10kV干式变压器温度在线监测与评价系统
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表2 IEC60870-5-104规约数据帧格式 Tab.2 Data frame format of IEC60870-5-104
APCI !" #$ % APD U ! 12 A SDU 34 ! 12 9 9 2: 9 $% !1 2 $% &’ () *+ , -. /0 34 ! 1 2 56 78 9 "# 9 78 -. -. -. ! ! ! ;! * +, + < 6 8H 68H APDU
总第 49 卷 2012 年
第 558 期
电测与仪表 Electrical Measurement & Instrumentation
Vol.49 No.558 Jun. 2012
第6期
10kV干式变压器温度在线监测与评价系统
张又力 ， 王礼 ， 熊兰 ， 赵艳龙 ， 杨子康 ， 何为
（1.重庆市电力公司， 重庆 400014； 2.重庆大学 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室， 重庆 400030 ） 摘要： 干式变压器的安全、 可靠运行很大程度上取决于变压器绕组的绝缘安全， 绕组温度超过绝缘材料的耐受 温度是造成干式变压器绝缘损坏的主要因素之一。 设计和开发了一套10kV干式变压器温度在线监测系统， 硬件 采用基于ZigBee的无线温度传感器， 实时获取干式变压器各相温度等相关数据， 通过IEC60870-5-104传输规约 对干式变压器运行状态进 将数据传输至监控中心。利用LabVIEW软件编制干式变压器温度在线监测系统软件， 行评价， 实现温度报警与故障预警等功能。通过现场测试及联网运行， 证实系统具有良好的可靠性和实时性。 关键词： 温度监测系统； ZigBee； 干式变压器； LabVIEW； 传输规约 中图分类号： TM412 文献标识码： B 文章编号： 1001-1390 （2012 ） 06-0033-05
需求及现场实际环境来确定， 所有温度采集节点构造 为星形网络，每一个节点设置一个64bit长地址码， 这 样具有较大的网络容量，而且方便以后新节点的加 入。 其中，温度传感器贴在干式变压器各相绕组上， 实时采集干式变压器各相及铁心温度，监测范围 20℃～+140℃， 监测精度为 ±0.5℃， 分辨率为 0.01℃ ； 数 据处理模块将模拟信号转换为数字信号， 并进行数字 滤波处理； 数据发送模块使用射频技术， 所使用频段 传送速率为250kbps； 电源支持系统采用两 为2.4GHz， 节钮扣电池供电， 电压3.2V， 使用寿命3年。 1.3 现场数据管理机 现场数据管理机的主要功能是用来将现场各节 点组成测温网络， 实施现场数据的无线接收， 并转发 给后台数据交换机 。本模块主要安装在现场干变室 内， 距离测温节点较近， 可以方便接收测温节点发来 的数据。 现场数据管理机与测温终端之间使用无线技 术进行数据传送， 可以实现光电隔离， 彻底解决电气 绝缘问题， 因而安全可靠。现场管理机与后台数据交 换机之间使用网络光纤连接， 可以实现现场数据的高 速、 长距离输送， 从而保证数据的实时性。 1.4 后台数据交换机 后台数据交换机使用直通方式， 可以理解为在各 端口间是纵横交叉的线路矩阵电话交换机[5]。它在输 入端口检测到一个数据包时， 检查该包的包头， 获取 包的目的地址， 启动内部的动态查找表， 转换成相应 的输出端口， 在输入与输出交叉处接通， 把数据包按 指定的端口号发送给监控中心进行分析处理。 由于不 交换非常快， 其安装在监控调 需要存储， 延迟非常小、 度中心， 与现场通过网络光纤连接， 进行数据的实时 汇总和转发。 1.5 监控中心服务端 监控中心服务端主要包括监测系统服务器和监 测软件平台组成。 监控中心服务端主要功能是用来进行现场数据 的接收、 处理、 显示和储存， 并根据所设定的阙值进行 温度预警、 状态判断。 2 数据通讯协议 在数据传输规约方面，使用的是国际通用的 IEC60870-5-104传输规约。 IEC60870-5-104 规约传输协议 （简称 104 规约） ， 是国际电工委员会电力系统控制及其通信技术委员 会 （IECTC57 ） 根据形式发展的要求制定调度自动化 系统和变电站自动化系统的数据通信标准， 用于具有
DL/T634.5101-2002 GB/T18657.5-2002 DL/T634.5101-2002 IEC60870-5-104 ASDU APCI TCP ! 7
1.2
图1 监测系统组成 Fig.1 Components of monitoring system 现场温度采集节点
温度采集节点包括测温传感器、数据处理模块、 数据发送模块和电源支持系统。其结构组成如图2所 示。
温度采集节点安装在所监测的干式变压器现场 环境 中 ， 采 用 ZigBee 无 线 网 络 连 接 ， 该 网 络 采 用 IEEE802.15.4协议标准， 具有低功耗 、 低数据速率 、 自 [4] 组织网络的优点 。温度采集节点数量可以根据客户 - 34 -
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On-line Temperature Monitoring and State Evaluation System for 10kV Drytype Transformers
ZHANG You-li , WANG Li , XIONG Lan , ZHAO Yan-long , YANG Zi-kang , HE Wei （ 1.Chongqing Electric Power Company, Chongqing 400014, China. 2.State Key Laboratory of Power Transmission Equipments & System Security and New Technology, Chongqing University, Chongqing 400030, China） Abstract: The safe and reliable operation of dry -type transformer depends largely on the insulation safety of the transformer winding. One of the most important factors that can damage the insulation of dry-type transformer is that winding coils’ temperature exceeds the temperature tolerance of insulating material. Therefore, an on -line temperature monitoring system for 10kV dry -type transformers is developed. The system is composed of ZigBee based wireless temperature sensors, it could get the real -time temperature data of each phase of dry -type transformer. The data would be transferred to the monitor center by IEC60870 -5 -104 transmission protocol. The system software is combined by LabVIEW software. Moreover, the functions of temperature alarm and fault warning are realized by assessing the transformer’ s operating states with comprehensive evaluation methods. It is proved that the system possesses strong reliability and flexibility in practical use. Key words: temperature, monitoring system, ZigBee, dry-type transformer, LabVIEW, transmission protocol 引 言 相对于油式变压器，干式变压器具有绝缘强度 高、 抗短路能力强 、 防灾性能突出 、 环境性能优越 、 运 0 行损耗低、 运行效率高、 噪声低等优点。 随着城市电网 用电负荷的不断增加， 干式变压器在城网变电站中得 [1] 到了广泛的应用 。 干式变压器的安全运行和使用寿命很大程度上 取决于变压器绕组绝缘的安全[2]。当变压器绕组的绝 缘性能降低后， 将对其导热性能产生很大影响。在绝 缘遭到损坏的位置， 其温度将会急剧上升， 当上升到一 定极限值时， 轻者造成变压器绝缘性能降低、 使用寿命 下降； 重者可能造成绝缘击穿， 变压器烧毁爆炸， 甚至 有可能危害运行维护人员的人身安全及整个电网的稳 定， 其损失不可估量[3]。 因此， 对干式变压器的温度等运 行数据进行实时监测及状态评价是十分重要的。 本文提出采用 ZigBee 无线温度传感器对开闭所 内干式变压器各相温度进行进行数据采集，通过 IEC60870-5-104传输规约将数据传输至监控中心。 - 33 1 1 2 2 2 2
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第 558 期
电测与仪表 Electrical Measurement & Instrumentation
Vol.49 No.558 Jun. 2012
第6期
串行比特数据编码传输的远动设备和系统， 实现对地 理广域过程的监视和控制， 以适应和引导电力系统调 度自动化技术的发展， 规范调度自动化及远动设备的 技术性能。 制定远动配套标准的目的是使兼容的远动 设备之间达到相互操作 。 其网络层协议为 TCP/IP 协 具有实时性好、 议， 应用层协议采用101协议的ASDU。 可靠性高、 数据流量大、 便于信息量扩充、 支持网络传 输等优点
表2 IEC60870-5-104规约数据帧格式 Tab.2 Data frame format of IEC60870-5-104
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总第 49 卷 2012 年
第 558 期
电测与仪表 Electrical Measurement & Instrumentation
Vol.49 No.558 Jun. 2012
第6期
10kV干式变压器温度在线监测与评价系统
张又力 ， 王礼 ， 熊兰 ， 赵艳龙 ， 杨子康 ， 何为
（1.重庆市电力公司， 重庆 400014； 2.重庆大学 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室， 重庆 400030 ） 摘要： 干式变压器的安全、 可靠运行很大程度上取决于变压器绕组的绝缘安全， 绕组温度超过绝缘材料的耐受 温度是造成干式变压器绝缘损坏的主要因素之一。 设计和开发了一套10kV干式变压器温度在线监测系统， 硬件 采用基于ZigBee的无线温度传感器， 实时获取干式变压器各相温度等相关数据， 通过IEC60870-5-104传输规约 对干式变压器运行状态进 将数据传输至监控中心。利用LabVIEW软件编制干式变压器温度在线监测系统软件， 行评价， 实现温度报警与故障预警等功能。通过现场测试及联网运行， 证实系统具有良好的可靠性和实时性。 关键词： 温度监测系统； ZigBee； 干式变压器； LabVIEW； 传输规约 中图分类号： TM412 文献标识码： B 文章编号： 1001-1390 （2012 ） 06-0033-05
需求及现场实际环境来确定， 所有温度采集节点构造 为星形网络，每一个节点设置一个64bit长地址码， 这 样具有较大的网络容量，而且方便以后新节点的加 入。 其中，温度传感器贴在干式变压器各相绕组上， 实时采集干式变压器各相及铁心温度，监测范围 20℃～+140℃， 监测精度为 ±0.5℃， 分辨率为 0.01℃ ； 数 据处理模块将模拟信号转换为数字信号， 并进行数字 滤波处理； 数据发送模块使用射频技术， 所使用频段 传送速率为250kbps； 电源支持系统采用两 为2.4GHz， 节钮扣电池供电， 电压3.2V， 使用寿命3年。 1.3 现场数据管理机 现场数据管理机的主要功能是用来将现场各节 点组成测温网络， 实施现场数据的无线接收， 并转发 给后台数据交换机 。本模块主要安装在现场干变室 内， 距离测温节点较近， 可以方便接收测温节点发来 的数据。 现场数据管理机与测温终端之间使用无线技 术进行数据传送， 可以实现光电隔离， 彻底解决电气 绝缘问题， 因而安全可靠。现场管理机与后台数据交 换机之间使用网络光纤连接， 可以实现现场数据的高 速、 长距离输送， 从而保证数据的实时性。 1.4 后台数据交换机 后台数据交换机使用直通方式， 可以理解为在各 端口间是纵横交叉的线路矩阵电话交换机[5]。它在输 入端口检测到一个数据包时， 检查该包的包头， 获取 包的目的地址， 启动内部的动态查找表， 转换成相应 的输出端口， 在输入与输出交叉处接通， 把数据包按 指定的端口号发送给监控中心进行分析处理。 由于不 交换非常快， 其安装在监控调 需要存储， 延迟非常小、 度中心， 与现场通过网络光纤连接， 进行数据的实时 汇总和转发。 1.5 监控中心服务端 监控中心服务端主要包括监测系统服务器和监 测软件平台组成。 监控中心服务端主要功能是用来进行现场数据 的接收、 处理、 显示和储存， 并根据所设定的阙值进行 温度预警、 状态判断。 2 数据通讯协议 在数据传输规约方面，使用的是国际通用的 IEC60870-5-104传输规约。 IEC60870-5-104 规约传输协议 （简称 104 规约） ， 是国际电工委员会电力系统控制及其通信技术委员 会 （IECTC57 ） 根据形式发展的要求制定调度自动化 系统和变电站自动化系统的数据通信标准， 用于具有
DL/T634.5101-2002 GB/T18657.5-2002 DL/T634.5101-2002 IEC60870-5-104 ASDU APCI TCP ! 7
1.2
图1 监测系统组成 Fig.1 Components of monitoring system 现场温度采集节点
温度采集节点包括测温传感器、数据处理模块、 数据发送模块和电源支持系统。其结构组成如图2所 示。
温度采集节点安装在所监测的干式变压器现场 环境 中 ， 采 用 ZigBee 无 线 网 络 连 接 ， 该 网 络 采 用 IEEE802.15.4协议标准， 具有低功耗 、 低数据速率 、 自 [4] 组织网络的优点 。温度采集节点数量可以根据客户 - 34 -
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On-line Temperature Monitoring and State Evaluation System for 10kV Drytype Transformers
ZHANG You-li , WANG Li , XIONG Lan , ZHAO Yan-long , YANG Zi-kang , HE Wei （ 1.Chongqing Electric Power Company, Chongqing 400014, China. 2.State Key Laboratory of Power Transmission Equipments & System Security and New Technology, Chongqing University, Chongqing 400030, China） Abstract: The safe and reliable operation of dry -type transformer depends largely on the insulation safety of the transformer winding. One of the most important factors that can damage the insulation of dry-type transformer is that winding coils’ temperature exceeds the temperature tolerance of insulating material. Therefore, an on -line temperature monitoring system for 10kV dry -type transformers is developed. The system is composed of ZigBee based wireless temperature sensors, it could get the real -time temperature data of each phase of dry -type transformer. The data would be transferred to the monitor center by IEC60870 -5 -104 transmission protocol. The system software is combined by LabVIEW software. Moreover, the functions of temperature alarm and fault warning are realized by assessing the transformer’ s operating states with comprehensive evaluation methods. It is proved that the system possesses strong reliability and flexibility in practical use. Key words: temperature, monitoring system, ZigBee, dry-type transformer, LabVIEW, transmission protocol 引 言 相对于油式变压器，干式变压器具有绝缘强度 高、 抗短路能力强 、 防灾性能突出 、 环境性能优越 、 运 0 行损耗低、 运行效率高、 噪声低等优点。 随着城市电网 用电负荷的不断增加， 干式变压器在城网变电站中得 [1] 到了广泛的应用 。 干式变压器的安全运行和使用寿命很大程度上 取决于变压器绕组绝缘的安全[2]。当变压器绕组的绝 缘性能降低后， 将对其导热性能产生很大影响。在绝 缘遭到损坏的位置， 其温度将会急剧上升， 当上升到一 定极限值时， 轻者造成变压器绝缘性能降低、 使用寿命 下降； 重者可能造成绝缘击穿， 变压器烧毁爆炸， 甚至 有可能危害运行维护人员的人身安全及整个电网的稳 定， 其损失不可估量[3]。 因此， 对干式变压器的温度等运 行数据进行实时监测及状态评价是十分重要的。 本文提出采用 ZigBee 无线温度传感器对开闭所 内干式变压器各相温度进行进行数据采集，通过 IEC60870-5-104传输规约将数据传输至监控中心。 - 33 1 1 2 2 2 2
总第 49 卷 2012 年
第 558 期
电测与仪表 Electrical Measurement & Instrumentation
Vol.49 No.558 Jun. 2012
第6期
串行比特数据编码传输的远动设备和系统， 实现对地 理广域过程的监视和控制， 以适应和引导电力系统调 度自动化技术的发展， 规范调度自动化及远动设备的 技术性能。 制定远动配套标准的目的是使兼容的远动 设备之间达到相互操作 。 其网络层协议为 TCP/IP 协 具有实时性好、 议， 应用层协议采用101协议的ASDU。 可靠性高、 数据流量大、 便于信息量扩充、 支持网络传 输等优点
