智能变压器的初步设计方案

智能变压器的初步设计方案实习生王大江注：本文是在充足理解智能变压器发展现实状况的基础上，结合自己的专业知识与实践经验，论述了我对智能变压器的理解，并提出了智能变压器的初步设计方案。由于时间仓促，经验局限性，不妥之处，敬请批评指正。一、智能电网的发展趋势与智能变压器的定义在电力设备的运行过程中，电力部门可以获得电网的运行信息(电压、电流、功率等)和设备的保护信息，通称为二次信号。而对于设备本体的工作状况(称为一次信号)如套管介损、铁芯电流、油中气体、局部放电、油中微水、热点温度、绕组变形等，虽然也逐渐发展起来了某些参数的在线监测技术，部分处理了停电试验的缺陷，但仍存在诸如检测参数不全、各家自成系统、互相兼容性差、不能统筹考虑、有时需要改动设备而实行困难等缺陷，并且还不能保证全面、实时的反应设备的运行状况，缺乏对应的原则，导致了很大的混乱。伴随电力系统对智能化和运行可靠性规定的提高，以及计算机、传感和通信技术的飞速发展，这给电力设备制造商和电力系统运行部门提出了规定，也提供了机遇。如能在设计、制造设备的时候就为其配置多种数字化接口(可以反应设备所有的一次和二次信息)，使其成为设备的一部分，使设备具有自身状态诊断和评估的功能，可提高设备的可靠性，也可提高产品的技术附加值。鉴于此，本人认为未来智能电网的发展格局为:（1）电力设备应配置多种数字化接口，使其具有自身状态信息管理、诊断、评估和控制的功能，首先实现电力设备单元的智能化。（2）电力运行部门基于各电气元件的数字化信息以及电网的运行信息，应能完毕电力系统及其设备的综合管理和监控，实现老式意义上“一次”和“二次”系统的融合。智能变压器作为电力系统中最重要的电力设备之一，智能电网的发展趋势决定了智能变压器的定义和功能：智能变压器应能提供多种参数的数字化接口，使其具有自身状态信息管理、诊断、评估和控制的功能。根据国标，智能变压器应提供如表1所示参数的数字化接口。一次信号二次信号局部放电运行电压油中溶解气体负荷电流油中水分运行功率绕组热点温度分接位置顶层油温冷却器状态铁芯接地电流环境温度套管绝缘性能表1根据智能变压器的定义，本人认为，智能变压器作为新的产品，既要面向市场，又要保证产品的高技术含量，提议其开发过程应分两步走的战略：（1）一期产品：仅提供多种参数的数字化接口，实现自身状态信息的显示与管理。功能如图1所示：图1一期产品功能理由如下：1、在当今在线参数检测存在的诸如检测参数不全、各家自成系统、互相兼容性差、不能统筹考虑、有时需要改动设备而实行困难等缺陷的状况，本产品能与各厂家与后期产品的开发保持最大的兼容性。2、有关技术已经成熟，易于短期实现，立即投入市场，夺得先机。3、为二期产品的开发打下基础，同步保持向下兼容的特点。（2）二期产品：二期产品是真正意义上的智能变压器系统，不仅可以实现自身状态信息的显示与管理，还应具有变压器智能诊断专家系统，为顾客的决策提供根据。智能专家系统可通过模糊论、神经网络等人工智能的措施来实现。详细功能如图2示图2二期产品功能二、智能变压器一期产品的初步设计方案1、传感器选择与布置方案各参数测量传感器的选择在新变厂《智能变压器方案》中已经有简介，如图3所示，在此不再赘述。但要强调的是，所有传感器均在高电场高磁场的环境下工作，因此，对传感器的抗干扰性规定异常重要。2、系统前台单元设计（1）数据采集方案的选择上述选用的传感器有些是模拟量输出，有些是智能型采集单元，有时还需要将完整的系统作为传感器，因此采用多种采集方式并存的形式是比较合适的，如图4所示。图4多种方式数据采集本方案拟采用DSP作为中央处理模块，实现数据采集控制和数据初步处理的功能;智能化变压器的前台单元界面与上位机通信，形成完全开放的数据通信方式.（2）在线检测操作前台的设计数据采集程序是变压器在线监测系统软件设计中的一种重要环节，包括采样控制、现场显示和部分的数据计算功能。一般的数据采集程序功能单一，且现场调试比较复杂。在构建采集系统的过程中可以采用虚拟仪器技术，将数据采集程序的多种功能集于一身。前台系统的显示界面如图5所示。图5前台系统的显示界面现场界面可显示系统采集卡的工作状态、变压器运行参数及实时波形和状态参数等。（3）后台专家诊断单元的设计系统的上位机位于变电站的主控室中，其界面如图6所示，可显示变压器的运行参数、状态参数以及系统运行状态等。图6后台专家诊断单元系统可采用曲线和报表两种格式显示打印测量到的变压器运行参数和状态参数，并可实现实状况态评估功能。总之，智能化电力变压器应当是一种基于多种传感器的集成化系统，能实时反应变压器绕组、铁芯、套管、有载开关、冷却器的运行状况，并能真实记录变压器的运行电压、负荷电流和多种温度数据，整个系统由计算机实行人工智能管理，代表了未来智能电网的发展方向。三、智能变压器的详细实行方案本方案的流图如图7示图7智能变压器的详细实行方案由于交流采样法的精度重要取决于A/D转换器的位数和采样速度,在进行设计时首先应考虑采用高辨别率的A/D转换器进行采样,再选择DSP对采样值进行迅速计算,为提高采样速度提供了也许,可深入减小采样误差，硬件还包括存储器件、液晶显示、微型打印机等部分,（1）硬件工作原理A/D转换器采用ATMEL企业的AT73C501。该16位A/D转换器基于同步采样措施,可同步进行六路采样。对频率为50Hz的信号,采样率为3200Hz,即每周期采样点数为64,采样值通过串口输出。DSP采用ATMEL企业的AT73C500。该芯片是与AT73C501配合使用,能到达IEC1036规定的一级精确度规定,具有增益误差和相位误差校准功能,校准参数保留在一片EEPROM中。一种高可靠的现场总线的使用是成功实行配电自动化的关键。站内通信介质可采用双绞线、光纤及同轴电缆，单模光纤只能用于点对点通信，光纤用于多点通信时需要采用多模光纤构成环网构造，一次投入比较大，故大多采用双绞线作为站内通信介质。（2）软件设计本方案拟采用C语言编程,使系统可以兼顾数据处理的实时性规定和便于阅读调试的需要。整个软件根据模块化、构造化的思想编制,完毕对测量数据的采集处理和输出,软件模块划分如图8所示。图8软件模块划分主控程序是主函数,从主函数开始执行,调用其他函数后返回主函数,最终在主函数中结束整个程序运行。本方案仅对主控程序和变压器参数计算模块作以简介。主控程序的流程图如图9所示。图9主控程序的流程图主控程序首先进行系统的初始化过程,包括系统初始参数的设置、液晶显示屏、键盘控制芯片、外部EEPROM的初始化。接下来进行仪器的自检,检查各部分与否工作正常,例如电源的供应等。系统初始化和自检完毕后,就开放两个外部中断源,等待中断。DSP读取测量数据到,然后根据按键输入的规定,设置计算参数和公式。最终根据更新的测量数据计算变压器参数,并显示在液晶屏上或打印输出。（3）专家系统的设计专家诊断系统用于监测变压器安全运行状况和故障诊断，是智能电网发展的需要，是真正意义上的智能变压器。目前来看。建立专家系统的几种措施是：1、基于粗糙集理论的故障诊断思想粗糙集(RS)理论具有较强的容错能力，能有效地分析和处理不精确、不完备的数据，并有也许直接提取出隐含的知识，因而值得将其运用到变压器故障诊断中。其基本思想是：在保持信息系统的分类能力不变的前提下，通过知识约简，导出问题的决策或分类规则。2、人工神经网络法人工神经网络(ANN)的实质就是模拟人脑的信息处理功能,由于ANN自身是简朴的非线性函数的多次复合,无需建立物理模型和进行人工干预,它具有自组织、自学习的能力,能映射高度非线性的输入/输出关系.ANN正成为电力变压器故障诊断的一种理想工具.此外，尚有支持向量机、Petri网络等人工智能技术来建立变压器故障诊断系统。详细的实现还要根据变压器诊断对应的算法。四、远程监测问题：1、通信方式的选择：在变电站智能化监控系统的通信中，可以采用数传电台、GSM短消息、光纤接入等方式。数传电台的优势是除了每年的频点费以外，平时运行无需额外费用，缺陷是受地形、气候的影响较大，导致系统的可靠性、实时性较差，无法积极上报。GSM短消息方式可以实现积极上报，缺陷是按条收费，运行费用高，并且在节假日短消息中心服务器繁忙时延时相称长。光纤通信稳定可靠，不过施工成本投入太大、扩展性差、光纤及设备等的维护方面很不以便。而GPRS通信则防止了以上问题。构造图如图11所示。图11远程监控示意图2、基于GPRS远程监控系统的构成远程监控系统由监控中心、GPRS通信网络和监控终端3大部分构成，如图12所示。智能监控终端将变压器一次和二次端的电气参数定期发送给GPRS模块，GPRS模块再把数据发送到GPRS网中，上传到监控中心。同步，通过智能监控终端对一次和二次端的所有开关进行远方遥控操作，每个开关按照485通讯进行寻址操作，并有开合状态位指示，实现远方三遥控制。图12