基于LabVIEW的換流變壓器溫度巡檢系統設計

林萬德 沈潔 王理麗 李淵 馬驥

摘? 要：換流變壓器作為直流輸電系統的重要設備，其工作狀態對整個交直流電氣隔離系統至關重要，溫升試驗是檢驗換流變壓器品質的重要項目之一。文章設計了一款基于LabVIEW的換流變壓器溫度巡檢系統，該系統通過采集Pt100鉑熱電阻溫度傳感器的測溫數據，實現對64路通道溫度的實時監測。該溫升試驗的結果表明：頂層油溫、繞組溫度以及環境溫度均可準確獲取，同時可實現數據的實時保存和分析。目前，該系統已被東北電力科學研究院有限公司高壓試驗場運用于換流變壓器現場溫升試驗中，其工作性能穩定，監測數據準確，明顯提升了測試效率。

關鍵詞：LabVIEW;溫度巡檢;換流變壓器

中圖分類號：TP274+.2? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）09-0031-03

Abstract： As an important equipment of DC transmission system， converter transformer plays an important part of the entire AC and DC electrical isolation system. Temperature rise test is one of the important items to check the quality of converter transformers. One temperature inspection system for converter transformer was designed here based on LabVIEW， which could achieve real-time monitoring of the temperature of 64 channels by collecting temperature data from Pt100 platinum thermal resistance temperature sensor. The results show that top oil temperature， winding temperature and ambient temperature can be accurately achieved as well as real-time data storage and analysis. At present， the system has been applied to the field temperature rise test of converter transformers by the Northeast Electric Power Research Institute Co.， Ltd.， with stable working performance， accurate monitoring data and high test efficiency.

Keywords： LabVIEW; temperature inspection; converter transformer

引言

換流變壓器作為電網直流輸電系統的重要設備，其作用是向換流器供給交流功率或從換流器接受交流功率，同時將網側交流電壓轉換成閥側所需電壓[1，2]。鑒于換流變壓器在電網中的重要作用，其安全性備受關注。

溫升是影響變壓器類產品安全運行的重要性能指標，其對換流變壓器產品的重要性不言而喻。目前，國內換流變壓器溫升測試基本上還是使用溫度采集裝置如溫度巡檢儀自帶的通用軟件進行測量，其主要缺點是測試軟件沒有針對換流變壓器溫升試驗的特點進行設計。在測試過程中，換流變壓器各測點的溫度還要靠人員監控，耗時耗力，測試效率較低[3，4]。因此，構建功能完善的換流變壓器溫度巡檢系統，以快速、準確地采集監控測試過程的溫度參數，顯得尤為重要。

本文針對換流變壓器現場溫升試驗，分別以基于LabVIEW應用軟件的Windows平臺和溫度巡檢儀為上位機和下位機，設計了一套換流變壓器溫度巡檢系統，該系統具有實時溫度監測、歷史數據保存以及溫度閾值報警等功能。

1 系統硬件設計

針對換流變壓器測溫系統，在其工作過程中，首先通過內置LabVIEW應用軟件的溫度巡檢儀（即下位機）來獲取溫度數據，接著將該數據按照一定的格式進行轉換并傳送至上位機進行顯示。因此，在硬件方面，下位機主要包括溫度測量和數據通訊兩大模塊。

1.1 溫度測量模塊

由于監測溫度為非電量信號，因此需借助測溫傳感器首先將溫度信號轉換為電參量信號，再借助信號調節模塊最終轉換為可以被計算機識別的電量。在測溫傳感器方面，基于換流變壓器溫升試驗溫度通常在100℃以下，故選用Pt100鉑熱電阻溫度傳感器，該傳感器具有性能穩定、輸出特性好、測量精度高等優點[5]，因此被廣泛應用于中低溫區的溫度測量。本系統所用為WZP-187-3PBO型鉑熱電阻溫度傳感器。在信號調節模塊，采用隔離型溫度變送器，該變送器不僅可以實現溫度信號的轉換，同時具有信號穩定精度高、三端隔離抗干擾等優點。本系統所用為LU-GS11型溫度變送器，其與上述溫度傳感器采用三線制接線法進行連接。

1.2 數據通訊模塊

本系統利用LABVIEW編寫下位機軟件，可通過網口通訊和串口通訊與上位機進行通訊。網口通訊可借助網線將下位機與上位機相連，通過修改下位機的IP地址，使之與上位機處于同一網段;串口通訊則是通過連接下位機和上位機的RS232串口并選擇合適的波特率來實現數據通訊。此外，下位機軟件可連接多臺設備，因此該軟件可支持64路通道的實時溫度監測。

2 系統軟件設計

在換流變壓器測溫系統中，下位機主要負責溫度測量和數據傳輸，而上位機在實現數據顯示和傳輸的基礎上，還支持如下功能：

（1）通道選擇與設置。該軟件共支持64路通道（8只8通道模塊）的溫度測量，故主界面可直觀顯示各通道信息。

（2）溫度報警。當通道的采集數據大于該通道的上限或小于其下限時，系統會通過外部報警設備向管理員發送報警信息。

（3）數據顯示。該系統可實時顯示下位機傳送的測溫信息，通過后臺界面隨時查詢所測設備的溫度變化情況以及告警信息。

（4）歷史數據保存與導出功能。

結合上述功能，該應用軟件前面板的具體設計如圖1所示：

可以看到，左側為64路通道溫度顯示模塊，右側為功能設置模塊，界面簡潔，易于使用。溫升試驗過程中，上位機通過接收下位機所傳數據對各路通道的溫度進行實時監測。此外，其還支持某時段內溫度曲線的直觀顯示。因此，在軟件方面，上位機主要包括數據通訊和數據顯示兩大模塊。

2.1 數據通訊模塊

結合硬件系統屬性，上位機和下位機可以采用兩種方式進行通訊，即網口通訊和串口通訊，這里主要介紹網口通訊。網口通訊過程分三步：第一步，上位機與下位機建立TCP連接，即TCP檢測;第二步，上位機向下位機發送數據請求命令，即數據請求;第三步，上位機解析由下位機發來的數據并將其按照一定的格式取出，即數據解析與提取。圖2所示是TCP檢測模塊的程序框圖。

由圖可知，上位機每隔0.5秒會嘗試對地址為192.168.191.101：8899的下位機進行一次TCP連接的建立，同時設定建立連接完成的最長時限為3秒，超出該時長即認為建立連接失敗，并拋出錯誤。若連接建立成功，則進入下一步。

在數據請求過程中，上位機按照通信協議對指令字節碼進行組裝，隨后通過TCP連接，將其發送至下位機。若發送成功，則記錄本次操作，同時為下次指令發送做準備;若發送失敗，則標記“命令超時”。具體程序框圖如圖3所示。

數據請求命令發送成功后，上位機根據所接收的命令讀取下位機傳送的不同字節長度的數據。接著，通過Modbus CRC算法確認該串字節碼的完整性和有效性。最后，取出該字節碼的實際數據部分并進行相應處理。如圖4所示，針對上位機所接收數據，根據預先設定的小數點后位數并結合相應的運算規則，即可得到實際溫度測量值，并將該數值發送到前面板進行顯示。

2.2 數據顯示模塊

通過系統前面板，不僅可以實時顯示通道溫度值，還可以選擇觀測單一或多路通道在某一時段內的溫度變化曲線。結合圖5可以看到：工作過程中，上位機首先根據更新間隔和顯示時間來確定一個二維數組的長度。然后，將所接收的新數據不斷地追加到該數組結尾，同時將部分舊數據刪除。最后，將該數組送至圖6所示曲線圖界面進行顯示。該設定有助于全面監測換流變壓器在整個溫升試驗中的溫度變化情況。

3 結束語

本文引入了一種基于LabVIEW的換流變壓器溫度巡檢系統，該系統通過將下位機所采集的溫度信息傳輸至上位機進行解析，實現對所測通道溫度的實時顯示與監測。文中分別從硬件和軟件兩個方面介紹了該系統的設計理念以及設計方法，并通過東北電力科學研究院有限公司高壓試驗場現場溫升試驗予以證實。研究結果表明，該系統具有操作界面簡潔、易用，數據獲取準確、快速等優點，可廣泛適用于各類換流變壓器溫升試驗項目。

參考文獻：

[1]劉恩洲，王連鵬.兩種不同換流變油流溫升技術淺析[J].變壓器，2018，55（8）：48-51.

[2]周峰，張丹丹，劉弘景，等.溫度對換流變壓器繞組端部電場分布的影響研究[J].高壓電器，2020，56（1）：80-86.

[3]楊潔民，王振.換流變繞組溫度測量裝置故障原因分析及測量裝置原理介紹[J].變壓器，2014，51（8）：48-51.

[4]趙宇，張邦民，蔡珍.基于LabVIEW的變壓器溫升數據采集系統[J].現代電子技術，2015，38（4）：155-158.

[5]劉振全，王漢芝.金屬熱電阻溫度傳感器在多路溫度監控系統中的應用[J].傳感器世界，2006，12：25-27+36.