當高壓DC系統在單極接地回路中運行時(shí)，可能會(huì )對同一區域的交流系統產(chǎn)生影響。兩個(gè)不同DC電位的變電站通過(guò)輸電線(xiàn)路形成回路，DC電流將流向干式變壓器的中性點(diǎn)和干式變壓器的繞組。干式變壓器會(huì )產(chǎn)生DC磁偏，導致干式變壓器的噪聲和振動(dòng)增加。上海電網(wǎng)是典型的多終端DC多饋DC系統。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，對干式變壓器的危害是長(cháng)期的。目前沒(méi)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(shí)時(shí)監測系統。本文介紹了一套基于NI公司CompactRIO的干式變壓器自動(dòng)、高精度、實(shí)時(shí)DC偏磁監測系統。

高壓直流系統的單回地線(xiàn)運行時(shí)，同一地區的交流系統可能會(huì )受到影響。因為兩個(gè)不同DC電位的換流站通過(guò)傳輸線(xiàn)構成一個(gè)回路，導致一定的直流電流流入變壓器中性點(diǎn)和繞組。變壓器會(huì )出現DC偏磁現象，導致變壓器噪聲和振動(dòng)增加。上海電網(wǎng)是典型的多DC多饋入直流輸電系統，有多個(gè)DC接地極在運行。變壓器DC偏磁的影響已經(jīng)存在，并會(huì )對變壓器造成長(cháng)期危害，但目前還沒(méi)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(shí)時(shí)監測系統。本文提出了一套自動(dòng)化、高精度、實(shí)時(shí)監控系統的設計方案。監控系統可以顯示主變壓器中性點(diǎn)直流電流的幅值和極性，以及振動(dòng)的幅值變化。它還能顯示主變壓器中性點(diǎn)直流電流分布規律與振動(dòng)幅度的關(guān)系，為判斷變壓器DC偏磁程度提供依據。

題記：項目開(kāi)發(fā)不能只靠一時(shí)的狂熱，要靠正確的方法和大量的時(shí)間投入。較重要的是設計一個(gè)易于開(kāi)發(fā)和實(shí)施的方案。做實(shí)用設備和做科研的區別在于，要考慮很多實(shí)際問(wèn)題，不僅僅是性能，還要考慮選用的材料是否容易購買(mǎi)，配送周期，這樣才能和很多廠(chǎng)家溝通協(xié)調。此外，還需要根據公司的特點(diǎn)進(jìn)行方案設計。不像外的研究所，有專(zhuān)門(mén)的工程部門(mén)與研究人員合作，促進(jìn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。作為一個(gè)以科技報告為主要產(chǎn)出的電力研究所，并不開(kāi)發(fā)相關(guān)的設備和產(chǎn)品，缺乏相應的配套部門(mén)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。具體實(shí)現細節不是重點(diǎn)。根據以上分析，NI公司的產(chǎn)品較適合本文監控設備的開(kāi)發(fā)。NI公司的硬件產(chǎn)品性能卓越完善，與開(kāi)發(fā)軟件LabVIEW高度集成，將工作量集中在LabVIEW程序開(kāi)發(fā)上，大大簡(jiǎn)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)品的構成方案后，方便在NI官網(wǎng)下載一個(gè)相關(guān)的套路。在購買(mǎi)NI產(chǎn)品的過(guò)程中，NI公司熱情地提供了試用產(chǎn)品的機會(huì )，并且方便地進(jìn)行了驗證方案的測試，證明了方案的可行性。接下來(lái)的流程是不斷的優(yōu)化和改進(jìn)，工作方向和思路清晰，可以保證時(shí)間不會(huì )浪費。 #p#分頁(yè)標題#e#

應用領(lǐng)域：電力設備診斷、遠程數據監控、分布式數據采集

挑戰：監控系統

目標是：干式變壓器中性點(diǎn)電流和干式變壓器箱體的振動(dòng)，振動(dòng)通過(guò)檢測加速度來(lái)反應。電流檢測的難點(diǎn)：測量的電流范圍大，而且要保證整個(gè)測量范圍內的相對精度，需要多個(gè)量程霍爾電流傳感器配合檢測。加速度檢測的難點(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;要求可擴展到多個(gè)加速度傳感器測量點(diǎn)，采樣端口多，較高達到24個(gè);采樣速率要求高，需達到50kHz及以上;采樣的數據量大，通信的信息量大;所采集的數據存儲也較為困難，為了方便查詢(xún)，數據存儲的格式需要特別設計。

應用方案：本方案在吸取當下的直流監測系統優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，還考慮直流偏磁對干式變壓器影響即增加了振動(dòng)的監測，通過(guò)同時(shí)監測主變中性點(diǎn)直流電流和干式變壓器的振動(dòng)，實(shí)時(shí)掌握干式變壓器發(fā)生直流偏磁的情況。本方案提出的監測系統是一整套全自動(dòng)、高精度、實(shí)時(shí)監測系統，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)直流電流的分布規律及與振動(dòng)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。直流電流的監測方案已很成熟，主要考慮的是所要求的大范圍內保證精度的要求;再根據上述分析的加速度檢測方案，考慮到還需要開(kāi)發(fā)監測臺PC的界面，選擇基于Labview的開(kāi)發(fā)平臺，可直接使用該軟件開(kāi)發(fā)PC界面，將數據通過(guò)光纖以太網(wǎng)傳輸到監測臺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(gè)平臺，對這些信號進(jìn)行分析和處理，IEPE采集卡端口可根據測試點(diǎn)的數量選擇。

使用的產(chǎn)品：

LabVIEW 8.6.1軟件開(kāi)發(fā)平臺

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箱

Compact-9239高速電壓信號隔離采集模塊

Compact-9234 IEPE專(zhuān)用采集模塊

Compact-9401高速TTL雙向數字I/O模塊

正文：

一、 引言

上海電網(wǎng)長(cháng)期供不應求、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，將有多個(gè)直流接地極投入運行。高壓直流系統單極大地回線(xiàn)運行時(shí)，巨大的直流電流經(jīng)直流接地極流入大地，并在較大范圍內造成地電位的明顯變化。這種地電位的變化，對于同一地區的交流系統可能產(chǎn)生影響。兩個(gè)處于不同直流電位的變電站經(jīng)輸電線(xiàn)路構成回路，會(huì )產(chǎn)生直流電流通過(guò)干式變壓器中性點(diǎn)和干式變壓器繞組。使得干式變壓器出現直流偏磁現象，造成干式變壓器噪聲增大，振動(dòng)加劇等[1][2][3]。#p#分頁(yè)標題#e#

上海電網(wǎng)中，以上影響已經(jīng)顯現，如220kV干練站的主變中性點(diǎn)電流超過(guò)44.5A，并產(chǎn)生達94dB以上的噪聲;葛南線(xiàn)直流單極運行時(shí)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(cháng)期的，目前干式變壓器生產(chǎn)廠(chǎng)家對承受直流偏磁的干式變壓器長(cháng)期運行的可靠性不做保證，并且沒(méi)有一套行之有效的質(zhì)量檢驗方法。因此非常有必要建立一套有效的實(shí)時(shí)監測系統[4][5]。

二、 干式變壓器直流偏磁監測系統組成

干式變壓器對于一個(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(diǎn)霍爾電流傳感器(CT)和振動(dòng)傳感器;(2)實(shí)時(shí)采集設備，實(shí)時(shí)采集CT和振動(dòng)傳感器監測到的信號，并進(jìn)行相應的算法;(3)無(wú)線(xiàn)通訊設備，將實(shí)時(shí)采集設備與控制器的監測PC相連;(4)控制室的監測PC可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊接收實(shí)時(shí)采集設備監測到的數據，并可改變采集的參數;(5)各變電站的監測PC通過(guò)市公司在變電站中鋪設的光纖網(wǎng)進(jìn)行數據傳輸和匯總，在遠程狀態(tài)監測中心(如電科院)可以查看監測的各個(gè)變電站直流偏磁情況，并可對監測設備進(jìn)行控制。

圖 1 干式變壓器直流偏磁監測系統結構示意圖

三、 干式變壓器直流偏磁監測系統設計方案

直流電流的監測方案已很成熟，主要考慮的是所要求的大范圍內保證精度的要求;再根據上述分析的加速度檢測方案，考慮到還需要開(kāi)發(fā)監測臺PC的界面，選擇基于Labview的開(kāi)發(fā)平臺，可直接使用該軟件開(kāi)發(fā)PC界面，將數據通過(guò)光纖以太網(wǎng)傳輸到監測臺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(gè)平臺，對這些信號進(jìn)行分析和處理，IEPE采集卡端口可根據測試點(diǎn)的數量選擇。

基于Labview開(kāi)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(zhuān)用采集卡NI-9234;工業(yè)實(shí)時(shí)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(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非易失存儲介質(zhì)。CompactRIO嵌入式控制器的設計極為堅固、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(wàn)可重新配置I/O(RIO)，FPGA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處理電路。

NI-9234為4通道C系列動(dòng)態(tài)數據采集卡，自帶2mA IEPE恒流源激勵，可進(jìn)行高精度的加速度測量，4條輸入通道借助自動(dòng)調節采樣率的內置抗混疊濾波器(Delta-Sigma)，可同時(shí)以每通道高達51.2 kS/s采樣信號。#p#分頁(yè)標題#e#

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

NI-9239為4通道C系列模擬輸入模塊，具有高速、準確的設計特點(diǎn)，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，包括待測設備在內的整套系統可以免受隔離等級內的電壓尖脈的損害。4條輸入通道借助自動(dòng)調節采樣率的內置抗混疊濾波器(Delta-Sigma)，可同時(shí)以每通道高達50 kS/s采樣信號

本監測系統是安裝在變電站中監測主干式變壓器，變電站中規定不能隨意施工、布線(xiàn)，因此現場(chǎng)的監測設備與控制樓中的上位機服務(wù)器之間的通信方式采用無(wú)線(xiàn)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)干式變壓器進(jìn)行監測時(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、節約成本。

圖2 可擴展8個(gè)采集卡的監測系統

根據監測的要求及相關(guān)技術(shù)難點(diǎn)的分析，經(jīng)過(guò)大量的調研工作，確定了電流的監測方法和霍爾電流傳感器的參數，尋找具有相應經(jīng)驗的廠(chǎng)商訂做;對于振動(dòng)的監測，采用加速度來(lái)反應振動(dòng)的情況，根據上述分析，選擇了合適的加速度傳感器，并進(jìn)行了相應的計算，確定方案的可行性。

對于整體方案的選擇，理論上分析通過(guò)后，進(jìn)行了驗證性的測試，如圖3所示，為整體測試結構圖，測試對象選擇調壓器，三維加速度傳感器通過(guò)磁鐵底座吸附在調壓器的側壁，傳感器信號線(xiàn)連接到采集卡，采集卡通過(guò)FPGA對數據進(jìn)行緩存后傳輸到控制器中處理，通過(guò)FFT、功率譜等算法后將結果通過(guò)以太網(wǎng)傳輸到上位機，在用戶(hù)界面中顯示出來(lái)。

圖3 整體測試結構圖

接下來(lái)將重點(diǎn)介紹干式變壓器直流偏磁監測系統的電流和加速度的信號采集、處理算法的研究、無(wú)線(xiàn)通信方式、監測數據的存儲設計。

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(diǎn)：測量的電流范圍大，而且要保證整個(gè)測量范圍內的相對精度，需要多個(gè)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(diǎn)[7][8]。

如圖4所示， 電流監測模塊包括：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換為數字信號輸入到控制器。通過(guò)量程判定預先判斷電流的量程并依據判定的量程選擇相應的電流傳感器，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(zhù)通過(guò)數模轉換模塊轉換為數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(jìn)行斷電處理，提出一種干式變壓器中性點(diǎn)的、大范圍的、可保證大范圍內精度的電流檢測方法。#p#分頁(yè)標題#e#

電流檢測方法，包括：

步驟一、通過(guò)量程判定預先判斷電流的量程;

步驟二、依據判定的量程選擇相應的電流傳感器;

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)數模轉換模塊轉換為數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(jìn)行斷電處理。

為了配合此種電流監測的方法，專(zhuān)門(mén)設計了量程判定單元和霍爾電流傳感器專(zhuān)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(guò)NI-9401發(fā)出的。cRIO控制器及機箱并沒(méi)有可用作控制的輸出端口，必須通過(guò)I/O類(lèi)的模塊實(shí)現，通過(guò)NI-9239、NI-9401就可以實(shí)現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(diǎn)，實(shí)現了保證相對精度的滿(mǎn)量程電流測量。

圖4 電流采樣裝置示意圖

1 來(lái)源：美家儀器