)，并根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)出正常、警戒、嚴(yán)重等不同等級提示和報警，此外PC監(jiān)測平臺能夠建立各配電變壓器運(yùn)行檔案。

2 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計

2.1 模擬信號采集單元設(shè)計

模擬量采集單元用于實現(xiàn)配電變壓器一、二次側(cè)電壓、電流參數(shù)采集及信號調(diào)理功能。

2.1.1 電壓互感器與電壓變換器選型

為適應(yīng)不同電壓等級的配電變壓器，本系統(tǒng)選用不同變比的電壓互感器（X/100，X為待測電壓等級）和變比為100/5 V的電壓變換器將待測電壓轉(zhuǎn)換為0～5 V的標(biāo)準(zhǔn)交流電壓信號。因本系統(tǒng)測試中所用的三相配電變壓器變比為10/0.4 kV，故本文一次側(cè)選擇變比為10 000/100的電壓互感器，二次側(cè)選擇變比為400/100的電壓互感器。電壓信號轉(zhuǎn)換過程如圖2所示。

圖2 電壓信號轉(zhuǎn)換過程圖Fig.2 Process diagram of voltage signal conversion

2.1.2 電流互感器與電流變換器選型

為適應(yīng)不同容量的配電變壓器，本系統(tǒng)通過選用不同變比的電流互感器（Y/5或Y/1，Y為待測電流等級）將待測電流統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為交流0～1 A或交流0～5 A。同時，為了適應(yīng)調(diào)理電路0～5 V的交流輸入電壓，本系統(tǒng)選用了變比為5 A/5 V或1 A/5 V的電流變換器。因本系統(tǒng)測試中所用的三相配電變壓器容量為30 kV·A，一次側(cè)電流不到2 A，故本文一次側(cè)不選用電流互感器直接選用變比為5 A/5 V的電流變換器，二次側(cè)選擇變比為50/5的電流互感器和變比為5 A/5 V的電流變換器。電流信號轉(zhuǎn)化過程如圖3所示。

圖3 電流信號轉(zhuǎn)換過程圖Fig.3 Process diagram of current signal conversion

2.1.3 調(diào)理電路設(shè)計

調(diào)理電路主要由阻抗變換、電源芯片、光耦芯片、模擬選擇開關(guān)和AD轉(zhuǎn)換器等組成。部分調(diào)理電路原理圖如圖4所示。

圖4 部分調(diào)理電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of partial conditioning circuit

因為在配電網(wǎng)中，電壓和電流信號中含有高頻分量，所以本系統(tǒng)在前置模擬通道加入了低通濾波器以避免信號混疊[4-6]。為避免信號疊加產(chǎn)生的精度誤差，本系統(tǒng)選擇能處理雙極性信號的AD轉(zhuǎn)換芯片AD7876，其不但能處理雙極性信號，還具有采樣保持器，可以進(jìn)一步減少電路復(fù)雜程度，提高系統(tǒng)的可靠性和采集精度。因AD7876為單路采集通道，所以必須配合模擬選擇開關(guān)才可實現(xiàn)多通道測量，對于三相變壓器而言，因為需要分別計算各相短路電抗，所以需要采集一、二次側(cè)各相電壓和電流共12路模擬量，此外為保證采樣速率，模擬選擇開關(guān)的開合時間必須要短，綜上，本系統(tǒng)選用型號為ADG5206的16通道高速模擬選擇開關(guān)。

由圖4可以看出，二極管D1，D2、運(yùn)放UX1A，UX1B和光耦U1，U2共同組成正負(fù)過零點檢測電路，為了減少遲滯，光耦芯片選用了高速型號6N137。圖4中其余部分為交流電壓信號采集電路，其中LM7805與LM7905是線性穩(wěn)壓芯片，可以減少DC-DC電源模塊直接供電造成的波紋影響，從而提高AD轉(zhuǎn)換精度，且其輸出電壓滿足AD7876所需的±5 V（±5%）的要求。電壓變換器和電流變換器輸出的交流5 V電壓信號首先通過電壓跟隨器（減少信號衰減）分為兩路，分別用于過零點檢測和AD采集。為提高采樣速率AD7876采用并行通訊方式與控制單元通訊，為了適配控制單元3.3 V的通訊電平，AD7876數(shù)字電源選用3.3 V，因為電壓變換器和電流變換器已具有隔離作用，所以模擬信號單元與控制單元之間的通訊不需再做隔離處理。

2.2 控制單元設(shè)計

控制單元主要功能如下：

1）控制模擬量采集單元采集各模擬量并將采集到離散量轉(zhuǎn)化成連續(xù)量，然后通過短路電抗在線檢測算法和相關(guān)的國標(biāo)對變壓器的繞組狀態(tài)做出評估；

2）監(jiān)控參數(shù)實時采集裝置運(yùn)行狀態(tài)；

3）通過無線通訊模塊將處理后的電參數(shù)數(shù)據(jù)及評估出的變壓器繞組狀態(tài)發(fā)送至PC監(jiān)測平臺。

2.2.1 控制器選型

因為本系統(tǒng)中短路電抗在線檢測算法對實時性要求高且浮點計算量較大，此外還要求控制器具有豐富的通訊接口及控制能力。通過對比，最終選用TI公司型號為TMS320F28335的DSP作為控制器[7]。

2.2.2 通訊模塊選型

本系統(tǒng)中通訊模塊功能是將處理后的電參數(shù)信息及變壓器繞組狀態(tài)發(fā)送至PC監(jiān)測平臺。考慮到配電變壓器分布廣泛，若采用有線傳輸方式，必然存在成本較高、布線復(fù)雜和維護(hù)難度大等問題，所以本系統(tǒng)選擇GPRS通訊方式，同時考慮到一些地區(qū)并未實現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋，本系統(tǒng)預(yù)留了北斗短報文模塊接口電路，在GPRS網(wǎng)絡(luò)未覆蓋的區(qū)域，可選配北斗短報文模塊實現(xiàn)與PC監(jiān)測平臺的通訊。

根據(jù)設(shè)計需求，本系統(tǒng)最終選擇型號為GM3的GPRS模塊以及型號為C1的北斗短報文通信模塊，并分別設(shè)計了最小電路。

2.2.3 輔助電路設(shè)計

除以上模塊外，控制單元還包括數(shù)據(jù)存儲模塊、人機(jī)交互模塊（液晶觸摸屏）和報警模塊。其中，數(shù)據(jù)存儲模塊用于通訊故障時存儲變壓器實時運(yùn)行參數(shù)，確保運(yùn)行數(shù)據(jù)不會丟失，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后立即上傳至PC監(jiān)測平臺。人機(jī)交互模塊用于操作人員查看數(shù)據(jù)及發(fā)送指令。報警模塊用于向PC監(jiān)測平臺發(fā)出報警信息并發(fā)出聲光報警，便于維護(hù)人員及時發(fā)現(xiàn)運(yùn)行參數(shù)實時采集裝置和被監(jiān)測變壓器的異常情況。

2.3 電源單元設(shè)計

本系統(tǒng)中控制單元所需電源為3.3 V和5 V，模擬量采集單元因為通過LM7805和LM7905為AD芯片供電，所以需要不低于±7 V的電源（電壓不能過高，否則LM7805與LM7905會有嚴(yán)重的發(fā)熱現(xiàn)象），為保證采樣精度該電源需為隔離電源，綜上模擬量采集單元所需電源為隔離±9 V。

根據(jù)系統(tǒng)所需電壓，電源單元采用寬輸入電壓（100～420 V AC）AC-DC模塊、DC-DC模塊和LM2596S穩(wěn)壓芯片實現(xiàn)電壓變換。AC-DC模塊將交流電轉(zhuǎn)為直流9 V為LM2596S和DC-DC模塊供電，然后由兩片LM2596S芯片分別提供3.3 V和5 V電源，DC-DC模塊提供隔離的±9 V電壓。為了獲得較好的電源質(zhì)量，電源單元還設(shè)計有電磁兼容電路、保護(hù)電路和UPS電源電路。

3 短路電抗在線檢測算法

本文依據(jù)變壓器運(yùn)行原理及繞組等值電路方程建立了變壓器繞組參數(shù)模型[8]。研究了短路電抗在線檢測算法[9-10]，該算法僅需測量配電變壓器兩種不同負(fù)荷（實際應(yīng)用中可利用波峰和波谷現(xiàn)象）下的一、二次側(cè)電壓和電流，即可推算出短路電抗，進(jìn)一步推算可得出鐵損和銅損。因短路電抗可以反映出變壓器的繞組狀態(tài)，所以通過在線檢測短路電抗值，即可對配電變壓器繞組狀況做出評估，即一定程度上對配電變壓器狀態(tài)做出評估，為配電變壓器運(yùn)維提供有效的依據(jù)。

在本系統(tǒng)算法部分中，首先對采集到的各交流量瞬時值進(jìn)行數(shù)字濾波處理，然后根據(jù)變壓器連接組別Yyn0或Dyn11，選擇不同的短路阻抗計算方式，兩種計算方式基本一致，只是Dyn11連接組別需要將三角形側(cè)的線電流轉(zhuǎn)化為相電流，然后才可進(jìn)行計算。

以單相雙繞組變壓器為例，其等效電路如圖5所示。圖5中，Z1和Z12分別為一次側(cè)繞組阻抗和二次側(cè)阻抗在一次側(cè)的等效阻抗；Zm為勵磁繞組阻抗；U1和I1分別為一次側(cè)電壓和電流向量值；U2和I2分別為二次側(cè)電壓和電流向量值；U12和I12分別為二次側(cè)電壓和電流在一次側(cè)的等效值；Im為勵磁電流；k為變比。

圖5 變壓器等效電路圖Fig.5 Equivalent circuit diagram of transformer

由圖5可得：

因為變壓器一次側(cè)阻抗Z1和二次側(cè)阻抗Z2是一個常量，所以二次側(cè)繞組阻抗在一次側(cè)的歸算值Z12也是一個常量。

假設(shè)：

可將式（3）寫為以下形式：

式中：p，q，m，n為待定參數(shù)；R1+jX1為一次側(cè)繞組阻抗Z1；R12+jX12為二次側(cè)繞組阻抗在一次側(cè)的歸算值I12。

變換式（5）右端表達(dá)式，可得：

通過采集變壓器一、二次側(cè)電壓和電流向量值即可求得p，q，m，n的值。將p，q，m，n代入式（6）可得：

分別在兩種不同負(fù)載容量下測量配電變壓器的一次側(cè)電壓U1i、一次側(cè)電流I1i、二次側(cè)電壓U2i及二次側(cè)電流I2i，其中i=1，2。則

由式（8）解出p1，q1，m1，n1和p2，q2，m2，n2。

由于變壓器繞組阻抗為常量，可列寫矩陣方程求解：

由式（9）可解出X1，X12，即可算出短路電抗XR=X1+X12。如應(yīng)用于三相配電變壓器，其繞組等效圖如圖6所示（以Yyn0連接組別為例）。

圖6 Yyn0連接組別等效圖Fig.6 Equivalence diagram of connection group in Yyn0

設(shè)置變壓器的一次側(cè)、二次側(cè)三相電壓、電流分別為Uxi，Ixi，Uyi，Iyi，其中x=A，B，C；y=a，b，c；i=1，2。則有下式：

由式（10）可解出pxi，qxi，mxi，nxi。由式（9）可得：

其中：Rx+jXx=Zx為x相一次側(cè)阻抗，Ry′+jXy′=Zy′為x相二次阻抗在一次側(cè)的歸算值。

由式（11）可求出唯一解：RA，XA，Ra′，Xa′，RB，XB，Rb′，Xb′及RC，XC，Rc′，Xc′。進(jìn)而可以計算出各相短路電抗值為

計算各相短路電抗的平均值，該平均值即為此三相配電變壓器的短路電抗值，即

若配電變壓器的連接組別為Yyn0則可直接通過上述方法計算出短路電抗，若為Dyn11則不能直接采用上述方法計算短路電抗，需要將三角形側(cè)的線電流轉(zhuǎn)化為相電流，然后才可計算短路電抗值。

Dyn11連接組別繞組等效圖如圖7所示。

圖7 Dyn11連接組別等效圖Fig.7 Equivalence diagram of connection group in Dyn11

圖7中，ILA，ILB和ILC分別為A相、B相和C相線電流，其與相電流的關(guān)系如下：

由式（14）和IA+IB+IC=0可得：

由式（15）計算出A相、B相和C相的相電流后再根據(jù)上述方法可以求解配電變壓器的短路電抗。

此外在測量短路電抗的同時，可以通過運(yùn)算計算出銅損值，即負(fù)載損耗，忽略附加損耗，則變壓器一次側(cè)輸入功率減去二次側(cè)輸出功率，再減去負(fù)載損耗，即可得出鐵損值即空載損耗。

4 軟件部分設(shè)計

4.1 TMS320F28335主程序設(shè)計

TMS320F28335主程序的主要作用是控制模擬量采集板采集各電氣參量以及執(zhí)行短路電抗在線檢測算法。

主程序運(yùn)行過程如下：首先對系統(tǒng)時鐘、中斷、定時器、串口、FPU和XINTF進(jìn)行初始化設(shè)置，然后進(jìn)入采集電參數(shù)狀態(tài)，首先計算交流信號頻率，然后調(diào)整定時器時間，即調(diào)整采樣間隔，當(dāng)?shù)竭_(dá)定時時間時，TMS320F28335控制高速模擬開關(guān)ADG5206和AD芯片AD7876依次采集各通道模擬量，然后判斷是否采集48次（本系統(tǒng)為48點采樣），如已采樣48次，則將各電氣參量還原為連續(xù)變量并計算出功率，隨后調(diào)用變壓器評估子程序計算短路電抗值并對變壓器繞組狀態(tài)做出評估（如負(fù)載未發(fā)生變換，則不計算電抗值，此時電抗值仍為上次有效計算值），最后調(diào)用通訊子程序?qū)⒏麟姎鈪⒘亢妥儔浩骼@組狀態(tài)發(fā)送至PC監(jiān)測平臺。TMS320F28335主程序流程圖如圖8所示。

圖8 TMS320F28335主程序流程圖Fig.8 Flow chart of TMS320F28335′s main program

4.2 PC監(jiān)測平臺設(shè)計

本系統(tǒng)中PC監(jiān)測平臺作用是顯示被監(jiān)測配電變壓器的實際運(yùn)行參數(shù)及狀態(tài)，并為各配電變壓器或配電變壓器組建立運(yùn)行檔案，為后續(xù)的專家評估系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)來源。當(dāng)數(shù)據(jù)來源為SCADA系統(tǒng)時，PC監(jiān)測平臺需運(yùn)行短路電抗在線檢測算法，當(dāng)數(shù)據(jù)來源為運(yùn)行參數(shù)實時采集裝置時，為避免網(wǎng)絡(luò)或PC監(jiān)測平臺故障導(dǎo)致無法對變壓器繞組狀態(tài)做出評估，短路電抗在線檢測算法在DSP中執(zhí)行，PC監(jiān)測平臺接收返回結(jié)果即可，用戶也可選擇運(yùn)行參數(shù)實時上傳。

PC參數(shù)監(jiān)測界面如圖9所示。

圖9 參數(shù)監(jiān)測界面Fig.9 Interface of parameters monitoring

由圖9可以看出，PC監(jiān)測平臺共有6個選項卡：“用戶管理”選項卡功能為登錄賬號管理；“通訊自檢”選項卡功能為檢測PC監(jiān)測平臺與運(yùn)行參數(shù)實時采集裝置或配電SCADA系統(tǒng)通訊是否正常；“參數(shù)監(jiān)測”選項卡用于查看指定的被監(jiān)測配電變壓器的運(yùn)行參數(shù)及評估狀態(tài)；“歷史數(shù)據(jù)查詢”選項卡用于查詢歷史運(yùn)行參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)；“變壓器參數(shù)設(shè)置”選項卡用于設(shè)置被監(jiān)測配電變壓器名稱、型號、額定容量、額定變比、連接組別和投入時間等參數(shù)；實時“采集裝置參數(shù)設(shè)置”選項卡用于設(shè)置各級電壓互感器和電流互感器的變比、參數(shù)標(biāo)定系數(shù)等。

5 實驗驗證

為了驗證本系統(tǒng)的可行性，在國家電網(wǎng)公司的支持和協(xié)助下，本系統(tǒng)進(jìn)行了實際驗證。驗證中所用變壓器為三相油浸式配電變壓器，容量30 kV·A，變比為10/0.4 kV，連接組別為Yyn0。本系統(tǒng)測量值與國家電網(wǎng)設(shè)備測量值對比表如表1所示。

表1 本系統(tǒng)測量值與國家電網(wǎng)設(shè)備測量值對比Tab.1 Com parison between the measured value of this systemand the measured value of state grid equipment

由表1可以看出本系統(tǒng)各項參數(shù)檢測值與國家電網(wǎng)公司0.5級檢測設(shè)備測得的數(shù)據(jù)基本一致，從而驗證了本系統(tǒng)參數(shù)采集的精度及算法的可行性。

因為配電變壓器繞組狀態(tài)評估實驗周期較長，且表1已經(jīng)驗證了本系統(tǒng)的采樣精度和算法可行性，所以本文編制配電變壓器繞組狀態(tài)評估模擬實驗界面。通過人為改變短路電抗值或銅損、鐵損值模擬變壓器故障。在圖9所示的參數(shù)監(jiān)測界面中點擊“模擬實驗”按鈕進(jìn)入模擬實驗界面，在模擬實驗中將A相短路電抗的模擬值設(shè)置為測量值的112%，鐵損值的模擬值設(shè)為測量值的102%，此時A相短路電抗的變化量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出和國標(biāo)《DL/T 1093—2018》中短路電抗注意值，判斷變壓器繞組應(yīng)已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重變形，單項狀態(tài)評估應(yīng)為“嚴(yán)重”而銅損的變化量稍微超過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的注意值，單項狀態(tài)評估應(yīng)為“警告”，根據(jù)最大隸屬原則，變壓器最終評估狀態(tài)應(yīng)為“嚴(yán)重”狀態(tài)。模擬實驗效果圖，如圖10所示。

圖10 模擬實驗效果圖Fig.10 Effect diagram of simulation experiment

由圖10可以看出本系統(tǒng)對配電變壓器的狀態(tài)評估為“嚴(yán)重”，驗證了本系統(tǒng)對變壓器繞組狀態(tài)評估的準(zhǔn)確性。

6 結(jié)論

本文針對目前配電變壓器日常巡檢工作存在的問題，研究并設(shè)計了配電變壓器繞組狀態(tài)在線評估系統(tǒng)，同時編制了PC監(jiān)測平臺，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)和北斗短報文通訊網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與PC監(jiān)測平臺的無線互聯(lián)，實現(xiàn)了配電變壓器運(yùn)行參數(shù)和評估狀態(tài)的上傳。通過實驗驗證，證明了本系統(tǒng)的可行性。

該配電變壓器繞組狀態(tài)在線評估系統(tǒng)不但可用于已安裝配電SCADA系統(tǒng)的配電變壓器（此時僅需要PC監(jiān)測平臺即可），還適用于未安裝配電SCADA系統(tǒng)的配電變壓器，且具有價格低廉、安裝維護(hù)性好以及易于升級和擴(kuò)展（專家系統(tǒng)和變壓器壽命評估系統(tǒng)）等諸多優(yōu)點，此外，用戶可根據(jù)需求在PC監(jiān)測平臺進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定等設(shè)置，以減少系統(tǒng)誤差，且PC監(jiān)測平臺可建立變壓器運(yùn)行檔案，為運(yùn)行管理人員制定檢修策略和分析故障提供參考。