浅析电力变压器故障在线诊断系统

浅析电力变压器故障在线诊断系统
摘要：针对电力变压器在线监测系统对数据传输可靠性和实时性的要求，提出了一种基于
C8051F020单片机控制的变压器在线监测系统，进行了电源电路及信号调理电路的设计。

建
立了基于信息融合技术的变压器智能故障诊断模式，将各种特征信息融合后对变压器的故障
进行诊断，提高了诊断的可靠性和准确性。

关键词：电力变压器；在线监测；故障诊断；信息融合
电力变压器是电力系统的核心设备之一，其安全、可靠运行是保证整个电力系统可靠供电的
基础。

电力变压器发生故障会直接影响电力系统的安全运行，同时会给电力企业及电力用户
带来极大的经济损失。

目前电力系统向超高压、大电网及自动化方向快速发展，变压器工作
故障对电力系统安全、可靠运行的影响和危害与日剧增。

1 变压器在线监测系统硬件设计
变压器在线监测项目主要有局部放电监测、有载分接开关的监测、套管介损因数的监测、负
荷电压、电流、功率的因数的监测、绕组温度的监测、油中微水、溶解气体的在线监测等。

通过这些项目的在线监测对变压器进行全方位的监测，获得有关变压器运行状态较为详细的
信息，通过这些特征信息结合变压器故障智能诊断系统判断变压器有无异常。

变压器状态在
线监测系统硬件结构图如图1所示。

图 1 变压器状态在线监测系统硬件结构
1.1系统电源电路的设计
由于C8051F020的I/O输入输出供电电源为5V,其内核及片内外设供电电源为3.3V，因此系
统要使用两组稳压电源。

系统稳压5V电源电路如图2所示。

图 2 稳压 5V 电源电路
220V的交流电首先经过降压变压器降压，将降压后的交流电经整流桥整流为直流，经C1滤
波后进入LM7805稳压模块，R1分压后最终输出5 V直流电。

将5 V直流电再使用低压差电
源芯片LM1117MPx-3.芯片稳压输出3.3V，LM1117MPx-3.3芯片具有输出电流大、输出电压精度高、稳定性好等特点。

1.2信号调理电路的设计
C8051F020内有12位的逐次逼近型模数转换器，通过软件编程就可以实现模拟量与数字量
的转换。

电力变压器在线监测系统传感器检测的模拟量都是弱电信号，并且含有混叠的高频
噪音信号，因此，在检测信号接入C8051F020的A/D接口前必须经过信号调理电路。

电流传
感器信号调理电路如图3所示，传感器信号经R2分压作用，在信号输入点转换成电压信号，经R3和C8组成的低通滤波回路，有效滤除信号中混叠的高频噪声信号，最后由高精度运算
放大器LM358跟随放大，将放大后的信号输出到单片机的A/D引脚。

电压型传感器信号调理电路如图4所示，弱电压信号首先经过初级滤波进入同相输入端，即保证与反向输入端电阻
构成跟随放大电路，也可满足线路高阻抗匹配特性，能有效滤除电压噪声干扰。

传感器信号
调理模块和单片机A/D采样模块共同完成了变压器在线监测原始数据的采集和数字滤波，是
监测系统获取有用信息及正确开展智能诊断工作的基础。

图 3 电流型传感器信号调理电路
图 4电压型传感器信号调理电路
2 基于信息融合技术的变压器故障诊断
变压器因其制造工艺的复杂性及运行环境的不稳定性造成了变压器故障机理的复杂性，其表
现为同一种故障模式有多种故障特征，同一种故障特征又是几种故障模式共同作用的结果，
故障模式与故障特征之间存在一种复杂而又非线性的对应关系。

因此，确定故障模式与故障
特征之间的关系在变压器故障诊断中是非常重要的。

2.1数据层融合
数据层融合是对未经过处理的传感器所监测的原始数据进行综合分析和处理。

要实现数据层
的融合其传感器必须是相匹配，以实现原始数据上的关联，并能保证同一目标或状态的数据
进行融合。

数据层融合方法有算术平均法、加权平均法及曲面拟合法等。

2.2特征层数据融合
特征层数据融合属于中间层，即从信息源的原始信息中提取特征信息并进行综合分析和处理，提取的特征信息应是原始信息的充分表示量或统计量，然后按照提取的特征信息对信息源数
据进行分类、聚集和综合分析。

所采用的融合方法仍是模式识别的相应技术，只是在融合前
通过传感器信息的变换，把各传感器的数据变成统一的数据表达形式，并在数据配准后对特
征信息进行关联处理。

其优点是：实现了多传感器信息压缩，有利于实时处理，由于所提取
的特征信息与决策分析相关，因此融合结果最大限度地给出了决策分析所需的特征信息。

2.3决策层数据融合
决策层数据融合属于最高层，也是三级融合的最终结果。

每个传感器对所监测目标的监测数
据进行信号预处理、特征提取、识别等以完成对所监测目标的一个初步判决，然后通过关联
处理，根据一定的准则给出一个最终的决策，决策的结果为指挥控制决策提供了依据，即最
终决策是针对具体故障类型及部位的，根据最终决策采取相应的故障隔离措施。

决策层融合
方法主要有Bayesian推理、DS证据理论、模糊理论、专家系统等。

结语
电力变压器运行状态在线监测系统的稳定性和可靠性对电网的安全、可靠、经济运行具有重
要的意义，针对在线监测系统对数据传输可靠性和实时性的要求，本文提出了一种基于
C8051F020单片机控制的变压器在线监测系统，并进行了电源电路及信号调理电路的硬件设计。

将信息融合技术引入变压器故障诊断系统，有效解决了故障模式与故障特征之间的非线
性关系，充分利用各种特征信息对变压器的故障进行诊断，提高了诊断的准确信和可靠性。

参考文献：
[1]钱旭耀.变压器油及相关故障诊断处理技术[M].北京:中国电力出版社,2006.10.
[2]许坤,周建华等.变压器油中溶解气体在线监测技术发展与展望[J].高电压技术.2005,31(2):30-33.。