自动化专业论文大型变压器在线监控系统.docx
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自动化专业论文大型变压器在线监控系统
目录
摘要1
Abstract2
1绪论3
1.1电力设备状态监测及故障诊断3
1.1.1状态监测故障诊断的概念3
1.1.2电力系统进行状态监测和故障诊断的重要意义3
1.2变压器在线监测研究现状4
2变压器在线状态监测工作原理5
2.1变压器基本结构与分类5
2.2变压器在线监测原理与方法6
2.2.1油中气体在线监测的实现6
2.2.2变压器微水含量在线监测7
2.2.3变压器温度在线监测7
3大型变压器在线监控系统的硬件设计8
3.1大型变压器在线监控系统信号采集的实现8
3.1.1油中溶解气体监测用传感器8
3.2大型变压器在线监控系统的PLC选择11
3.2.1西门子PLC介绍11
3.2.2西门子系列S7-200PLC扩展模块选择与CPU的选择12
3.3传感器与EM235接线图15
3.3.1MQ系列气体传感器与EM235接线15
3.3.2PT100温度传感器与EM235接线16
3.3.3PT100微水传感器与EM277接线17
3.4大型变压器在线监控系统电压源模块17
4大型变压器在线监控系统的软件设计20
4.1组态王软件的概述20
4.2组态王程序设计步骤20
4.3基于组态王的监控画面设计20
4.3.1外部设备的定义20
4.3.2定义变量20
4.3.3监控主画面设计21
4.3.4报警和事件画面设计23
4.3.4趋势曲线画面设计25
4.3.5报表系统画面设计25
4.3.6历史数据报表画面设计27
4.3.7登陆界面画面设计28
4.3.8用户名错误画面设计28
4.4系统运行画面29
5总结与展望33
5.1全文总结33
5.2展望33
致谢35
参考文献36
附件37
大型变压器保护监控系统的研究与设计
摘要:
随着国民经济和电力系统的发展，电力系统的安全可靠运行的越来越多，状态监测系统已成为科学研究和工程应用的一个重要方向。
电力设备在线状态监测可以实时监控，在实际运行条件下的系统健康状况为了确保安全和稳定的，但作为一种补充和综合自动化的发展，让变电站实现真正的无人值守；同时，也为维护电气设备的运行状态提供了依据基于条件的维护，是实现的前提和重要组成部分。
这项工作的重点是线路变压器监控系统的研究和开发，变压器是变电站中重要的电力设备，其运行状况直接影响电网稳定性。
本文重点工作是设计并研制一种变压器在线状态监测装置，具有以下特点：
在监测功能方面，用传感器技术对变压器参数进行检测。
具体内容包括：
油中气体含量、微水含量、变压器温度。
可编程控制器选择了三个扩展模块，实现传感器模拟量的直接输入，避免了使用A/D转换器进行模拟量的转换。
通信模块EM277实现了可编程控制器与其它智能设备的通讯，使系统更加智能化。
软件显示功能方面，采用组态王软件监控变压器各个参数。
组态王能提供对变压器进行监视、控制、管理和集成等一系列的功能；同时也为用户实现这些功能的组态过程提供了丰富和易于使用的手段和工具。
关键词：
在线状态监测，变压器，可编程控制器，溶解气体，油中微水含量，组态王
LargeTransformerDesignofReal-timeMonitoringSystem
Abstract:
Withthedevelopmentofnationaleconomyandpowersystem,thedemandonthereliabilityandsafeofpowersystemhavebeenimproved.On-lineconditionmonitoringforpowersystemcanmonitorthehealthstatusoftheelectricequipmentinrealtimeundertherealstate.Itprovidessafeguardforthesafeandsteadyrunningofpowersystem.Asthesupplementanddevelopmentoftheintegrativepowersystemautomation,substationwithnobodyondutyintherealmeaningwillberealized.Atthesametime,itisthepreconditionandanimportantpartfortheelectricequipmentconditionmaintenanceandoffersthebasisforthecondition.Focusofthispaperisthetransformeronlinemonitoringsystemsresearchanddevelopmentwork.
Thetransformerisanimportantpowersubstationequipment,theoperatingconditionsdirectlyaffectgridstability.Thisarticlefocusistodesignanddevelopanon-linetransformerconditionmonitoringdevicewhichhasthefollowingcharacteristics:
Inthemonitorfunction,theuseofsensortechnologytodetectthetransformerparameters.Specificcontentincludes:
oilGascontent,watercontent,transformertemperature.
PLCchosethethreeexpansionmodules,thesensoranaloginputdirectly,avoidingtheuseofA/Dconverteranalogconverterforconversion.
Softwaredisplayfunction,usingconfigurationsoftwaremonitorsvariousparametersofthetransformer.KingViewcanprovidetransformermonitoring,controlmanagement,integrationandaseriesoffunctions;alsoforuserstoachievethisTheconfigurationconfigurationprocessthesefeaturesprovidearichandeasytousetoolsandinstruments.
Keywords:
on-linecondition,monitoring,transformer,PLC,gasdissolved,watercontentinoil,KingView
1绪论
1.1电力设备状态监测及故障诊断
1.1.1状态监测故障诊断的概念
状态监测：
在设备需要维护之前，利用整个设备或者设备的某些重要部件的寿命特点，开发应用一些具有特殊用途的设备,并通过数据采集以及数据分析来预测设备状态发展的趋势。
其主要目的是了解和掌握设备的运行状态，结合历史和现状，考虑环境因素对设备运行状态进行评估，判别出设备是处于正常还是非正常状态，并对状态进行显示和记录；对非正常状态作出报警提示。
故障诊断：
发现故障的过程，所谓故障就是使系统不能按给定要求工作的一种性能偏离。
设备的故障诊断实际上指在设备不解体的情况下，采用特定的技术手段，对设备所处的状态进行判断、对设备的故障进行诊断和估计的技术。
故障诊断的任务就是要确定设备的故障性质、程度、类别和部位，并指明故障发展趋势[1]。
1.1.2电力系统进行状态监测和故障诊断的重要意义
电力系统是一个由发电、输电、变电、配电、用电等设备连接而成的系统，电力设备的故障，会因造成供电系统意外停电，从而导致电力企业经济效益减少和用户的重大经济损失。
因此这些设备的能否可靠性运行直接决定整个系统的稳定性和安全性，也决定了电力企业的经济效益及用户用电质量和可靠性。
电力系统状态监测及故障诊断能够监测出电力设备是否健康运行，态监测及故障诊断为电力系统的安全稳定运行提供了有利的条件[1]。
保证电力设备健康运行的必要手段就是检修。
很长一段时间，我国高压电气设备的检修技术一直采用的是设备计划性大修的维护方式。
这种检修方式有利但也有弊，优点是发现并处理设备缺陷，降低设备运行中的损坏；减少设备事故或者障碍造成的非计划性停电，保证供电的质量和可靠性。
但这种维修方式不能事先掌握设备的状态，而且采用一刀切的方式：
到期必修实践。
这种检修方式造成了设备的过度检修，浪费了大量人力和检修费用；增加检修停电时间和停电次数，造成频繁的运行操作，增加了误操作的事故率；过度检修造成设备频繁拆装难免在检修过程中产生新的设备隐患；检修后按要求对设备应进行的耐压等试验也会对设备造成不可逆损伤，使设备总体寿命下降。
由此可以看出过去的设备计划性检修方式已与现在的电力生产不相适应，有必要采用新的设备维修方式，因此产生了设备状态检修的新思路[2]。
综上所述，电力设备状态监测是状态检修和故障诊断的基础和重要组成部分。
1.2变压器在线监测研究现状
电力变压器是电网中最重要的设备之一，它的可靠性级直接关系到电网能否正常、高效、经济的运行。
据统计，220kV及以上的发电厂、变电站全停运和局部电网解列事故发生的次数较多，其中变压器故障造成的电网故障所占比例较大。
减少变压器故障，意味着提高电网的经济效益。
因此，变压器在线监测研究对电力设备在线监测体系具有重要意义。
目前国内外变压器在线监测的范围很广，包括：
1）监测特征气体含量，包括H2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2、CO、CO2特征气体含量；2）监测套管功率因数和电容；3）利用光纤传感器监测；4）监测冷却装置；5）在测油中湿度、温度、酸度；6）监测负载电流；7）监测绝缘纸的湿度和迁移情况；8）监测绕组顶部和底部油温；9）监测介电和动力系统的缺陷；10）监测结构件的夹紧力；11）监测铁芯接地故障和绕组缺陷；12）监测储油柜的油位提供油渗漏信息。
在变压器在线监测所有项目中，最重要的是油中气体含量监测，这项目的监测对于发现变压器的故障具有很好的效果[2]。
目前国内外开发的变压器油中气体在线监测装置有很多，加拿大SYPPOTEC研制的HYDRAN201型油中溶解气体在线监测装置，通过分析变压器油中H2和CO气体含量，找到变压器的绝缘故障，是目前应用最为广泛的在线监测装置之一[1]。
我国中科院研制的DDG1000型油中溶解气体在线监测装置采用一种主要成分为聚芳杂环高分子的分离膜，将油中氢气分子直接分离出来，通过燃烧氢气改变电路中测量元件的电阻值，在计算元件电压变化的基础上得出H2的含量，以此分析变压器的故障。
2变压器在线状态监测工作原理
2.1变压器基本结构与分类
变压器的基本结构：
1—油箱2—铁心及绕组3—储油柜4—散热筋5—高、低压绕组6—分接开关7—气体继电器8—信号温度计
图2.1三相油浸式电力变压器的结构示意图
电力变压器的基本构成部分有：
铁心、绕组、绝缘套管、油箱及其他附件等，其中铁心和绕组是变压器的主要部件，称为器身。
1、铁心和绕组：
变压器中最主要的部件他们构成了变压器的器身。
1）铁心：
构成了变压器的磁路，同时又是套装绕组的骨架。
铁心由铁心柱和铁轭两部分构成。
铁心柱上套绕组，铁轭将铁心柱连接起来形成闭合磁路。
2）绕组：
绕组是变压器的电路部分，它由铜或铝绝缘导线绕制而成。
一次绕组（原绕组）:
输入电能；二次绕组（副绕组）：
输出电能他们通常套装在同一个心柱上，一次和二次绕组具有不同的匝数，通过电磁感应作用，一次绕组的电能就可传递到二次绕组，且使一、二次绕组具有不同的电压和电流。
2、其他部件：
除器身外，典型的油浸式电力变压器中还有油箱、变压器油、绝缘套管及继电保护装置等部件[8]。
2.2变压器在线监测原理与方法
传统的检测方法只能提供变压器故障或延误事故发生后的信息，这是与现代维修趋势不一致的维护，在线监测的目的是实时反映变压器在运行状态，通过提前采集早期故障的信息，可将故障造成的严重后果降低到最低。
同时现代微电子技术，传感器技术和信息技术的发展为在线监测提供了强大的技术支持，因此进行变压器在线监测是趋势所在。
变压器在线监测的方法有很多种，如变压器油中气体含量分析、微水含量、铁芯接地、绕组变形等等，由于变压器在线监测主要任务是通过连续监测一段时间内参数的变化趋势来判断变压器的运行状况，反映变压器故障趋势，其监测量不可能向常规故障检测那样全面。
因此本文设计的在线监测系统没有必要对变压器所有量都监测到，而是选择性地监测了能够较全面反映变压器内部故障的信息：
油中气体含量和油中微水含量[3]，和变压器内部温度。
2.2.1油中气体在线监测的实现
1）气体产生原因
充油变压器内部故障模式主要是机械、热和电三种类型，而又以后两种为主，并且机械性故障常以热的或电的故障形式表现出来。
大量研究表明，对于运行中的充油电气设备，在热和电的作用下，变压器油和绝缘材料将逐渐老化和分解，产生少量的二氧化碳、一氧化碳等气体。
当存在潜伏性的热或放电性故障时，会加快这些气体产生的速度。
随着故障的发展，分解出的气体会扩散、溶解在油中；当大量气体溶解在油中时，油中气体溶解量接近饱和，这样将有一部分气体进入气体继电器。
导致充油电气设备内部释放气体的主要原因为铁心、绕组、触点局部过热、局部放电等引起变压器油和有机绝缘材料分解，产生气体易燃易爆气体。
对判断充油电气设备内部是否存在故障有价值的气体是氢气、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、一氧化碳、二氧化碳，则称这些气体为特征气体[1]。
2）在线监测方法
气体信号采集使用较多的是金属氧化物半导体传感器。
它的检测原理是：
使用二氧化锡（SnO2）作为其气敏材料，由于二氧化锡是在清洁空气中的电导率较低，随着空气中的一氧化碳浓度的升高，二氧化锡的电导率也随之升高。
将电导率的变化转化为电压的变化输出并输出。
在氧化锡内添加不同比例的催化剂就可以控制对不同气体的敏感度。
2.2.2变压器微水含量在线监测
随着变压器设计结构和制造工艺的的改进，变压器微水含量明显比过去减少，但这也是变压器常见故障之一，因此变压器油中微量含量的在线检测实现仍然具有十分重要的意义。
目前较为成熟的变压器微水在线检测原理是利用塑料薄膜电容器的吸收特性。
由于一些耐高温聚合物薄膜在充分吸收水分之后，其相对介电常数由约3.0提高到4.0，利用该原理制成的传感器，其输出信号与油中的含水量成正比，且与温度的关系密切[4]。
2.2.3变压器温度在线监测
变压器内部故障模式主要是机械、热和电三种类型，通常变压器的故障都是通过热的形式表现出来的。
因此实现变压器内部温度在线的监测也具有十分重要的意义。
目前较为成熟的变压器温度在线检测是通过红外传感器，PT100温度等传感器来实现的。
3大型变压器在线监控系统的硬件设计
3.1大型变压器在线监控系统信号采集的实现
从第二章我们了解到了变压器常见的故障类型和引起这些故障的原因，所以我们需要采集到引起变压器故障的信号。
本文设计的在线监测系统并不要求对变压器所有量都监测到，而是有选择地监测了能够较全面反映变压器内部故障的参量：
油中气体含量和油中微水含量，和变压器内部温度。
其中油中气体的监测主要是以一氧化碳、甲烷、乙炔、氢气为主。
3.1.1油中溶解气体监测用传感器
油中溶解气体的浓度均可以使用汉威电子有限公司的MQ系列的气敏传器。
这类传感器的监测原理是：
MQ-7气体传感器使用二氧化锡（SnO2）作为其气敏材料，由于二氧化锡是在清洁空气中的电导率较低，随着空气中的一氧化碳浓度的升高，二氧化锡的电导率也随之升高。
利用图3.1的测量电路，将电导率的变化转化为电压的变化输出并输出，且气体浓度和电压近视线性关系。
通过在二氧化锡里添加不同比例的催化剂就可以控制对不同气体的敏感度。
其结构原理图如3.1所示：
图3.1MQ系列气敏传感器原理图
MQ-7的基本测量回路如图3.1所示，其中VC是传感器的测试电压，为一个5V的直流电压，VH是传感器的加热器电压，是一个高低压循环加热的方法，高电压为5V，低电压为1.5V。
RL为一个与传感器串联的负载电阻，RL两端的电压的上的电压即为输出电压。
在满足传感器电性能要求的前提下，VC和VH可以共用同一个电源电路。
为更好利用传感器的性能，需要选择恰当的RL值使输出电压在0-5V范围内。
这类传感器的基本工作条件见表3.1：
表3.1基本工作条件
回路电压Vc
5V
加热电压Vh
5.0V（高）1.5V（低）
负载电阻RL
可调
加热电阻
31Ω±3Ω
加热时间
60s（高）90s1.5V（低）
探测浓度范围
100-10000ppm
因为只要在氧化锡（SnO2）添加不同的催化剂就可以控制不同气体的灵敏度，这样我们就可以选择的MQ系列不同传感器来监测不同气体的浓度。
其中MQ-7对一氧化碳气体具有较高灵敏度；MQ-8对氢气具有较高的灵敏度；MQ-4对甲烷气体具有较高的灵敏度；MQ-12对乙炔气体具有较高的灵敏度。
3.1.2微水含量在线监测所用传感器
水活度（aw）：
水活度（aw）是指某种油液中水分含量,读数在0...1之间（0是指完全干燥,1是指完全饱和）。
就像空气中含水一样，任何一种油液都能容纳饱和度以下的溶解水。
一旦油液达到饱和点,任何额外进入的水分将被分离为一层游离水通常位于油下。
微水含量采集采用油微水检测传感器GY-HTW306G。
油微水检测传感器专用于工业、变压器、大卡车和汽车等领域涉及到的精确在线油中的水分含量分析检测。
油液水分含量传感器的微控制器直接接口可以实现RS485数字信号输出。
油微水检测传感器具体参数如表3.2所示:
表3.2油微水检测传感器具体参数
供电电源
DC14-28V
测量标准
水分活性
温度
测量范围
0-1aw
测量范围
-40-85°C
精度
精度
0.9-1±0.05
at+20°C±0.3
0-0.9±0.03
-20-85±0.5
反应时间
<1min
工作环境
工作温度
-40-60
油温
-40-80
压强范围
最高10atm
油流
建议流动
金属外壳
G1/2ISO
油微水检测传感器接线图如3.2所示：
图3.2油微水检测传感器接线图
接线图：
1---VDC2---RS485-/B3---GND4---RS485+/B
24V电源接PLC主机的L+，M端
3.1.3温度在线监测所用传感器
变压器温度测量采用PT100温度传感器。
热电阻温度测量原理：
热电阻（如Pt100）是利用其电阻值随温度的变化而变化这一原理制成的将温度量转换成电阻量的温度传感器。
温度变送器通过给热电阻施加一已知激励电流测量其两端电压的方法得到电阻值（电压/电流），再将电阻值转换成温度值，从而实现温度测量。
温度测量范围：
-60℃----400℃
热电阻和温度变送器之间采用四线制接线方法。
通过导线L1、L2给热电阻施加激励电流I，测得电势V3、V4。
导线L3、L4接入高输入阻抗电路，IL3=0，IL4=0，因此V4-V3等于热电阻两端电压。
如图3.3所示：
图3.3热电阻转电压信号原理图
通过上述施加恒流I将热电阻变化的电阻信号转为电压信号。
PT100在0C时电阻为100欧姆，随着温度的变化电组成线性变化，大约是每摄氏度0.4欧姆，那么此传感器电阻输出范围是76Ω-220Ω。
为了产生5mV/C的电压系数，需要提供12.5mA的电流。
如何找到合适的电流源将是温度监测的重点之一，这点将会在下面的章节具体介绍。
3.2大型变压器在线监控系统的PLC选择
3.2.1西门子PLC介绍
按控制规模可以分为大型机、中型机和小型机。
西门子PLCS7-200系列小型机:
小型机的控制点一般在256点之内,适合于单机控制或小型系统的控制。
西门子小型机有S7-200：
处理速度0.8-1.2ms；存贮器2k数字量248点；模拟量35路。
中型机:
中型机的控制点一般不大于2048点,可用于对设备进行直接控制，还可以对多个下一级的可编程序控制器进行监控，它适合中型或大型控制系统的控制。
西门子PLCS7-300系列西门子中型机有S7-300：
处理速度0.8-1.2ms；存贮器2k；数字量1024点；模拟量128路；网络PROFIBUS；工业以太网；MPI。
大型机：
大型机的控制点一般大于2048点,不仅能完成较复杂的算术运算还能进行复杂的矩阵运算。
它不仅可用于对设备进行直接控制，还可以对多个下一级的可编程序控制器进行监控。
西门子大型机有S7-400：
处理速度0.3ms/1k字；西门子PLCS7-400系列存贮器512k；I/O点12672[5]。
3.2.2西门子系列S7-200PLC扩展模块选择与CPU的选择
S7-200PLC由主机（基本单元）加扩展单元构成。
S7-200PLC提供多种具有不同I/O点数的CPU模块和数字量、模拟量I/O扩展模块。
一、EM235介绍：
EM235是S7-200PLC实现模拟量输入模拟量输出的扩展模块之一。
EM235具有4个模拟量输入和一个模拟量输出，它的输入信号可以是不同量程的电压或电流。
其电压、电流的量程由SW1-SW6设定。
EM235有一路模拟量输出，其输出可以是电压，也可以是电流。
1）EM235模拟量输入模块
模拟量的输入模块的分辨率通常以A/D转换后的二进制数数字量的位数来表示，模拟量输入模块的输入信号经过A/D转换后的数字量数据值是以12位二进制。
数据值的12位在CPU中的存放格式如表所示。
最高有效位是符号位：
0表示正值数据,1表示负值数据[3]。
单极性数据格式：
对于单极性数据，其两个字节的存储单元的低3位均为0，数据值的12位是存在3-14位区域。
这12位数据的最大值是215-8=32760。
EM235模拟输入模块A/D转换后的单极性数据格式的全量程设置为0-32000。
差值32760-32000=760则用于偏置/增益，有系统自动完成。
第15位0,表示正值数据[6]。
见表3.3所示：
表3.3单极性数据格式
MBSLBS
1514210
0
数据值的12位
0
0
0
单极性数据
表3.4双极性数据格式
MBSLBS
153210
数据值的12位
3
0
0
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