配電變壓器繞組狀態在線評估系統研究

（遼寧工業大學電氣工程學院，遼寧 錦州 121000）

隨著智能電網的快速發展，其對配電網的可靠性和供電質量提出了更高的要求。配電變壓器作為配電網的重要組成設備，擔負著電能變換和傳輸的重要作用，因此，配電變壓器安全可靠運行對于配電網而言意義重大。傳統的人員定期巡檢策略已經不能適應智能電網的需求。據相關資料表明，隨著電網規模的日益龐大以及配電變壓器數量的日益增多，配電變壓器造成的停電事故呈現顯著的上升趨勢[1]。在眾多故障中，變壓器繞組變形故障占比較大，是導致配電變壓器事故的主要原因之一[2]，此外變壓器繞組變形故障在前期屬于潛行故障不易察覺。因此對配電變壓器開展運行狀態監測工作，及時、全面地了解配電變壓器繞組變形情況，對于制定配電變壓器檢修策略和保障供電可靠性而言十分必要。

本文利用數據采集技術和數據傳輸技術設計了配電變壓器運行狀態評估系統。本系統應用于具有配電數據采集與監視控制（supervisory control and data acquisition，SCADA）系統的配電變壓器時，PC監測平臺可直接通過配電SCADA系統獲取配電變壓器一次側電壓、電流和二次側電壓、電流等運行參數，然后通過短路電抗在線檢測算法計算出短路電抗值，并以國標《DL/T 1093—2018》中短路電抗注意值為依據，對變壓器繞組變形程度做出評估。當本系統應用于未安裝配電SCADA系統的配電變壓器時，可通過模擬量采集單元采集上述運行參數，然后控制單元執行短路電抗在線檢測算法并對變壓器繞組狀態做出評估，最后將變壓器運行參數及狀態通過無線網絡（GPRS網絡或北斗短報文通訊網絡）上傳至PC監測平臺，以便管理人員及時發現配電變壓器潛在的繞組故障。PC監測平臺不但可以查看被監測變壓器的實時運行參數及評估狀態，而且還可以建立變壓器運行檔案，記錄配電變壓器的運行參數及發生短路等故障的次數，可結合日后的專家系統為管理部門提供更為詳盡的故障分析及維修策略。

1 系統整體設計

本系統主要由運行參數實時采集裝置和PC監測平臺兩部分組成，系統結構框圖如圖1所示。運行參數實時采集裝置包括模擬量采集單元、控制單元和電源單元，PC監測平臺包括PC機和配電SCADA系統通訊接口[3]。

圖1 系統結構框圖Fig.1 Block diagram of system structure

模擬量采集單元由電壓采集模塊、電流采集模塊和信號調理模塊組成，用于采集未安裝配電SCADA系統配電變壓器的一、二次側電壓、電流等運行參數；控制單元由TMS320F28335、擴展接口模塊、人機交互模塊、數據存儲模塊和通訊模塊組成，用于控制運行參數實時采集裝置將參數信息通過無線方式發送至PC監測平臺；電源單元用于為運行參數實時采集裝置各單元提供穩定、可靠的電源。

PC監測平臺采用C#語言編寫，顯示變壓器的運行參數及繞組狀態，并根據運行狀態發出正常、警戒、嚴重等不同等級提示和報警，此外PC監測平臺能夠建立各配電變壓器運行檔案。

2 系統硬件部分設計

2.1 模擬信號采集單元設計

模擬量采集單元用于實現配電變壓器一、二次側電壓、電流參數采集及信號調理功能。

2.1.1 電壓互感器與電壓變換器選型

為適應不同電壓等級的配電變壓器，本系統選用不同變比的電壓互感器（X/100，X為待測電壓等級）和變比為100/5 V的電壓變換器將待測電壓轉換為0～5 V的標準交流電壓信號。因本系統測試中所用的三相配電變壓器變比為10/0.4 kV，故本文一次側選擇變比為10 000/100的電壓互感器，二次側選擇變比為400/100的電壓互感器。電壓信號轉換過程如圖2所示。

圖2 電壓信號轉換過程圖Fig.2 Process diagram of voltage signal conversion

2.1.2 電流互感器與電流變換器選型

為適應不同容量的配電變壓器，本系統通過選用不同變比的電流互感器（Y/5或Y/1，Y為待測電流等級）將待測電流統一轉換為交流0～1 A或交流0～5 A。同時，為了適應調理電路0～5 V的交流輸入電壓，本系統選用了變比為5 A/5 V或1 A/5 V的電流變換器。因本系統測試中所用的三相配電變壓器容量為30 kV·A，一次側電流不到2 A，故本文一次側不選用電流互感器直接選用變比為5 A/5 V的電流變換器，二次側選擇變比為50/5的電流互感器和變比為5 A/5 V的電流變換器。電流信號轉化過程如圖3所示。

圖3 電流信號轉換過程圖Fig.3 Process diagram of current signal conversion

2.1.3 調理電路設計

調理電路主要由阻抗變換、電源芯片、光耦芯片、模擬選擇開關和AD轉換器等組成。部分調理電路原理圖如圖4所示。

圖4 部分調理電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of partial conditioning circuit

因為在配電網中，電壓和電流信號中含有高頻分量，所以本系統在前置模擬通道加入了低通濾波器以避免信號混疊[4-6]。為避免信號疊加產生的精度誤差，本系統選擇能處理雙極性信號的AD轉換芯片AD7876，其不但能處理雙極性信號，還具有采樣保持器，可以進一步減少電路復雜程度，提高系統的可靠性和采集精度。因AD7876為單路采集通道，所以必須配合模擬選擇開關才可實現多通道測量，對于三相變壓器而言，因為需要分別計算各相短路電抗，所以需要采集一、二次側各相電壓和電流共12路模擬量，此外為保證采樣速率，模擬選擇開關的開合時間必須要短，綜上，本系統選用型號為ADG5206的16通道高速模擬選擇開關。

由圖4可以看出，二極管D1，D2、運放UX1A，UX1B和光耦U1，U2共同組成正負過零點檢測電路，為了減少遲滯，光耦芯片選用了高速型號6N137。圖4中其余部分為交流電壓信號采集電路，其中LM7805與LM7905是線性穩壓芯片，可以減少DC-DC電源模塊直接供電造成的波紋影響，從而提高AD轉換精度，且其輸出電壓滿足AD7876所需的±5 V（±5%）的要求。電壓變換器和電流變換器輸出的交流5 V電壓信號首先通過電壓跟隨器（減少信號衰減）分為兩路，分別用于過零點檢測和AD采集。為提高采樣速率AD7876采用并行通訊方式與控制單元通訊，為了適配控制單元3.3 V的通訊電平，AD7876數字電源選用3.3 V，因為電壓變換器和電流變換器已具有隔離作用，所以模擬信號單元與控制單元之間的通訊不需再做隔離處理。

2.2 控制單元設計

控制單元主要功能如下：

1）控制模擬量采集單元采集各模擬量并將采集到離散量轉化成連續量，然后通過短路電抗在線檢測算法和相關的國標對變壓器的繞組狀態做出評估；

2）監控參數實時采集裝置運行狀態；

3）通過無線通訊模塊將處理后的電參數數據及評估出的變壓器繞組狀態發送至PC監測平臺。

2.2.1 控制器選型

因為本系統中短路電抗在線檢測算法對實時性要求高且浮點計算量較大，此外還要求控制器具有豐富的通訊接口及控制能力。通過對比，最終選用TI公司型號為TMS320F28335的DSP作為控制器[7]。

2.2.2 通訊模塊選型

本系統中通訊模塊功能是將處理后的電參數信息及變壓器繞組狀態發送至PC監測平臺。考慮到配電變壓器分布廣泛，若采用有線傳輸方式，必然存在成本較高、布線復雜和維護難度大等問題，所以本系統選擇GPRS通訊方式，同時考慮到一些地區并未實現GPRS網絡覆蓋，本系統預留了北斗短報文模塊接口電路，在GPRS網絡未覆蓋的區域，可選配北斗短報文模塊實現與PC監測平臺的通訊。

根據設計需求，本系統最終選擇型號為GM3的GPRS模塊以及型號為C1的北斗短報文通信模塊，并分別設計了最小電路。

2.2.3 輔助電路設計

除以上模塊外，控制單元還包括數據存儲模塊、人機交互模塊（液晶觸摸屏）和報警模塊。其中，數據存儲模塊用于通訊故障時存儲變壓器實時運行參數，確保運行數據不會丟失，待網絡恢復后立即上傳至PC監測平臺。人機交互模塊用于操作人員查看數據及發送指令。報警模塊用于向PC監測平臺發出報警信息并發出聲光報警，便于維護人員及時發現運行參數實時采集裝置和被監測變壓器的異常情況。

2.3 電源單元設計

本系統中控制單元所需電源為3.3 V和5 V，模擬量采集單元因為通過LM7805和LM7905為AD芯片供電，所以需要不低于±7 V的電源（電壓不能過高，否則LM7805與LM7905會有嚴重的發熱現象），為保證采樣精度該電源需為隔離電源，綜上模擬量采集單元所需電源為隔離±9 V。

根據系統所需電壓，電源單元采用寬輸入電壓（100～420 V AC）AC-DC模塊、DC-DC模塊和LM2596S穩壓芯片實現電壓變換。AC-DC模塊將交流電轉為直流9 V為LM2596S和DC-DC模塊供電，然后由兩片LM2596S芯片分別提供3.3 V和5 V電源，DC-DC模塊提供隔離的±9 V電壓。為了獲得較好的電源質量，電源單元還設計有電磁兼容電路、保護電路和UPS電源電路。

3 短路電抗在線檢測算法

本文依據變壓器運行原理及繞組等值電路方程建立了變壓器繞組參數模型[8]。研究了短路電抗在線檢測算法[9-10]，該算法僅需測量配電變壓器兩種不同負荷（實際應用中可利用波峰和波谷現象）下的一、二次側電壓和電流，即可推算出短路電抗，進一步推算可得出鐵損和銅損。因短路電抗可以反映出變壓器的繞組狀態，所以通過在線檢測短路電抗值，即可對配電變壓器繞組狀況做出評估，即一定程度上對配電變壓器狀態做出評估，為配電變壓器運維提供有效的依據。

在本系統算法部分中，首先對采集到的各交流量瞬時值進行數字濾波處理，然后根據變壓器連接組別Yyn0或Dyn11，選擇不同的短路阻抗計算方式，兩種計算方式基本一致，只是Dyn11連接組別需要將三角形側的線電流轉化為相電流，然后才可進行計算。

以單相雙繞組變壓器為例，其等效電路如圖5所示。圖5中，Z1和Z12分別為一次側繞組阻抗和二次側阻抗在一次側的等效阻抗；Zm為勵磁繞組阻抗；U1和I1分別為一次側電壓和電流向量值；U2和I2分別為二次側電壓和電流向量值；U12和I12分別為二次側電壓和電流在一次側的等效值；Im為勵磁電流；k為變比。

圖5 變壓器等效電路圖Fig.5 Equivalent circuit diagram of transformer

由圖5可得：

因為變壓器一次側阻抗Z1和二次側阻抗Z2是一個常量，所以二次側繞組阻抗在一次側的歸算值Z12也是一個常量。

假設：

可將式（3）寫為以下形式：

式中：p，q，m，n為待定參數；R1+jX1為一次側繞組阻抗Z1；R12+jX12為二次側繞組阻抗在一次側的歸算值I12。

變換式（5）右端表達式，可得：

通過采集變壓器一、二次側電壓和電流向量值即可求得p，q，m，n的值。將p，q，m，n代入式（6）可得：

分別在兩種不同負載容量下測量配電變壓器的一次側電壓U1i、一次側電流I1i、二次側電壓U2i及二次側電流I2i，其中i=1，2。則

由式（8）解出p1，q1，m1，n1和p2，q2，m2，n2。

由于變壓器繞組阻抗為常量，可列寫矩陣方程求解：

由式（9）可解出X1，X12，即可算出短路電抗XR=X1+X12。如應用于三相配電變壓器，其繞組等效圖如圖6所示（以Yyn0連接組別為例）。

圖6 Yyn0連接組別等效圖Fig.6 Equivalence diagram of connection group in Yyn0

設置變壓器的一次側、二次側三相電壓、電流分別為Uxi，Ixi，Uyi，Iyi，其中x=A，B，C；y=a，b，c；i=1，2。則有下式：

由式（10）可解出pxi，qxi，mxi，nxi。由式（9）可得：

其中：Rx+jXx=Zx為x相一次側阻抗，Ry′+jXy′=Zy′為x相二次阻抗在一次側的歸算值。

由式（11）可求出唯一解：RA，XA，Ra′，Xa′，RB，XB，Rb′，Xb′及RC，XC，Rc′，Xc′。進而可以計算出各相短路電抗值為

計算各相短路電抗的平均值，該平均值即為此三相配電變壓器的短路電抗值，即

若配電變壓器的連接組別為Yyn0則可直接通過上述方法計算出短路電抗，若為Dyn11則不能直接采用上述方法計算短路電抗，需要將三角形側的線電流轉化為相電流，然后才可計算短路電抗值。

Dyn11連接組別繞組等效圖如圖7所示。

圖7 Dyn11連接組別等效圖Fig.7 Equivalence diagram of connection group in Dyn11

圖7中，ILA，ILB和ILC分別為A相、B相和C相線電流，其與相電流的關系如下：

由式（14）和IA+IB+IC=0可得：

由式（15）計算出A相、B相和C相的相電流后再根據上述方法可以求解配電變壓器的短路電抗。

此外在測量短路電抗的同時，可以通過運算計算出銅損值，即負載損耗，忽略附加損耗，則變壓器一次側輸入功率減去二次側輸出功率，再減去負載損耗，即可得出鐵損值即空載損耗。

4 軟件部分設計

4.1 TMS320F28335主程序設計

TMS320F28335主程序的主要作用是控制模擬量采集板采集各電氣參量以及執行短路電抗在線檢測算法。

主程序運行過程如下：首先對系統時鐘、中斷、定時器、串口、FPU和XINTF進行初始化設置，然后進入采集電參數狀態，首先計算交流信號頻率，然后調整定時器時間，即調整采樣間隔，當到達定時時間時，TMS320F28335控制高速模擬開關ADG5206和AD芯片AD7876依次采集各通道模擬量，然后判斷是否采集48次（本系統為48點采樣），如已采樣48次，則將各電氣參量還原為連續變量并計算出功率，隨后調用變壓器評估子程序計算短路電抗值并對變壓器繞組狀態做出評估（如負載未發生變換，則不計算電抗值，此時電抗值仍為上次有效計算值），最后調用通訊子程序將各電氣參量和變壓器繞組狀態發送至PC監測平臺。TMS320F28335主程序流程圖如圖8所示。

圖8 TMS320F28335主程序流程圖Fig.8 Flow chart of TMS320F28335′s main program

4.2 PC監測平臺設計

本系統中PC監測平臺作用是顯示被監測配電變壓器的實際運行參數及狀態，并為各配電變壓器或配電變壓器組建立運行檔案，為后續的專家評估系統提供數據來源。當數據來源為SCADA系統時，PC監測平臺需運行短路電抗在線檢測算法，當數據來源為運行參數實時采集裝置時，為避免網絡或PC監測平臺故障導致無法對變壓器繞組狀態做出評估，短路電抗在線檢測算法在DSP中執行，PC監測平臺接收返回結果即可，用戶也可選擇運行參數實時上傳。

PC參數監測界面如圖9所示。

圖9 參數監測界面Fig.9 Interface of parameters monitoring

由圖9可以看出，PC監測平臺共有6個選項卡：“用戶管理”選項卡功能為登錄賬號管理；“通訊自檢”選項卡功能為檢測PC監測平臺與運行參數實時采集裝置或配電SCADA系統通訊是否正常；“參數監測”選項卡用于查看指定的被監測配電變壓器的運行參數及評估狀態；“歷史數據查詢”選項卡用于查詢歷史運行參數及運行狀態；“變壓器參數設置”選項卡用于設置被監測配電變壓器名稱、型號、額定容量、額定變比、連接組別和投入時間等參數；實時“采集裝置參數設置”選項卡用于設置各級電壓互感器和電流互感器的變比、參數標定系數等。

5 實驗驗證

為了驗證本系統的可行性，在國家電網公司的支持和協助下，本系統進行了實際驗證。驗證中所用變壓器為三相油浸式配電變壓器，容量30 kV·A，變比為10/0.4 kV，連接組別為Yyn0。本系統測量值與國家電網設備測量值對比表如表1所示。

表1 本系統測量值與國家電網設備測量值對比Tab.1 Com parison between the measured value of this systemand the measured value of state grid equipment

由表1可以看出本系統各項參數檢測值與國家電網公司0.5級檢測設備測得的數據基本一致，從而驗證了本系統參數采集的精度及算法的可行性。

因為配電變壓器繞組狀態評估實驗周期較長，且表1已經驗證了本系統的采樣精度和算法可行性，所以本文編制配電變壓器繞組狀態評估模擬實驗界面。通過人為改變短路電抗值或銅損、鐵損值模擬變壓器故障。在圖9所示的參數監測界面中點擊“模擬實驗”按鈕進入模擬實驗界面，在模擬實驗中將A相短路電抗的模擬值設置為測量值的112%，鐵損值的模擬值設為測量值的102%，此時A相短路電抗的變化量已經遠遠超出和國標《DL/T 1093—2018》中短路電抗注意值，判斷變壓器繞組應已經發生嚴重變形，單項狀態評估應為“嚴重”而銅損的變化量稍微超過相關標準中的注意值，單項狀態評估應為“警告”，根據最大隸屬原則，變壓器最終評估狀態應為“嚴重”狀態。模擬實驗效果圖，如圖10所示。

圖10 模擬實驗效果圖Fig.10 Effect diagram of simulation experiment

由圖10可以看出本系統對配電變壓器的狀態評估為“嚴重”，驗證了本系統對變壓器繞組狀態評估的準確性。

6 結論

本文針對目前配電變壓器日常巡檢工作存在的問題，研究并設計了配電變壓器繞組狀態在線評估系統，同時編制了PC監測平臺，并通過GPRS網絡和北斗短報文通訊網絡實現與PC監測平臺的無線互聯，實現了配電變壓器運行參數和評估狀態的上傳。通過實驗驗證，證明了本系統的可行性。

該配電變壓器繞組狀態在線評估系統不但可用于已安裝配電SCADA系統的配電變壓器（此時僅需要PC監測平臺即可），還適用于未安裝配電SCADA系統的配電變壓器，且具有價格低廉、安裝維護性好以及易于升級和擴展（專家系統和變壓器壽命評估系統）等諸多優點，此外，用戶可根據需求在PC監測平臺進行參數標定等設置，以減少系統誤差，且PC監測平臺可建立變壓器運行檔案，為運行管理人員制定檢修策略和分析故障提供參考。