基于IEC61850的变压器振动监测信息建模与实现

D O I :10.7500/A

E P S 201212052

基于I E C61850的变压器振动监测信息建模与实现

徐晨博1,王丰华1,黄 华2,金之俭1

(1.上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海市200240;2.上海市电力公司电力科学研究院,上海市200437

)摘要:基于I E C61850的电力变压器振动在线监测系统的设计与开发,

是输变电设备在线监测系统的重要组成部分㊂文中在分析电力变压器振动在线监测系统数据采集与传输实际需求的基础上,依据I E C61850第2版,基于系统功能分配,采用包括T V B R 和S V B R 在内的传感器㊁状态监测㊁电气设备逻辑节点,建立了电力变压器振动在线监测系统智能电子设备(I E D )信息模型㊂将缓存报告控制块㊁文件传输模型作为实时通信协议,用于告警信息㊁测量信息和振动波形的传输,实现了电力变压器振动在线监测系统I E D 的实时通信㊂基于该设计的电力变压器振动在线监测系统已在现场得到了应用㊂

关键词:电力变压器;振动;在线监测;I E C61850;建模

收稿日期:2012-12-07;修回日期:2013-05-30㊂国家自然科学基金资助项目(51207090

)㊂0 引言

电力变压器(简称变压器)是电力系统中的重要设备,其运行的可靠性对电力系统安全稳定运行意义重大㊂统计分析表明,变压器大多数故障源于出

口短路故障[1

],变压器绕组在强大的冲击电流下容易发生松动或变形,而变压器的长期运行也会导致

铁芯受潮和绝缘损坏的发生,虽然大部分情况下这些缺陷并不立即表现为故障,但却埋下了事故隐患㊂因此,对变压器运行状态进行有效的在线监测变得极其重要㊂振动分析法通过固定于变压器箱壁上的振动加速度传感器采集振动信号,通过系统内置数据处理手段进行分析,检测绕组和铁芯的机械动力

学变化,判断变压器工作状况,灵敏度较高[2]

,且整个测试系统与电力系统无电气连接,可实现安全㊁有

效的在线监测㊂

变压器振动在线监测技术的发展仅有十余年,其中大部分研究集中于变压器振动机理与振动信号

的数据处理[3-4]

,而现有的振动在线监测系统均采用自定义的数据模型,无法互相兼容㊂随着数字化变

电站技术的迅猛发展,I E C61850构建了一种公共的通信标准,并提出设备互操作性的要求[5

],使得不

同在线监测设备间数据模型的统一变得尤为关键㊂

目前,基于I E C61850的在线监测智能电子设备

(I E D )研制处于起步阶段[6-8]

,而针对变压器绕组运行状态的变压器振动在线监测系统的相关研究也有

待开展㊂因此,结合I E C61850,深入研究该类在线监测设备的I E D 信息建模问题并应用于工程实践具有实际意义㊂

本文结合所研制的变压器振动在线监测系统的开发与应用,在分析变压器振动在线监测系统数据需求的基础上,依据最新发布的I E C61850第2版,设计变压器振动在线监测系统I E D (简称在线监测系统I E D )的信息模型,完成功能分配和模型实现,以期实现变压器振动在线监测系统数据传输的标准化,为实现变压器振动在线监测系统的智能化㊁信息化奠定基础㊂所研制的支持I E C61850通信协议的

变压器振动在线监测系统目前已在某电力公司500k V 变电站投入实际应用㊂1 变压器振动在线监测系统概述

运行中的变压器振动主要为铁芯振动和绕组振

动㊂变压器铁芯振动由硅钢片的磁滞伸缩引起[

2]

,若忽略变压器的磁滞曲线,可认为铁芯振动100H z

分量的幅值与励磁电压的平方成正比,用于判别铁芯运行状态㊂变压器绕组振动由负载电流产生的电磁力引起,该电磁力与绕组电流平方成正比,其频率

为100H z ,能判别绕组变形和松动故障㊂运行中的变压器振动是铁芯振动与绕组振动的叠加,除了

100H z 的基频信号之外,

还包括了由非线性引起的大量高次谐波㊂因此,变压器振动在线监测系统的

主要监测数据量包括:变压器本体箱壁振动信号㊁三相电压和三相电流信号㊂这些原始信号通过系统的数据处理,将产生变压器工作状态的告警信号,并通过报告的方式进行上传㊂

06 第38卷 第4期

2014年2月25

日

V o l .38 N o .4

F e b .25,2014

变压器振动在线监测系统由数据采集单元与分析处理单元构成,其结构框图如图1所示㊂数据采集单元通过振动加速度传感器㊁电流互感器和电压互感器分别采集变压器本体箱壁的振动信号㊁电流信号和电压信号并进行预处理㊂分析处理单元对数据采集单元采集的数据进行存储㊁显示和实时分析,并与远方状态评价中心进行通信㊂

图1变压器振动在线监测系统结构框图

F i g.1B l o c kd i a g r a mo f o n-l i n e v i b r a t i o nm o n i t o r i n g

s y s t e mo f p o w e r t r a n s f o r m e r

2在线监测系统I E D模型实现

2.1逻辑节点建模

针对变压器振动在线监测系统实际数据需求,根据最新版的I E C61850,将其功能进行分解,得到在线监测系统I E D逻辑节点模型如图2所示㊂

图2在线监测系统I E D逻辑节点模型

F i g.2L o g i c a l n o d em o d e l o f o n-l i n em o n i t o r i n g

s y s t e mI E D

在线监测系统I E D的重要功能是通过采集和分析振动㊁电压和电流数据,实时监测变压器的运行,从而实现状态预警㊂其中,振动数据的采集与处理是系统有效运行的关键㊂I E C61850第2版中新定义了振动传感器逻辑节点T V B R和振动监测逻辑节点S V B R㊂监测系统使用T V B R表征数据采集单元,对振动数据进行采集和预处理㊂使用S V B R表征分析处理单元,对T V B R采集的振动数据进行实时处理与监测,当实测振动100H z分量幅值与预测值偏差超过设定阈值时由S V B R产生告警信号并上传㊂通过对T V B R和S V B R的合理建模,避免了对通用过程输入/输出逻辑节点G G I O 的扩展应用,从而直观地构建了在线监测系统I E D 的核心数据交换机制㊂

此外,为监测变压器遭受短路冲击后的运行状态,需要对短路冲击发生时的振动波形文件进行上传,因此系统采用变压器逻辑节点Y P T R和变压器监测逻辑节点S P T R监测变压器运行状态,当发生短路冲击时触发扰动记录逻辑节点R D R E和模拟扰动记录逻辑节点R A D R进行振动信号录波,存储为电力系统瞬时数据交换标准格式(C OMT R A D E)文件[9]㊂对于电压㊁电流信号的采集,采用电压互感器逻辑节点T V T R和电流互感器逻辑节点T C T R,其一般被建模于合并单元I E D中,但受变电站条件所限,本监测系统采用独立的电压互感器与电流互感器获取电压㊁电流信号,因此需在在线监测系统I E D中设置T C T R和T V T R㊂电压㊁电流信号等量测量的获取与上传通过测量逻辑节点MM X U实现㊂最后,每个物理设备还需定义逻辑节点L P H D 和L L N0[10-13]㊂各节点说明见表1㊂表中:T V T R, T C T R,Y P T R和T V B R将反映变压器状态的各类信号转化为电信号进行监测,部署在过程层; S P T R,S V B R,R A D R,R D R E和MM X U部署于间隔层,负责变压器状态数据的接收㊁处理与传输㊂

表1在线监测系统I E D逻辑节点

T a b l e1L o g i c a l n o d e s o f o n-l i n em o n i t o r i n g s y s t e mI E D 逻辑功能名称说明

逻辑节点0L L N0访问逻辑装置的公用信息

物理装置信息L H P D为物理装置的公用信息建模

振动传感器T V B R表征振动强度值

电流互感器T C T R表征互感器,采集电流信号

电压互感器T V T R表征互感器,采集电压信号

变压器Y P T R变压器建模

振动监测S V B R建模各类振动监测设备

变压器监测S P T R监测变压器状态和短路冲击

测量MM X U计算三相系统的电流㊁电压等

扰动记录R D R E通用扰动记录

扰动记录模拟通道R A D R记录振动波形信号模拟量

上述逻辑节点已可满足在线监测系统I E D目前的功能需要,若在后期应用中,采用了通过网络互连的智能电压互感器和电流互感器,则不需再定义T V T R和T C T R㊂此外,监测系统可方便地新增节点以实现功能扩展㊂

2.2数据类建模

在在线监测系统I E D中,由T V B R和S V B R

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㊃研制与开发㊃徐晨博,等基于I E C61850的变压器振动监测信息建模与实现