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收稿日期：0000-00-00 修回日期：0000-00-00
基金项目：上海市科学委员会重大项目基金资助（编号：No.09dz1205900）
作者简介：任宏达（1988-），男，硕士研究生（在读），电气设备在线监测，E-mail: renhongda1988@https://www.doczj.com/doc/fb7850638.html, 联系电话：159********，通讯作者：王丰华（1973-），女，博士，助理研究员，主要研究方向：电力设备在线检测、电力系统接地技术和电力系统过电压等
基于LabVIEW/CompactRIO 的变压器振动监测系统
任宏达1 王丰华1 金之俭1 李清2
1. 电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，上海交通大学电气工程系，上海 200240
2. 河南电力试验研究院 河南郑州 200063
摘要：随着智能电网的发展，对电网中的关键设备提出状态监测的要求，而变压器作为电网中的重要设备，运行状态直接关系到电网的稳定。本文应用LabVIEW 软件开发平台和硬件CompactRIO 搭建在线监测平台对变压器多通道振动信号监测和预判记录，同时进行实时分析。该测试平台优点在于合理选择与协调数据传输的各个过程从而保证了数据准确可靠和大数据流量下的数据可靠传输与实时处理。除了为以后提出变压器状态监测判据的提出提供可靠的数据支持外，测试系统还具有很强的扩展性，为今后变压器在线状态精确监测的实现提供解决方案。
关键词：变压器；振动；在线监测；CompactRIO
中图分类号中图分类号：： 文章编号文章编号文章编号：：1005-9830（2009）00-0000-00
The System for On-line Monitoring Vibration Signal of Transformer
Based on the LabVIEW/CompactRIO
REN Hong-da 1
WANG Feng-hua 1 JIN Zhi-jian 1 LI Qing 2 1. Key Laboratory of Control of Power Transmission and Conversion, Ministry of Education, Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai, 200240
2. Henan Electric Power Testing & Research Institute, Zhengzhou, Henan Province 450052
Abstract: The essential equipments in power grid will be required for condition monitoring in pace with development of smart power grid. The transformers work as one of the most critical equipments and their operating conditions are closely relative with stability of grid. The paper builds a general system with aid of LabVIEW and CompactRIO. The system fulfills a line of tasks from measurement of vibration signal to judging and logging data as well as processing data from many signal channels. The critical elements of system, especially many data reliable transmission processes, have been designed appropriately to bring two advantages: first, the accuracy and reliability of data, and second, the reliable transmission large data stream from sensors to computer with real-time analysis. The system, providing sound data source support to pose reliable criterion for transformer condition, has great expansibility and compatibility to offer future accurate resolution for transformer condition monitoring.
Key words: Transformer; Vibration; online monitoring; CompactRIO
1. 引言
变压器是电力系统中价值昂贵的设备并且起着举足轻重的作用。特别是在大型变电站中，变压器运行状态直接关系到电网的供电可靠性。变压器的设计、生产过程都直接关系到变压器的质量是否符合电网的安全运行要求[1]。此外，随着智能电网技术的发展，变压器的状态监测研究和应用也在不断地深入。由于国内外尚无可用于在线监测和诊断变压器绕组状态的可靠手段[2]，因此对变压器原始振动数据特征的提取就变得十分关键。目前，西安交通大学、浙江大学均对变压器振动测试系统进行研
究，提出了很有价值的变压器振动监测方法[3,4]。为了保证变压器振动研究的全面性及数据完整性，更多振动信号通道及其数据的可靠性成为必要，本文针对变压器振动法故障诊断的监测系统进行研究。
2. 振动分析法检测变压器状态的理论基础
变压器器身的振动主要是由其铁芯振动、绕组振动以及冷却装置振动共同作用的结果。从物理角度看，电力变压器器身表面的振动与其绕组及铁芯的压紧状况、绕组的位移及变形密切相关[2,5]。就铁芯振动而言，其振动主要来源于硅钢片的磁致伸缩；绕组的振动则主要由于负载电流与铁心漏磁场作用产生的电动力引起。这两种振动通过变压器结构和变压器油传递到箱体。由于变压器器身振动信号的特征与距离最近的振动源有关，根据各处测量的信号可以判断出绕组和铁心故障的位置，因此通过测量箱体上的振动信号来监测绕组和铁心的运行状态[3-5]。这样通过对振动信息的有效提取就可以实现变压器的状态监测以及安排维修计划。
3. 变压器振动测量系统的搭建
振动测量系统包括前端传感器，采集设备，数据存储设备以及显示和实时分析设备。
3.1 振动传感器的选择
选取IEPE压电式加速度传感器来获取变压器的振动信号，量程500m/s-2，响应频率为1~5000Hz。振动采集模块通带频率为0.45f s，阻带频率0.55f s(其中f s为采样频率)，其滤波器将显著减弱高于阻带频率的信号以防止频谱混叠。这样结合传感器和采集模块的特性，可以确定合适采样频率以满足对振动信号的采样要求。
3.2 采集设备硬件选择
系统采用美国国家仪器（NI）公司的CompactRIO、两块NI 9234振动测量模块、NI 9802SD卡存储模块以及NI 9206模拟输入模块。振动模块NI 9234输入范围是±5V，具有4通道且最高采样（f s）可达51.2kHz。此外，其ADC（Analog-to-Digital Converter）是24位、带模拟预滤波转换器（ADC），具有抗混叠滤波功能。这样CompactRIO就可以提供8路振动信号采集通道且采集数据具有高精度和可靠性。NI 9206模块则可用于记录变压器的电压电流信号，可提供32路的单端（RSE和NRSE）通道或16路模拟差分测量信号通道。考虑到端口足够应用，本文采用了高精度和低噪声的差分测量。
3.3 采集设备软件平台
图1 CompactRIO的基本构架[7]
本文采用平台软件LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）以及实时模块和FPGA模块，FPGA模块主要应用在CompactRIO的可重新配置的I/O机箱的FPGA芯片上来对机箱上的各个I/O口进行设置[6]，如图1所示。实时模块则是针对实时控制器的编程需要对数据进行实时处理。
其中实时控制器需安装NI RIO，其版本应和LabVIEW及FPGA模块和实时的版本相匹配以便于开发。此外，本文中程序开发和运用都是在windows XP操作系统平台下。
3.4 采集程序基本结构
数据采集程序主要包含三个部分：（1）运行在机箱FPGA芯片上的VI；（2）运行在实时控制器上的VI；（3）运行在计算机上的VI。这三层结构完成了数据由I/O口进入计算机的传输、处理和计算机对远程终端传输命令、I/O口配置的任务[8]。图2给出了具体的程序流程图。
设置，并且开启FIFO，用来接受从含有FPGA的机箱接收振动信号和电压电流信号数据。为了保证数据的可靠性在在FPGA程序上都加有指示灯以防止FIFO溢出和下溢，所谓下溢就是从FIFO中读取速度超过数据写入速度而导致的错误[9]。
在发出调用FPGA程序指令之前，加入了TCP传输的侦听，等待计算机上运行程序所需建立的TCP 数据传输连接。这样就可以在计算机做好发送指令和接收数据准备之后才会有源源不断的数据从I/O口进入控制器，然后再由控制器通过TCP协议传输到计算机。否则就会产生由于建立TCP联接和数据流进入FIFO有时间差而导致缓存溢出。此外，为了对保证数据产生速度和TCP传输速度达到很好的配合，在程序中设置了计时环节，查看传输数据所用的时间，数据传输程序段的耗时只有23ms左右。因此，没有必要选择用“生产者—消费者循环”来保证数据读取和传输两个功能的配合，具体如图3所示。
为了保证数据存储的可靠性，在实时控制器与计算机的TCP连接意外中断时，振动信号符合记录条件时，触发保存子VI会自动将触发前0.5秒和触发后4.5秒数据写入到NI 9802的SD存储卡中并记录触发次数即脉冲次数。
3.4.3 运行在计算机上的VI
计算机通过网线联接CompactRIO实时控制器上的网口，可以通过TCP协议来接收来自I/O端口的数据。用TCP通信工具可以很快搭建起可靠通信并且适合多通道高采样率的数据传输。在IP设置上要求计算机的IP与CompactRIO的IP在同一个子网络下，且设置相同的端口号。同时，对于计算机和实时控制器的命令和采样率等信息传输则选择网络共享变量，由于这些量变化不是很频繁。该VI接收数据后除了完成对实时数据进行显示和记录外，还对数据进行实时的数据分析。对电压电流信号的FFT处理给实验操作者以直观了解输入变压器的电能质量。
计算机上的数据存储是由手动和自动共同判断后触发，这是因为在正常运行时数据流量大约在每秒1.5MB左右且并非所有数据均有研究价值，可以在振动剧烈且没有引起实验人员注意时自动记录有价值数据。数据的记录格式有能够支持Matlab分析的数据类型，还有NI主推的高速流盘数据格式TDMS 作为存储辅助。
3.5 程序的扩展性
运行在实时控制器上的程序做部分修改就可以独立于计算机运行。例如在测试环境比较恶劣的情况下，CompactRIO可以独立完成从数据采集，传输，判断，记录功能。此外，对振动信号的采集外，还可以通过DO端口发出命令信号对变压器运行状态控制。
4 信号处理与分析
图4 8路振动信号通道0采集的测试信号
振动信号的分析分为在线实时分析和对存储的数据线下分析。实时分析振动信号有两种：第一，快速傅里叶变换（FFT）用于观察实时振动信号的频率分布；第二，短时傅里叶变化（STFT）用于分析振动信号的时变特性。STFT分析用强度图用来实时查看不同时间和频率段的能量分布，实时查看信
号的频率分布随时间变化趋势。系统在测试阶段观察的噪声信号如下图4所示，图5为通道0的实时时频变换结果。
图5 通道0信号的实时时频变换
5. 总结
基于LabVIEW软件和CompactRIO硬件平台实现了变压器状态监测中多通道、高采样率振动信号和电压电流信号数据（12路电压电流信号与8路振动信号）可靠传输、记录和分析，并且协调各个步骤的数据流量和处理速度，使得状态监测的信号及其变化趋势可靠直观地呈现给设备运行人员。此外，可靠的原始数据又可以为变压器振动信号进一步分析和研究提供坚实依据。
参考文献
[1]严璋. 电气绝缘在线检测技术[M]. 北京: 中国电力出版社, 1995.
[2]冯永新等. 大型电力变压器振动法故障诊断的现状与趋势[J],南方电网技术，2009,3(3):49~53.
[3]黄海,陈祥献,郭洁. 电力变压器振动在线监测及故障诊断方法[P].中国专利:
CN200910156952.1,2010-5-19
[4]汲胜昌,刘味果,单平,李彦明,徐大可. 变压器铁心及绕组状态的测试系统[J].高电压技
术,2000,26(6):1~3.
[5]汲胜昌,程锦,李彦明. 油浸式电力变压器绕组与铁心振动特性研究[J].西安交通大学学报，
2005,39(6):616~619.
[6] A.Emami, Member, IEEE, H. Tabatabaei Yazdi. Designing and Constructing Transformer Test System
with aid of LabVIEW[J] .2009 2nd International Conference on Adaptive Science &
Technology,169~174.
[7]NI公司. NI CompactRIO ——可重新配置的控制和采集系统技术白皮书[EB/OL].2005.
[8]骆静等. 基于NI CompactRIO 发动机振动信号采集[J].电子测量技术.2009, 23(12):134~136.
[9]NI公司. CompactRIO Developers Guide [J/OL].2009.
基于LabVIEW/CompactRIO的变压器振动监测系统
作者：任宏达， 王丰华， 金之俭， 李清
作者单位：任宏达,王丰华,金之俭(电力传输与功率变换控制教育部重点实验室,上海交通大学电气工程系,上海 200240)， 李清(河南电力试验研究院河南郑州 200063)
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