智能变压器的初步设计方案.docx
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智能变压器的初步设计方案.docx
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智能变压器的初步设计方案
智能变压器的初步设计方案
实习生王大江
注:
本文是在充分了解智能变压器发展现状的基础上,结合自己的专业知识与实践经验,阐述了我对智能变压器的理解,并提出了智能变压器的初步设计方案。
由于时间仓促,经验不足,不当之处,敬请批评指正。
一、智能电网的发展趋势与智能变压器的定义
在电力设备的运行过程中,电力部门可以获得电网的运行信息(电压、电流、功率等)和设备的保护信息,通称为二次信号。
而对于设备本体的工作状况(称为一次信号)如套管介损、铁芯电流、油中气体、局部放电、油中微水、热点温度、绕组变形等,虽然也逐渐发展起来了一些参数的在线监测技术,部分解决了停电试验的缺点,但仍存在诸如检测参数不全、各家自成系统、相互兼容性差、不能统筹考虑、有时需要改动设备而实施困难等缺点,并且还不能保证全面、实时的反映设备的运行状况,缺乏相应的标准,造成了很大的混乱。
随着电力系统对智能化和运行可靠性要求的提高,以及计算机、传感和通信技术的飞速发展,这给电力设备制造商和电力系统运行部门提出了要求,也提供了机遇。
如能在设计、制造设备的时候就为其配备各种数字化接口(能够反映设备所有的一次和二次信息),使其成为设备的一部分,使设备具备自身状态诊断和评估的功能,可提高设备的可靠性,也可提高产品的技术附加值。
鉴于此,本人认为未来智能电网的发展格局为:
(1)电力设备应配备各种数字化接口,使其具备自身状态信息管理、诊断、评估和控制的功能,首先实现电力设备单元的智能化。
(2)电力运行部门基于各电气元件的数字化信息以及电网的运行信息,应能完成电力系统及其设备的综合管理和监控,实现传统意义上“一次”和“二次”系统的融合。
智能变压器作为电力系统中最重要的电力设备之一,智能电网的发展趋势决定了智能变压器的定义和功能:
智能变压器应能提供各种参数的数字化接口,使其具备自身状态信息管理、诊断、评估和控制的功能。
根据国家标准,智能变压器应提供如表1所示参数的数字化接口。
一次信号
二次信号
局部放电
运行电压
油中溶解气体
负荷电流
油中水分
运行功率
绕组热点温度
分接位置
顶层油温
冷却器状态
铁芯接地电流
环境温度
套管绝缘性能
表1
根据智能变压器的定义,本人认为,智能变压器作为新的产品,既要面向市场,又要保证产品的高技术含量,建议其开发过程应分两步走的战略:
(1)一期产品:
仅提供各种参数的数字化接口,实现自身状态信息的显示与管理。
功能如图1所示:
图1一期产品功能
理由如下:
1、在当今在线参数检测存在的诸如检测参数不全、各家自成系统、相互兼容性差、不能统筹考虑、有时需要改动设备而实施困难等缺点的状况,本产品能与各厂家与后期产品的开发保持最大的兼容性。
2、相关技术已经成熟,易于短期实现,立即投入市场,夺得先机。
3、为二期产品的开发打下基础,同时保持向下兼容的特点。
(2)二期产品:
二期产品是真正意义上的智能变压器系统,不但能够实现自身状态信息的显示与管理,还应具备变压器智能诊断专家系统,为用户的决策提供依据。
智能专家系统可通过模糊论、神经网络等人工智能的方法来实现。
具体功能如图2示
图2二期产品功能
二、智能变压器一期产品的初步设计方案
1、传感器选择与布置方案
各参数测量传感器的选择在新变厂《智能变压器方案》中已有介绍,如图3
所示,在此不再赘述。
但要强调的是,所有传感器均在高电场高磁场的环境下工作,因此,对传感器的抗干扰性要求异常重要。
2、系统前台单元设计
(1)数据采集方案的选择
上述选用的传感器有些是模拟量输出,有些是智能型采集单元,有时还需要将完整的系统作为传感器,因此采用多种采集方式并存的形式是比较合适的,如图4所示。
图4多种方式数据采集
本方案拟采用DSP作为中央处理模块,实现数据采集控制和数据初步处理的功能;智能化变压器的前台单元界面与上位机通信,形成完全开放的数据通信方式.
(2)在线检测操作前台的设计
数据采集程序是变压器在线监测系统软件设计中的一个重要环节,包括采样控制、现场显示和部分的数据计算功能。
通常的数据采集程序功能单一,且现场调试比较复杂。
在构建采集系统的过程中可以采用虚拟仪器技术,将数据采集程序的各种功能集于一身。
前台系统的显示界面如图5所示。
图5前台系统的显示界面
现场界面可显示系统采集卡的工作状态、变压器运行参数及实时波形和状态参数等。
(3)后台专家诊断单元的设计
系统的上位机位于变电站的主控室中,其界面如图6所示,可显示变压器的运行参数、状态参数以及系统运行状态等。
图6后台专家诊断单元
系统可采用曲线和报表两种格式显示打印测量到的变压器运行参数和状态参数,并可实现状态评估功能。
总之,智能化电力变压器应该是一个基于多种传感器的集成化系统,能实时反映变压器绕组、铁芯、套管、有载开关、冷却器的运行状况,并能真实记录变压器的运行电压、负荷电流和各种温度数据,整个系统由计算机实行人工智能管理,代表了未来智能电网的发展方向。
三、智能变压器的具体实施方案
本方案的流图如图7示
图7智能变压器的具体实施方案
由于交流采样法的精度主要取决于A/D转换器的位数和采样速度,在进行设计时首先应考虑采用高分辨率的A/D转换器进行采样,再选择DSP对采样值进行快速计算,为提高采样速度提供了可能,可进一步减小采样误差,硬件还包括存储器件、液晶显示、微型打印机等部分,
(1)硬件工作原理
A/D转换器采用ATMEL公司的AT73C501。
该16位A/D转换器基于同步采样方法,可同时进行六路采样。
对频率为50Hz的信号,采样率为3200Hz,即每周期采样点数为64,采样值通过串口输出。
DSP采用ATMEL公司的AT73C500。
该芯片是与AT73C501配合使用,能达到IEC1036规定的一级准确度要求,具备增益误差和相位误差校准功能,校准参数保存在一片EEPROM中。
一种高可靠的现场总线的使用是成功实施配电自动化的关键。
站内通信介质可采用双绞线、光纤及同轴电缆,单模光纤只能用于点对点通信,光纤用于多点通信时需要采用多模光纤组成环网结构,一次投入比较大,故大多采用双绞线作为站内通信介质。
(2)软件设计
本方案拟采用C语言编程,使系统能够兼顾数据处理的实时性要求和便于阅读调试的需要。
整个软件根据模块化、结构化的思想编制,完成对测量数据的采集处理和输出,软件模块划分如图8所示。
图8软件模块划分
主控程序是主函数,从主函数开始执行,调用其它函数后返回主函数,最后在主函数中结束整个程序运行。
本方案仅对主控程序和变压器参数计算模块作以介绍。
主控程序的流程图如图9所示。
图9主控程序的流程图
主控程序首先进行系统的初始化过程,包括系统初始参数的设置、液晶显示屏、键盘控制芯片、外部EEPROM的初始化。
接下来进行仪器的自检,检验各部分是否工作正常,例如电源的供应等。
系统初始化和自检完成后,就开放两个外部中断源,等待中断。
DSP读取测量数据到,然后根据按键输入的要求,设置计算参数和公式。
最后根据更新的测量数据计算变压器参数,并显示在液晶屏上或打印输出。
(3)专家系统的设计
专家诊断系统用于监测变压器安全运行状况和故障诊断,是智能电网发展的需要,是真正意义上的智能变压器。
目前来看。
建立专家系统的几种方法是:
1、基于粗糙集理论的故障诊断思想
粗糙集(RS)理论具有较强的容错能力,能有效地分析和处理不精确、不完备的数据,并有可能直接提取出隐含的知识,因而值得将其运用到变压器故障诊断中。
其基本思想是:
在保持信息系统的分类能力不变的前提下,通过知识约简,导出问题的决策或分类规则。
2、人工神经网络法
人工神经网络(ANN)的实质就是模拟人脑的信息处理功能,由于ANN本身是简单的非线性函数的多次复合,无需建立物理模型和进行人工干预,它具有自组织、自学习的能力,能映射高度非线性的输入/输出关系.ANN正成为电力变压器故障诊断的一种理想工具.
此外,还有支持向量机、Petri网络等人工智能技术来建立变压器故障诊断系统。
具体的实现还要依据变压器诊断相应的算法。
四、远程监测问题:
1、通信方式的选择:
在变电站智能化监控系统的通信中,可以采用数传电台、GSM短消息、光纤接入等方式。
数传电台的优势是除了每年的频点费以外,平时运行无需额外费用,缺点是受地形、气候的影响较大,造成系统的可靠性、实时性较差,无法主动上报。
GSM短消息方式可以实现主动上报,缺点是按条收费,运行费用高,而且在节假日短消息中心服务器繁忙时延时相当长。
光纤通信稳定可靠,但是施工成本投入太大、扩展性差、光纤及设备等的维护方面很不方便。
而GPRS通信则避免了以上问题。
结构图如图11所示。
图11远程监控示意图
2、基于GPRS远程监控系统的组成
远程监控系统由监控中心、GPRS通信网络和监控终端3大部分构成,如图12所示。
智能监控终端将变压器一次和二次端的电气参数定时发送给GPRS模块,GPRS模块再把数据发送到GPRS网中,上传到监控中心。
同时,通过智能监控终端对一次和二次端的所有开关进行远方遥控操作,每个开关按照485通讯进行寻址操作,并有开合状态位指示,实现远方三遥控制。
图12远程监控系统组成
GPRS通信网络是监控中心与变电站监测终端之间数据传输的桥梁。
监控中心可以借助专线(ADSL)经由互联网进入GPRS网络,就可与现场变电站监测终端进行远程通信。
通过GPRS网络使现场变压器的相关参数能够及时传送到监控中心计算机中。
同时监控中心的查询命令或控制命令也可以通过GPRS网发送到GPRS模块,再由GPRS模块传送给相应的变电站监测终端,对它们进行控制操作。
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