摘要：高壓直流系統(tǒng)單極大地回線運(yùn)行時(shí)，對(duì)于同一地區(qū)的交流系統(tǒng)可能產(chǎn)生影響，兩個(gè)處于不同直流電位的變電站經(jīng)輸電線路構(gòu)成回路，將有直流電流流到變壓器中性點(diǎn)和變壓器繞組。變壓器會(huì)出現(xiàn)直流偏磁現(xiàn)象，造成變壓器噪聲增大，振動(dòng)加劇等。上海電網(wǎng)是典型的多端直流和多饋入直流系統(tǒng)，已有多個(gè)直流接地極投入運(yùn)行，變壓器的直流偏磁影響已經(jīng)顯現(xiàn)，對(duì)變壓器的危害是長(zhǎng)期的，而目前還沒(méi)有一套行之有效的質(zhì)量檢驗(yàn)方法。因此有必要建立一套有效的變壓器直流偏磁的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本文提出了一整套基于NI公司CompactRIO的全自動(dòng)、高精度、實(shí)時(shí)變壓器直流偏磁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：變壓器；中性點(diǎn)；直流偏磁；電流檢測(cè)；振動(dòng)檢測(cè)；加速度

作者簡(jiǎn)介：劉 闖(1987-)，男，碩士，工程師，主要研究電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)。

中圖分類號(hào)：TM721.1                 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DC Bias Monitoring System of Power Transformer Based on CompactRIO

LIU Chuang

(Institute of Electric Power Science Research, Shanghai Municipal Electric Power Company, Shanghai 200437, China)

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.

Key words: power transformer; neutral point; DC bias; current detection; vibration detection; acceleration

題記：項(xiàng)目開(kāi)發(fā)不能只憑借著一時(shí)的頭腦發(fā)熱，而是正確的方法和大量時(shí)間的投入，最為重要的是設(shè)計(jì)一個(gè)易于開(kāi)發(fā)、實(shí)現(xiàn)的方案。做實(shí)際的裝置與科研不同之處就在于必須要考慮很多實(shí)際的問(wèn)題，不僅要考慮性能，還要考慮到所選擇的材料是否易于購(gòu)買，及配貨周期，大量地與多個(gè)廠家溝通、協(xié)調(diào)。另外，還是要根據(jù)公司的特點(diǎn)設(shè)計(jì)方案，不同于外企研究院，專門有工程部門配合研究人員推進(jìn)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，作為以科技報(bào)告為主要產(chǎn)出的電科院，并不開(kāi)發(fā)相關(guān)的裝置和產(chǎn)品，這就缺少相應(yīng)的支撐部門和人員，所需要做的就是掌握核心技術(shù)，具有復(fù)制、修改的能力，完全擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，具體的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)并不是重點(diǎn)。根據(jù)上述的分析，NI公司的產(chǎn)品最適合本文監(jiān)測(cè)設(shè)備的開(kāi)發(fā)，NI公司的硬件產(chǎn)品性能優(yōu)良、完善，而且與開(kāi)發(fā)軟件LabVIEW集成度高，這就將工作量集中到LabVIEW程序開(kāi)發(fā)中，極大地簡(jiǎn)化了工作量，也讓本次項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的最終完成有了可能。確定了NI產(chǎn)品組成的方案后，很方便在NI的官方網(wǎng)站上下載一個(gè)有相關(guān)性的例程，在NI產(chǎn)品的采購(gòu)過(guò)程中，NI公司熱情地提供了產(chǎn)品試用的機(jī)會(huì)，很方便就可以進(jìn)行驗(yàn)證方案的試驗(yàn)，證明了方案的可行性，下面的過(guò)程就是不斷地優(yōu)化、完善，工作方向和思路明確，可保證不會(huì)白白浪費(fèi)時(shí)間。

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

挑戰(zhàn)：本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目標(biāo)是：變壓器中性點(diǎn)電流和變壓器箱體的振動(dòng)，振動(dòng)通過(guò)檢測(cè)加速度來(lái)反應(yīng)。電流檢測(cè)的難點(diǎn)：測(cè)量的電流范圍大，而且要保證整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)的相對(duì)精度，需要多個(gè)量程霍爾電流傳感器配合檢測(cè)。加速度檢測(cè)的難點(diǎn)：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(lì)；要求可擴(kuò)展到多個(gè)加速度傳感器測(cè)量點(diǎn)，采樣端口多，最高達(dá)到24個(gè)；采樣速率要求高，需達(dá)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(chǔ)也較為困難，為了方便查詢，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的格式需要特別設(shè)計(jì)。

應(yīng)用方案：本方案在吸取當(dāng)下的直流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，還考慮直流偏磁對(duì)變壓器影響即增加了振動(dòng)的監(jiān)測(cè)，通過(guò)同時(shí)監(jiān)測(cè)主變中性點(diǎn)直流電流和變壓器的振動(dòng)，實(shí)時(shí)掌握變壓器發(fā)生直流偏磁的情況。本方案提出的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一整套全自動(dòng)、高精度、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)顯示主變中性點(diǎn)直流電流流幅值和極性，及振動(dòng)的幅值變化，能清晰地顯示各變電站主變中性點(diǎn)直流電流的分布規(guī)律及與振動(dòng)大小的關(guān)系，為判斷變壓器直流偏磁的程度提供依據(jù)。直流電流的監(jiān)測(cè)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(cè)方案，考慮到還需要開(kāi)發(fā)監(jiān)測(cè)臺(tái)PC的界面，選擇基于Labview的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可直接使用該軟件開(kāi)發(fā)PC界面，將數(shù)據(jù)通過(guò)光纖以太網(wǎng)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)臺(tái)PC。本項(xiàng)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(gè)平臺(tái)，對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行分析和處理，IEPE采集卡端口可根據(jù)測(cè)試點(diǎn)的數(shù)量選擇。

使用的產(chǎn)品：

LabVIEW 8.6.1軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)

LabVIEW RT 8.6.1實(shí)時(shí)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(jī)箱

Compact-9239高速電壓信號(hào)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(zhǎng)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(yùn)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(gè)直流接地極投入運(yùn)行。高壓直流系統(tǒng)單極大地回線運(yùn)行時(shí)，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(duì)于同一地區(qū)的交流系統(tǒng)可能產(chǎn)生影響。兩個(gè)處于不同直流電位的變電站經(jīng)輸電線路構(gòu)成回路，會(huì)產(chǎn)生直流電流通過(guò)變壓器中性點(diǎn)和變壓器繞組。使得變壓器出現(xiàn)直流偏磁現(xiàn)象，造成變壓器噪聲增大，振動(dòng)加劇等^[1][2][3]。

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(diǎn)電流超過(guò)44.5A，并產(chǎn)生達(dá)94dB以上的噪聲；葛南線直流單極運(yùn)行時(shí)造成附近220kV銀河、目華站主變?cè)肼暶黠@增大等。直流偏磁對(duì)變壓器的危害是長(zhǎng)期的，目前變壓器生產(chǎn)廠家對(duì)承受直流偏磁的變壓器長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性不做保證，并且沒(méi)有一套行之有效的質(zhì)量檢驗(yàn)方法。因此非常有必要建立一套有效的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)^[4][5]。

二、        變壓器直流偏磁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

變壓器對(duì)于一個(gè)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(gè)變電站中變壓器的正常運(yùn)行就顯得至關(guān)重要。

變壓器直流監(jiān)測(cè)組成框圖如圖1所示，它主要由五部分組成：(1)變壓器中性點(diǎn)霍爾電流傳感器(CT)和振動(dòng)傳感器；(2)實(shí)時(shí)采集設(shè)備，實(shí)時(shí)采集CT和振動(dòng)傳感器監(jiān)測(cè)到的信號(hào)，并進(jìn)行相應(yīng)的算法；(3)無(wú)線通訊設(shè)備，將實(shí)時(shí)采集設(shè)備與控制器的監(jiān)測(cè)PC相連；(4)控制室的監(jiān)測(cè)PC可以通過(guò)無(wú)線通訊接收實(shí)時(shí)采集設(shè)備監(jiān)測(cè)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(cè)PC通過(guò)市公司在變電站中鋪設(shè)的光纖網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和匯總，在遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)中心（如電科院）可以查看監(jiān)測(cè)的各個(gè)變電站直流偏磁情況，并可對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行控制。

三、        變壓器直流偏磁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

直流電流的監(jiān)測(cè)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(cè)方案，考慮到還需要開(kāi)發(fā)監(jiān)測(cè)臺(tái)PC的界面，選擇基于Labview的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可直接使用該軟件開(kāi)發(fā)PC界面，將數(shù)據(jù)通過(guò)光纖以太網(wǎng)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)臺(tái)PC。本項(xiàng)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(gè)平臺(tái)，對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行分析和處理，IEPE采集卡端口可根據(jù)測(cè)試點(diǎn)的數(shù)量選擇。

基于Labview開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采集卡和控制器全部采用高性能工業(yè)級(jí)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(shí)時(shí)控制器采用cRIO-9014；可配置機(jī)箱采用cRIO-9114，可擴(kuò)展8塊采集卡。

NI-9014為嵌入式實(shí)時(shí)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(chǔ)介質(zhì)。CompactRIO嵌入式控制器的設(shè)計(jì)極為堅(jiān)固、可靠且電源能耗低，其9VDC和35VDC兩種電源輸入可用于CompactRIO機(jī)箱/模塊的隔離供電。

?  NI-9114為8槽嵌入式機(jī)箱，具有-40 ~ 70°C的操作溫度范圍，3百萬(wàn)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(dòng)生成自定義控制和信號(hào)處理電路。

? NI-9234為4通道C系列動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集卡，自帶2mA IEPE恒流源激勵(lì)，可進(jìn)行高精度的加速度測(cè)量，4條輸入通道借助自動(dòng)調(diào)節(jié)采樣率的內(nèi)置抗混疊濾波器(Delta-Sigma)，可同時(shí)以每通道高達(dá)51.2 kS/s采樣信號(hào)。

? 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(jìn)行配置，可用LabVIEW對(duì)NI-9401編程，進(jìn)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(zhǔn)確的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，分辨率、掃描率和輸入范圍方面同樣具有優(yōu)勢(shì)。4條通道之間彼此隔離，借助通道間的隔離，包括待測(cè)設(shè)備在內(nèi)的整套系統(tǒng)可以免受隔離等級(jí)內(nèi)的電壓尖脈的損害。4條輸入通道借助自動(dòng)調(diào)節(jié)采樣率的內(nèi)置抗混疊濾波器(Delta-Sigma)，可同時(shí)以每通道高達(dá)50 kS/s采樣信號(hào)

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是安裝在變電站中監(jiān)測(cè)主變壓器，變電站中規(guī)定不能隨意施工、布線，因此現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備與控制樓中的上位機(jī)服務(wù)器之間的通信方式采用無(wú)線Mesh方式，Mesh網(wǎng)絡(luò)可自動(dòng)連接組成子網(wǎng)，且傳輸速度快，在變電站中多個(gè)變壓器進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，互相之間可自動(dòng)形成網(wǎng)絡(luò)，不需要額外的中繼點(diǎn)，安裝方便、節(jié)約成本。

根據(jù)監(jiān)測(cè)的要求及相關(guān)技術(shù)難點(diǎn)的分析，經(jīng)過(guò)大量的調(diào)研工作，確定了電流的監(jiān)測(cè)方法和霍爾電流傳感器的參數(shù)，尋找具有相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)的廠商訂做；對(duì)于振動(dòng)的監(jiān)測(cè)，采用加速度來(lái)反應(yīng)振動(dòng)的情況，根據(jù)上述分析，選擇了合適的加速度傳感器，并進(jìn)行了相應(yīng)的計(jì)算，確定方案的可行性。

對(duì)于整體方案的選擇，理論上分析通過(guò)后，進(jìn)行了驗(yàn)證性的測(cè)試，如圖3所示，為整體測(cè)試結(jié)構(gòu)圖，測(cè)試對(duì)象選擇調(diào)壓器，三維加速度傳感器通過(guò)磁鐵底座吸附在調(diào)壓器的側(cè)壁，傳感器信號(hào)線連接到采集卡，采集卡通過(guò)FPGA對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存后傳輸?shù)娇刂破髦刑幚?，通過(guò)FFT、功率譜等算法后將結(jié)果通過(guò)以太網(wǎng)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，在用戶界面中顯示出來(lái)。

接下來(lái)將重點(diǎn)介紹變壓器直流偏磁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電流和加速度的信號(hào)采集、處理算法的研究、無(wú)線通信方式、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)設(shè)計(jì)。

1、電流和加速度的信號(hào)采集

1.1 電流信號(hào)采集

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

如圖4所示， 電流監(jiān)測(cè)模塊包括：3個(gè)霍爾電流傳感器、2個(gè)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的量程最大，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(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入到控制器。通過(guò)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(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)選擇電流傳感器通道進(jìn)行采樣，接著通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后輸入到控制器，以及控制器發(fā)送觸發(fā)信號(hào)對(duì)電流傳感器進(jìn)行斷電處理，提出一種變壓器中性點(diǎn)的、大范圍的、可保證大范圍內(nèi)精度的電流檢測(cè)方法。

電流檢測(cè)方法，包括：

步驟一、通過(guò)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(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)選擇電流傳感器通道進(jìn)行采樣；

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

步驟五、控制器發(fā)送觸發(fā)信號(hào)對(duì)電流傳感器進(jìn)行斷電處理。

       為了配合此種電流監(jiān)測(cè)的方法，專門設(shè)計(jì)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(gè)霍爾電流傳感器的采樣隔離，彼此之間不影響，防止變壓器的地電位對(duì)電流采集的干擾，保證了采集的準(zhǔn)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(hào)是通過(guò)NI-9401發(fā)出的。cRIO控制器及機(jī)箱并沒(méi)有可用作控制的輸出端口，必須通過(guò)I/O類的模塊實(shí)現(xiàn)，通過(guò)NI-9239、NI-9401就可以實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)采集的閉環(huán)控制，克服上上述分析的電流檢測(cè)的難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了保證相對(duì)精度的滿量程電流測(cè)量。

1.2 加速度信號(hào)采集

加速度檢測(cè)的難點(diǎn)：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(lì)；要求可擴(kuò)展到多個(gè)加速度傳感器測(cè)量點(diǎn)，檢測(cè)端口多，最高達(dá)到24個(gè)；采集速率要求高，需達(dá)到50kHz及以上。

加速度信號(hào)的采集卡選擇NI-9234，每個(gè)采集卡可檢測(cè)4路信號(hào)，而且給加速度傳感器提供2 mA IEPE恒流源激勵(lì)，將加速度傳感器的電容量信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，采集卡NI-9239檢測(cè)到電壓信號(hào)后轉(zhuǎn)變?yōu)榧铀俣鹊牧砍讨?。檢測(cè)到的加速度信號(hào)數(shù)據(jù)量很大，數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)傳輸將在下文中介紹。

2、處理算法的研究

對(duì)于電流檢測(cè)，檢測(cè)到的結(jié)果是交流電流與直流電流，通過(guò)中性點(diǎn)的交流電流為50Hz整數(shù)倍的正弦波，需通過(guò)一定的算法將交、直流電流分離，對(duì)于此算法，經(jīng)過(guò)研究，已找到了較好的分離算法。

加速度檢測(cè)到的信號(hào)最終被頻域處理，以此觀察振動(dòng)的幅值，由于振動(dòng)的頻率較高，因此加速度檢測(cè)的采樣率也較高，采用傳統(tǒng)的FFT處理算法，要達(dá)到較好的頻率處理效果，并保證頻域的分辨率，所需要采樣的數(shù)據(jù)量與采樣率有關(guān)，數(shù)據(jù)量很大，會(huì)給無(wú)線通信和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)增加難度，例如，采樣率10kS/s，需要采樣10000個(gè)點(diǎn)，才能達(dá)到頻率分辨率為1。由于我們只關(guān)心50Hz整數(shù)倍處的頻率，因此，只要精確地得到該處的頻域幅值即可，如何在盡量少的數(shù)據(jù)量下，得到精確的局部頻域幅值，這就需要研究局部細(xì)化的FFT算法，使得采樣率較高，采樣的數(shù)據(jù)量較少時(shí)，仍然可以得到想要的結(jié)果。

       LabVIEW中涵蓋了大量的函數(shù)模塊，還集成了很多數(shù)據(jù)處理和分析的工具包以及功能強(qiáng)大的Express VI，這都使得在LabVIEW中實(shí)現(xiàn)算法變得很輕松。本文中的直流偏磁監(jiān)測(cè)設(shè)備所需要的主要算法有兩個(gè)：一是電流采集后需要分離出其中的交流、直流成分；二是加速度信號(hào)采集后需要進(jìn)行局部細(xì)化FFT變換。這兩種算法在LabVIEW中都有可用的VI模塊，還可以模擬分析實(shí)現(xiàn)最優(yōu)效果的算法階數(shù)。

3、無(wú)線通信方式

如圖1所示，在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)采集設(shè)備與控制室的監(jiān)測(cè)PC之間采用無(wú)線通訊方式，本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選擇使用新穎的Mesh無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊方式，并進(jìn)行了測(cè)試。如圖5所示，無(wú)線模塊之間可達(dá)到的通信量最高為25Mbps(3.125MB/s)。

NI 9234或NI 9239的采樣位數(shù)為24位，考慮到方向位等，因此每個(gè)采樣點(diǎn)由32位組成，即每個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)量為32bit(比特)，采樣率最高為51.2kS/s，即每秒采樣51.2k個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)由32bit組成，因此一個(gè)通道需要的實(shí)時(shí)通信速率為：1.6384Mbit/s，監(jiān)測(cè)6路振動(dòng)信號(hào)和1路電流信號(hào)，所需要的實(shí)時(shí)持續(xù)的通訊速率為：11.4688Mbit/s，即1.4336MB/s(B，字節(jié)，1B = 8bit)，Mesh無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可滿足需求。實(shí)際數(shù)據(jù)采集中會(huì)設(shè)置采集間隔，間隔在1分鐘以上，通信量會(huì)較小一些，因此，對(duì)于全部可擴(kuò)展的24路加速度檢測(cè)，該通訊方法仍能達(dá)到要求。

LabVIEW高度集成了各種通信方式，具有強(qiáng)大的通信功能，這種功能使得LabVIEW很容易編寫出具有強(qiáng)大通信能力的應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備與上位機(jī)服務(wù)器之間的通信。

4、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

變壓器直流偏磁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)對(duì)象是電流和加速度，電流通過(guò)算法分離出其中的直流分量，加速度信號(hào)需要頻域處理，因此監(jiān)測(cè)系統(tǒng)保存的數(shù)據(jù)有兩種，一種是時(shí)域數(shù)據(jù)，另一種是頻域數(shù)據(jù)。時(shí)域數(shù)據(jù)的橫坐標(biāo)是時(shí)間，縱坐標(biāo)是采集到的數(shù)據(jù)點(diǎn)；頻域數(shù)據(jù)的橫坐標(biāo)是頻率，縱坐標(biāo)是加速度采集數(shù)據(jù)頻域變換后的幅值。因此，存儲(chǔ)的時(shí)候，使用三種表格存儲(chǔ)相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

時(shí)域數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量最大，按照某個(gè)固定的時(shí)間間隔產(chǎn)生一張表格，表格只存儲(chǔ)采樣的數(shù)據(jù)點(diǎn)，即時(shí)域波形的縱坐標(biāo)。對(duì)于一個(gè)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)而言，行數(shù)和列數(shù)都在一定的限制范圍內(nèi)，處于限定的范圍內(nèi)的執(zhí)行效率才是最高的。針對(duì)于時(shí)域采樣數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，列數(shù)很少，而行數(shù)非常多，如果按照行數(shù)累加存儲(chǔ)，當(dāng)行數(shù)達(dá)到限定范圍，再轉(zhuǎn)移到后面的列從頭開(kāi)始存儲(chǔ)，那么將瞬間增加很大的存儲(chǔ)空間，對(duì)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)來(lái)說(shuō)是不好的，因此采用的存儲(chǔ)方法是按列逐次存儲(chǔ)，即存儲(chǔ)一次采集的數(shù)據(jù)，緊接著在后面的列中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，達(dá)到列限定的數(shù)量時(shí)，轉(zhuǎn)移到下一行存儲(chǔ)。這種存儲(chǔ)方法可以最大效率的利用數(shù)據(jù)庫(kù)中的表文件，但是讀取數(shù)據(jù)的時(shí)候，如果整個(gè)表格內(nèi)搜尋將非常麻煩，影響執(zhí)行的效率，因此，在將數(shù)據(jù)塊存儲(chǔ)的時(shí)候，需要將這個(gè)采樣時(shí)刻的對(duì)應(yīng)存入表的列記錄，讀取的時(shí)候，在相應(yīng)的幾列中搜尋即可。時(shí)域數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，并沒(méi)有存儲(chǔ)橫坐標(biāo)，其橫坐標(biāo)的信息將在主數(shù)據(jù)表中提取。

頻域數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，為了防止在傳遞過(guò)程中的畸變，頻域變換在現(xiàn)場(chǎng)控制器中實(shí)現(xiàn)，將頻域的結(jié)果傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中存儲(chǔ)，電力變壓器所監(jiān)測(cè)的加速度信號(hào)的頻域分析由于其自身運(yùn)行的特點(diǎn)，頻譜都在50Hz的整數(shù)倍，其他頻率的幅值基本為零，可忽略，可只將50Hz的整數(shù)倍頻率幅值存儲(chǔ)，通常只關(guān)心2k頻率內(nèi)的頻譜，只需存儲(chǔ)不超過(guò)40個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，非常節(jié)約存儲(chǔ)成本，而且讀取迅速。橫坐標(biāo)是固定的，讀取50Hz整數(shù)倍的幅值可直接查看頻域圖譜。

主數(shù)據(jù)表中存儲(chǔ)每個(gè)采樣時(shí)刻的時(shí)間，時(shí)域波形的采樣頻率，以及所需要的特征值。在每次采樣后，要對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行算法分離出其中的直流分量，對(duì)于加速度監(jiān)測(cè)，需要計(jì)算出這個(gè)時(shí)刻振動(dòng)量最大的值，或者其他的特征量，在查看歷史數(shù)據(jù)的時(shí)候，直接從主表中提取這些特征值信息繪制成圖表，對(duì)于某個(gè)異常的值可查看當(dāng)前的時(shí)域波形和對(duì)應(yīng)的頻率圖譜，時(shí)域波形的橫坐標(biāo)根據(jù)其采樣頻率即可推到出來(lái)，算法非常簡(jiǎn)單。并且還要存儲(chǔ)時(shí)域數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到的相應(yīng)列數(shù)。

       LabVIEW的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能極其強(qiáng)大，一方面對(duì)于測(cè)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，有多種存儲(chǔ)格式，非常便于存儲(chǔ)、顯示和訪問(wèn)，該部分的VI都集中在Measurement File/ Storage VIs；另一方面，LabVIEW還可以與其他數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交互存儲(chǔ)，開(kāi)發(fā)了專用的Database Conectivity工具包。本文中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用數(shù)據(jù)庫(kù)與TDMS結(jié)合的存儲(chǔ)方式，電流和加速度檢測(cè)的原始測(cè)量文件存儲(chǔ)在TDMS中，占用的空間小，便于訪問(wèn)和顯示而且TDMS操作函數(shù)眾多，可實(shí)現(xiàn)較為強(qiáng)大的功能；原始數(shù)據(jù)的分析結(jié)果以及特征值存儲(chǔ)在Access數(shù)據(jù)庫(kù)中，結(jié)構(gòu)清晰，便于調(diào)用歷史數(shù)據(jù)和管理已存儲(chǔ)的原始測(cè)量數(shù)據(jù)TDMS文件。Access數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)還便于遠(yuǎn)程訪問(wèn)和控制，可以此實(shí)現(xiàn)直流偏磁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程訪問(wèn)和控制。

四、        軟件實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)成果

控制室中的監(jiān)測(cè)PC存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)控制器處理后的結(jié)果，監(jiān)測(cè)PC放置在控制室中，要求：界面友好，易理解，采用B/S結(jié)構(gòu)，便于遠(yuǎn)程的查看和控制?？刂剖冶O(jiān)測(cè)PC的軟件設(shè)計(jì)還要求可顯示當(dāng)前的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并可設(shè)定各種程度的警報(bào)，便于提醒值班人員；可查看歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，便于以后的研究工作，且出現(xiàn)故障時(shí)，便于查看相應(yīng)的數(shù)據(jù)，根據(jù)上述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)，查看歷史數(shù)據(jù)可根據(jù)特征值來(lái)選擇相應(yīng)時(shí)刻的歷史數(shù)據(jù)，查看數(shù)據(jù)具有針對(duì)性；可對(duì)監(jiān)測(cè)過(guò)程的采集參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，如：間隔周期、采樣率、采樣點(diǎn)數(shù)、頻率分析的長(zhǎng)度等。如圖6所示，為變壓器直流偏磁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主界面。主界面中可以清晰查看每個(gè)加速度傳感器和霍爾電流傳感器的工作狀態(tài)，并用LED指示上位機(jī)服務(wù)器(監(jiān)測(cè)PC)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的通信狀態(tài)。對(duì)于本次檢測(cè)關(guān)注的重點(diǎn)：中性點(diǎn)直流電流和加速度頻域幅值，都在主界面中顯示出來(lái)，并且分析了加速度幅值最大值，并顯示最大值處的頻率。直流電流和加速度頻域幅值都分別設(shè)定了報(bào)警門限值，顯示清晰明了。

點(diǎn)擊右下方“查看實(shí)時(shí)波形”可查看當(dāng)前測(cè)量的實(shí)時(shí)波形圖，如圖7所示。左側(cè)顯示加速度的波形圖，可選擇安裝的加速度檢測(cè)點(diǎn)時(shí)域波形和對(duì)應(yīng)的頻域波形；右側(cè)顯示測(cè)量電流的波形，分別是原始電流波形和經(jīng)過(guò)濾波分析處理后的交流電流波形。

對(duì)于直流偏磁的歷史數(shù)據(jù)分析很重要，找出變壓器中性點(diǎn)電流與加速度頻域幅值的關(guān)系主要依靠對(duì)歷史數(shù)據(jù)的分析。對(duì)于上位機(jī)服務(wù)器(監(jiān)測(cè)PC)，歷史數(shù)據(jù)的查看采用特征值查看方式，如圖8所示，為變壓器直流偏磁監(jiān)測(cè)的歷史數(shù)據(jù)查看。特征值為直流電流、各檢測(cè)點(diǎn)的加速度頻域幅值等，可查看一定時(shí)間范圍內(nèi)某個(gè)特征值的變化趨勢(shì)，對(duì)于異常的點(diǎn)位，通過(guò)鼠標(biāo)直接選擇該點(diǎn)即可查看對(duì)應(yīng)的波形圖標(biāo)。

圖7 變壓器直流偏磁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查看界面

該套變壓器直流偏磁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完成開(kāi)發(fā)后，已經(jīng)完成了兩個(gè)變電站的安裝運(yùn)行工作，如圖9為變壓器直流偏磁監(jiān)測(cè)設(shè)備所監(jiān)測(cè)的變壓器安裝圖，如圖10所示為變壓器直流偏磁監(jiān)測(cè)設(shè)備完成后的柜體圖，NI CompactRIO系列控制器放置在柜體中，該套設(shè)備時(shí)刻測(cè)量變壓器中性點(diǎn)通入的直流電流，并分析變壓器箱體受到的振動(dòng)影響，設(shè)定了直流電流和振動(dòng)的報(bào)警限值，達(dá)到報(bào)警限值后說(shuō)明變壓器處于危險(xiǎn)運(yùn)行中，變電站的值班人員可根據(jù)報(bào)警采取相應(yīng)的處理措施，全面保障變壓器的安全和增加變壓器的使用壽命。

圖9 變壓器監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的安裝圖