摘要：高壓直流系統單極大地回線運行時，對于同一地區的交流系統可能產生影響，兩個處于不同直流電位的變電站經輸電線路構成回路，將有直流電流流到變壓器中性點和變壓器繞組。變壓器會出現直流偏磁現象，造成變壓器噪聲增大，振動加劇等。上海電網是典型的多端直流和多饋入直流系統，已有多個直流接地極投入運行，變壓器的直流偏磁影響已經顯現，對變壓器的危害是長期的，而目前還沒有一套行之有效的質量檢驗方法。因此有必要建立一套有效的變壓器直流偏磁的實時監測系統。本文提出了一整套基于NI公司CompactRIO的全自動、高精度、實時變壓器直流偏磁監測系統。

關鍵詞：變壓器；中性點；直流偏磁；電流檢測；振動檢測；加速度

作者簡介：劉 闖(1987-)，男，碩士，工程師，主要研究電力設備在線監測。

中圖分類號：TM721.1                 文獻標識碼：A

DC Bias Monitoring System of Power Transformer Based on CompactRIO

LIU Chuang

(Institute of Electric Power Science Research, Shanghai Municipal Electric Power Company, Shanghai 200437, China)

Abstract: When the single earth-return line of HVDC (High voltage direct current) system is functioning, the AC system in the same area will probably be influenced. Because two converting station at different DC potential constitute a loop via transmission line, causing certain direct current moving into the transformer neutral point and winding. The transformer DC magnetic biasing phenomenon will appear, leading increased noise and vibration of transformer. Shanghai grid is the typical multi-DC and multi-infeed HVDC system, with several DC grounding-electrodes in service. The influence of transformer DC magnetic biasing already exists and will do harm to transformers in a long term, while there’s no set of effective quality inspection method. Therefore, it is necessary to establish a set of real-time monitoring system for transformer DC magnetic biasing. In this paper, a set of automatic, high-accuracy and real-time monitoring system designing scheme is proposed. The monitoring system can display the amplitude and polarity of main transformer's neutral point direct current, and the amplitude changes of vibration. It can also show the relationship between the distribution rule of main transformer's neutral point direct current and the amplitude of vibration, providing the basis for judging the degree of transformer DC magnetic biasing.

Key words: power transformer; neutral point; DC bias; current detection; vibration detection; acceleration

題記：項目開發不能只憑借著一時的頭腦發熱，而是正確的方法和大量時間的投入，最為重要的是設計一個易于開發、實現的方案。做實際的裝置與科研不同之處就在于必須要考慮很多實際的問題，不僅要考慮性能，還要考慮到所選擇的材料是否易于購買，及配貨周期，大量地與多個廠家溝通、協調。另外，還是要根據公司的特點設計方案，不同于外企研究院，專門有工程部門配合研究人員推進產品的開發，作為以科技報告為主要產出的電科院，并不開發相關的裝置和產品，這就缺少相應的支撐部門和人員，所需要做的就是掌握核心技術，具有復制、修改的能力，完全擁有自主知識產權，具體的實現細節并不是重點。根據上述的分析，NI公司的產品最適合本文監測設備的開發，NI公司的硬件產品性能優良、完善，而且與開發軟件LabVIEW集成度高，這就將工作量集中到LabVIEW程序開發中，極大地簡化了工作量，也讓本次項目開發的最終完成有了可能。確定了NI產品組成的方案后，很方便在NI的官方網站上下載一個有相關性的例程，在NI產品的采購過程中，NI公司熱情地提供了產品試用的機會，很方便就可以進行驗證方案的試驗，證明了方案的可行性，下面的過程就是不斷地優化、完善，工作方向和思路明確，可保證不會白白浪費時間。

應用領域：電力設備診斷、遠程數據監測、分布式數據采集

挑戰：本監測系統的目標是：變壓器中性點電流和變壓器箱體的振動，振動通過檢測加速度來反應。電流檢測的難點：測量的電流范圍大，而且要保證整個測量范圍內的相對精度，需要多個量程霍爾電流傳感器配合檢測。加速度檢測的難點：加速度傳感器采用壓電式的IEPE傳感器，采集卡需要提供恒流源激勵；要求可擴展到多個加速度傳感器測量點，采樣端口多，最高達到24個；采樣速率要求高，需達到50kHz及以上；采樣的數據量大，通信的信息量大；所采集的數據存儲也較為困難，為了方便查詢，數據存儲的格式需要特別設計。

應用方案：本方案在吸取當下的直流監測系統優點的同時，還考慮直流偏磁對變壓器影響即增加了振動的監測，通過同時監測主變中性點直流電流和變壓器的振動，實時掌握變壓器發生直流偏磁的情況。本方案提出的監測系統是一整套全自動、高精度、實時監測系統，能實時顯示主變中性點直流電流流幅值和極性，及振動的幅值變化，能清晰地顯示各變電站主變中性點直流電流的分布規律及與振動大小的關系，為判斷變壓器直流偏磁的程度提供依據。直流電流的監測方案已很成熟，主要考慮的是所要求的大范圍內保證精度的要求；再根據上述分析的加速度檢測方案，考慮到還需要開發監測臺PC的界面，選擇基于Labview的開發平臺，可直接使用該軟件開發PC界面，將數據通過光纖以太網傳輸到監測臺PC。本項目的核心在于將眾多IEPE采集卡端口與電流采集端口集成到一個平臺，對這些信號進行分析和處理，IEPE采集卡端口可根據測試點的數量選擇。

使用的產品：

LabVIEW 8.6.1軟件開發平臺

LabVIEW RT 8.6.1實時模塊

LabVIEW FPGA 8.6.1工具包

LabVIEW Sound and Vibration 7.0工具包

LabVIEW Database Conectivity 1.0.2工具包
CompactRIO-9014嵌入式控制器

CompactRIO-9114可重新配置嵌入式機箱

Compact-9239高速電壓信號隔離采集模塊

Compact-9234 IEPE專用采集模塊

Compact-9401高速TTL雙向數字I/O模塊

正文：

一、        引言

上海電網長期供不應求、電力不足，已經發展成為典型的受端電網。目前已經投運兩條±500kV高壓直流輸電工程。上海電網將成為典型的多端直流和多饋入直流系統，將有多個直流接地極投入運行。高壓直流系統單極大地回線運行時，巨大的直流電流經直流接地極流入大地，并在較大范圍內造成地電位的明顯變化。這種地電位的變化，對于同一地區的交流系統可能產生影響。兩個處于不同直流電位的變電站經輸電線路構成回路，會產生直流電流通過變壓器中性點和變壓器繞組。使得變壓器出現直流偏磁現象，造成變壓器噪聲增大，振動加劇等^[1][2][3]。

上海電網中，以上影響已經顯現，如220kV干練站的主變中性點電流超過44.5A，并產生達94dB以上的噪聲；葛南線直流單極運行時造成附近220kV銀河、目華站主變噪聲明顯增大等。直流偏磁對變壓器的危害是長期的，目前變壓器生產廠家對承受直流偏磁的變壓器長期運行的可靠性不做保證，并且沒有一套行之有效的質量檢驗方法。因此非常有必要建立一套有效的實時監測系統^[4][5]。

二、        變壓器直流偏磁監測系統組成

變壓器對于一個變電站至關重要，是變電站中主要組成部分，是核心部件，每個變電站中變壓器的正常運行就顯得至關重要。

變壓器直流監測組成框圖如圖1所示，它主要由五部分組成：(1)變壓器中性點霍爾電流傳感器(CT)和振動傳感器；(2)實時采集設備，實時采集CT和振動傳感器監測到的信號，并進行相應的算法；(3)無線通訊設備，將實時采集設備與控制器的監測PC相連；(4)控制室的監測PC可以通過無線通訊接收實時采集設備監測到的數據，并可改變采集的參數；(5)各變電站的監測PC通過市公司在變電站中鋪設的光纖網進行數據傳輸和匯總，在遠程狀態監測中心（如電科院）可以查看監測的各個變電站直流偏磁情況，并可對監測設備進行控制。

三、        變壓器直流偏磁監測系統設計方案

直流電流的監測方案已很成熟，主要考慮的是所要求的大范圍內保證精度的要求；再根據上述分析的加速度檢測方案，考慮到還需要開發監測臺PC的界面，選擇基于Labview的開發平臺，可直接使用該軟件開發PC界面，將數據通過光纖以太網傳輸到監測臺PC。本項目的核心在于將眾多IEPE采集卡端口與電流采集端口集成到一個平臺，對這些信號進行分析和處理，IEPE采集卡端口可根據測試點的數量選擇。

基于Labview開發平臺，采集卡和控制器全部采用高性能工業級NI器件。如圖2所示，電流的采樣卡選擇NI-9239；加速度采集卡采用自帶恒流源的IEPE專用采集卡NI-9234；工業實時控制器采用cRIO-9014；可配置機箱采用cRIO-9114，可擴展8塊采集卡。

NI-9014為嵌入式實時控制器，具有-40 ~ 70°C的操作溫度范圍，400MHz處理器、128M DRAM、2GB非易失存儲介質。CompactRIO嵌入式控制器的設計極為堅固、可靠且電源能耗低，其9VDCå’Œ35VDC兩種電源輸入可用于CompactRIOæ©Ÿç®±/模塊的隔離供電。

?  NI-9114為8槽嵌入式機箱，具有-40 ~ 70°C的操作溫度范圍，3百萬可重新配置I/O(RIO)，FPGA核心具有高超的處理能力，使用LabVIEW自動生成自定義控制和信號處理電路。

? NI-9234為4通道C系列動態數據采集卡，自帶2mA IEPE恒流源激勵，可進行高精度的加速度測量，4條輸入通道借助自動調節采樣率的內置抗混疊濾波器(Delta-Sigma)，可同時以每通道高達51.2 kS/s采樣信號。

? NI-9401為8通道C系列高速數字I/O模塊，100ns超高速數字輸入輸出，輸入和輸出的方向按半字節(4位)進行配置，可用LabVIEW對NI-9401編程，進行3種配置：8路數字輸出、8路數字輸出或4路數字輸入和4路數字輸出。

? NI-9239為4通道C系列模擬輸入模塊，具有高速、準確的設計特點，分辨率、掃描率和輸入范圍方面同樣具有優勢。4條通道之間彼此隔離，借助通道間的隔離，包括待測設備在內的整套系統可以免受隔離等級內的電壓尖脈的損害。4條輸入通道借助自動調節采樣率的內置抗混疊濾波器(Delta-Sigma)，可同時以每通道高達50 kS/s采樣信號

本監測系統是安裝在變電站中監測主變壓器，變電站中規定不能隨意施工、布線，因此現場的監測設備與控制樓中的上位機服務器之間的通信方式采用無線Mesh方式，Mesh網絡可自動連接組成子網，且傳輸速度快，在變電站中多個變壓器進行監測時，互相之間可自動形成網絡，不需要額外的中繼點，安裝方便、節約成本。

根據監測的要求及相關技術難點的分析，經過大量的調研工作，確定了電流的監測方法和霍爾電流傳感器的參數，尋找具有相應經驗的廠商訂做；對于振動的監測，采用加速度來反應振動的情況，根據上述分析，選擇了合適的加速度傳感器，并進行了相應的計算，確定方案的可行性。

對于整體方案的選擇，理論上分析通過后，進行了驗證性的測試，如圖3所示，為整體測試結構圖，測試對象選擇調壓器，三維加速度傳感器通過磁鐵底座吸附在調壓器的側壁，傳感器信號線連接到采集卡，采集卡通過FPGA對數據進行緩存后傳輸到控制器中處理，通過FFT、功率譜等算法后將結果通過以太網傳輸到上位機，在用戶界面中顯示出來。

接下來將重點介紹變壓器直流偏磁監測系統的電流和加速度的信號采集、處理算法的研究、無線通信方式、監測數據的存儲設計。

1、電流和加速度的信號采集

1.1 電流信號采集

電流檢測的難點：測量的電流范圍大，而且要保證整個測量范圍內的相對精度，需要多個量程霍爾電流傳感器配合檢測。通入下述的方法可以解決電流檢測的技術難點^[7][8]。

如圖4所示， 電流監測模塊包括：3個霍爾電流傳感器、2個電源控制裝置、MUX、ADC模塊、量程判定和控制器，其中：霍爾電流傳感器1的量程最大，一直上電工作不需要電源控制裝置，霍爾電流傳感器2和3都需要電源控制裝置，MUX用于選擇輸入的霍爾電流傳感器通道，ADC模塊將霍爾電流傳感器的模擬信號轉換為數字信號輸入到控制器。通過量程判定預先判斷電流的量程并依據判定的量程選擇相應的電流傳感器，然后通過多路模擬開關選擇電流傳感器通道進行采樣，接著通過數模轉換模塊轉換為數字信號后輸入到控制器，以及控制器發送觸發信號對電流傳感器進行斷電處理，提出一種變壓器中性點的、大范圍的、可保證大范圍內精度的電流檢測方法。

電流檢測方法，包括：

步驟一、通過量程判定預先判斷電流的量程；

步驟二、依據判定的量程選擇相應的電流傳感器；

步驟三、通過多路模擬開關選擇電流傳感器通道進行采樣；

步驟四、通過數模轉換模塊轉換為數字信號后輸入到控制器；

步驟五、控制器發送觸發信號對電流傳感器進行斷電處理。

       為了配合此種電流監測的方法，專門設計了量程判定單元和霍爾電流傳感器專用的電源控制模塊。

       電流采集卡選擇NI-9239，4條通道隔離采樣可把3個霍爾電流傳感器的采樣隔離，彼此之間不影響，防止變壓器的地電位對電流采集的干擾，保證了采集的準確性。量程較小的霍爾電流傳感器2å’Œ3需要電源控制模塊，而電源控制模塊的輸入信號是通過NI-9401發出的。cRIO控制器及機箱并沒有可用作控制的輸出端口，必須通過I/O類的模塊實現，通過NI-9239、NI-9401就可以實現電流信號采集的閉環控制，克服上上述分析的電流檢測的難點，實現了保證相對精度的滿量程電流測量。

1.2 加速度信號采集

加速度檢測的難點：加速度傳感器采用壓電式的IEPE傳感器，采集卡需要提供恒流源激勵；要求可擴展到多個加速度傳感器測量點，檢測端口多，最高達到24個；采集速率要求高，需達到50kHz及以上。

加速度信號的采集卡選擇NI-9234，每個采集卡可檢測4路信號，而且給加速度傳感器提供2 mA IEPE恒流源激勵，將加速度傳感器的電容量信號變為電壓信號，采集卡NI-9239檢測到電壓信號后轉變為加速度的量程值。檢測到的加速度信號數據量很大，數據處理、數據存儲和數據傳輸將在下文中介紹。

2、處理算法的研究

對于電流檢測，檢測到的結果是交流電流與直流電流，通過中性點的交流電流為50Hz整數倍的正弦波，需通過一定的算法將交、直流電流分離，對于此算法，經過研究，已找到了較好的分離算法。

加速度檢測到的信號最終被頻域處理，以此觀察振動的幅值，由于振動的頻率較高，因此加速度檢測的采樣率也較高，采用傳統的FFT處理算法，要達到較好的頻率處理效果，并保證頻域的分辨率，所需要采樣的數據量與采樣率有關，數據量很大，會給無線通信和數據的存儲增加難度，例如，采樣率10kS/s，需要采樣10000個點，才能達到頻率分辨率為1。由于我們只關心50Hz整數倍處的頻率，因此，只要精確地得到該處的頻域幅值即可，如何在盡量少的數據量下，得到精確的局部頻域幅值，這就需要研究局部細化的FFT算法，使得采樣率較高，采樣的數據量較少時，仍然可以得到想要的結果。

       LabVIEW中涵蓋了大量的函數模塊，還集成了很多數據處理和分析的工具包以及功能強大的Express VI，這都使得在LabVIEW中實現算法變得很輕松。本文中的直流偏磁監測設備所需要的主要算法有兩個：一是電流采集后需要分離出其中的交流、直流成分；二是加速度信號采集后需要進行局部細化FFT變換。這兩種算法在LabVIEW中都有可用的VI模塊，還可以模擬分析實現最優效果的算法階數。

3、無線通信方式

如圖1所示，在現場的實時采集設備與控制室的監測PC之間采用無線通訊方式，本監測系統選擇使用新穎的Mesh無線網絡通訊方式，并進行了測試。如圖5所示，無線模塊之間可達到的通信量最高為25Mbps(3.125MB/s)。

NI 9234或NI 9239的采樣位數為24位，考慮到方向位等，因此每個采樣點由32位組成，即每個采樣點的數據量為32bit(比特)，采樣率最高為51.2kS/s，即每秒采樣51.2k個數據點，每個數據點由32bit組成，因此一個通道需要的實時通信速率為：1.6384Mbit/s，監測6路振動信號和1路電流信號，所需要的實時持續的通訊速率為：11.4688Mbit/s，即1.4336MB/s(B，字節，1B = 8bit)，Mesh無線網絡可滿足需求。實際數據采集中會設置采集間隔，間隔在1分鐘以上，通信量會較小一些，因此，對于全部可擴展的24路加速度檢測，該通訊方法仍能達到要求。

LabVIEW高度集成了各種通信方式，具有強大的通信功能，這種功能使得LabVIEW很容易編寫出具有強大通信能力的應用軟件，實現現場監測設備與上位機服務器之間的通信。

4、監測數據的存儲設計

變壓器直流偏磁監測系統的監測對象是電流和加速度，電流通過算法分離出其中的直流分量，加速度信號需要頻域處理，因此監測系統保存的數據有兩種，一種是時域數據，另一種是頻域數據。時域數據的橫坐標是時間，縱坐標是采集到的數據點；頻域數據的橫坐標是頻率，縱坐標是加速度采集數據頻域變換后的幅值。因此，存儲的時候，使用三種表格存儲相應的數據。

時域數據的數據量最大，按照某個固定的時間間隔產生一張表格，表格只存儲采樣的數據點，即時域波形的縱坐標。對于一個關系型數據庫而言，行數和列數都在一定的限制范圍內，處于限定的范圍內的執行效率才是最高的。針對于時域采樣數據的特點，列數很少，而行數非常多，如果按照行數累加存儲，當行數達到限定范圍，再轉移到后面的列從頭開始存儲，那么將瞬間增加很大的存儲空間，對于數據存儲來說是不好的，因此采用的存儲方法是按列逐次存儲，即存儲一次采集的數據，緊接著在后面的列中存儲數據，達到列限定的數量時，轉移到下一行存儲。這種存儲方法可以最大效率的利用數據庫中的表文件，但是讀取數據的時候，如果整個表格內搜尋將非常麻煩，影響執行的效率，因此，在將數據塊存儲的時候，需要將這個采樣時刻的對應存入表的列記錄，讀取的時候，在相應的幾列中搜尋即可。時域數據的存儲，并沒有存儲橫坐標，其橫坐標的信息將在主數據表中提取。

頻域數據的存儲，為了防止在傳遞過程中的畸變，頻域變換在現場控制器中實現，將頻域的結果傳輸到上位機中存儲，電力變壓器所監測的加速度信號的頻域分析由于其自身運行的特點，頻譜都在50Hz的整數倍，其他頻率的幅值基本為零，可忽略，可只將50Hz的整數倍頻率幅值存儲，通常只關心2k頻率內的頻譜，只需存儲不超過40個數據點，非常節約存儲成本，而且讀取迅速。橫坐標是固定的，讀取50Hz整數倍的幅值可直接查看頻域圖譜。

主數據表中存儲每個采樣時刻的時間，時域波形的采樣頻率，以及所需要的特征值。在每次采樣后，要對電流信號進行算法分離出其中的直流分量，對于加速度監測，需要計算出這個時刻振動量最大的值，或者其他的特征量，在查看歷史數據的時候，直接從主表中提取這些特征值信息繪制成圖表，對于某個異常的值可查看當前的時域波形和對應的頻率圖譜，時域波形的橫坐標根據其采樣頻率即可推到出來，算法非常簡單。并且還要存儲時域數據存儲到的相應列數。

       LabVIEW的數據存儲功能極其強大，一方面對于測量數據的存儲，有多種存儲格式，非常便于存儲、顯示和訪問，該部分的VI都集中在Measurement File/ Storage VIs；另一方面，LabVIEW還可以與其他數據庫進行交互存儲，開發了專用的Database Conectivity工具包。本文中的數據存儲采用數據庫與TDMS結合的存儲方式，電流和加速度檢測的原始測量文件存儲在TDMS中，占用的空間小，便于訪問和顯示而且TDMS操作函數眾多，可實現較為強大的功能；原始數據的分析結果以及特征值存儲在Access數據庫中，結構清晰，便于調用歷史數據和管理已存儲的原始測量數據TDMS文件。Access數據庫中的數據還便于遠程訪問和控制，可以此實現直流偏磁監測系統的遠程訪問和控制。

四、        軟件實現與現場成果

控制室中的監測PC存儲現場監測到的數據及實時控制器處理后的結果，監測PC放置在控制室中，要求：界面友好，易理解，采用B/S結構，便于遠程的查看和控制。控制室監測PC的軟件設計還要求可顯示當前的實時數據，并可設定各種程度的警報，便于提醒值班人員；可查看歷史監測數據，便于以后的研究工作，且出現故障時，便于查看相應的數據，根據上述的數據存儲設計，查看歷史數據可根據特征值來選擇相應時刻的歷史數據，查看數據具有針對性；可對監測過程的采集參數進行設定，如：間隔周期、采樣率、采樣點數、頻率分析的長度等。如圖6所示，為變壓器直流偏磁監測系統的主界面。主界面中可以清晰查看每個加速度傳感器和霍爾電流傳感器的工作狀態，并用LED指示上位機服務器(監測PC)與現場監測設備的通信狀態。對于本次檢測關注的重點：中性點直流電流和加速度頻域幅值，都在主界面中顯示出來，并且分析了加速度幅值最大值，并顯示最大值處的頻率。直流電流和加速度頻域幅值都分別設定了報警門限值，顯示清晰明了。

點擊右下方“查看實時波形”可查看當前測量的實時波形圖，如圖7所示。左側顯示加速度的波形圖，可選擇安裝的加速度檢測點時域波形和對應的頻域波形；右側顯示測量電流的波形，分別是原始電流波形和經過濾波分析處理后的交流電流波形。

對于直流偏磁的歷史數據分析很重要，找出變壓器中性點電流與加速度頻域幅值的關系主要依靠對歷史數據的分析。對于上位機服務器(監測PC)，歷史數據的查看采用特征值查看方式，如圖8所示，為變壓器直流偏磁監測的歷史數據查看。特征值為直流電流、各檢測點的加速度頻域幅值等，可查看一定時間范圍內某個特征值的變化趨勢，對于異常的點位，通過鼠標直接選擇該點即可查看對應的波形圖標。

圖7 變壓器直流偏磁監測系統的實時數據查看界面

該套變壓器直流偏磁監測系統完成開發后，已經完成了兩個變電站的安裝運行工作，如圖9為變壓器直流偏磁監測設備所監測的變壓器安裝圖，如圖10所示為變壓器直流偏磁監測設備完成后的柜體圖，NI CompactRIO系列控制器放置在柜體中，該套設備時刻測量變壓器中性點通入的直流電流，并分析變壓器箱體受到的振動影響，設定了直流電流和振動的報警限值，達到報警限值后說明變壓器處于危險運行中，變電站的值班人員可根據報警采取相應的處理措施，全面保障變壓器的安全和增加變壓器的使用壽命。

圖9 變壓器監測現場的安裝圖