1、电力变压器在线监测与故障诊断系统的研究摘要：针对电力变压器在线监测系统对数据传输可靠性和实时性的要求，提出了一种基于 C8051F020 单片机控制的变压器在线监测系统，进行了电源电路及信号调理电路的设计。建立了基于信息融合技术的变压器智能故障诊断模式，将各种特征信息融合后对变压器的故障进行诊断，提高了诊断的可靠性和准确性。 关键词：电力变压器 在线监测 故障诊断 信息融合 中图分类号：F407 文献标识码：A 电力变压器是电力系统的核心设备之一，其安全、可靠运行是保证整个电力系统可靠供电的基础1-3。电力变压器发生故障会直接影响电力系统的安全运行，同时会给电力企业及电力用户带来极大的经济损失
2、。目前电力系统向超高压、大电网及自动化方向快速发展，变压器工作故障对电力系统安全、可靠运行的影响和危害与日剧增。由于电力变压器故障的发展过程与运行环境、负荷容量及绝缘状况相关，通过采用预防性维修方法很难及时发现一些潜在故障，预防性维修不仅费用高而且对绝缘等发展性故障反应不够灵敏4-5。因此，对变压器运行状态进行实时在线监测是非常必要的，在线监测技术结合变压器故障智能诊断可以及时发现发展中的事故隐患，降低事故风险，防患于未然。 1、变压器在线监测系统硬件设计 变压器在线监测项目主要有局部放电监测、有载分接开关的监测、套管介损因数的监测、负荷电压、电流、功率的因数的监测、绕组温度的监测、油中微水、
3、溶解气体的在线监测等。通过这些项目的在线监测对变压器进行全方位的监测，获得有关变压器运行状态较为详细的信息，通过这些特征信息结合变压器故障智能诊断系统判断变压器有无异常。 由变压器状态在线监测系统硬件结构图可知，该系统由多通道传感器数据采集、传感器信号预处理、监视现场显示、上位机监测系统网络数据通讯模块以及核心处理器 C8051F020 的外围电路组成。通过实时数据采集模块将微水含量传感器、温度传感器以及多路气敏传感器所采集的模拟信号经滤波、放大后送入 C8051F020 的 ADC 转换接口，进行模拟量与数字量的转换，并将转换后的数字量存储于单片机的存储器中。通过数据初步判断和简单故障诊断处
4、理，将处理结果在监测现场液晶显示屏上简要显示以便现场信息获取和维护管理，同时处理器将实时采集数据、采集日期信息和预处理结果通过网络数据通讯模块上传给上位机的远程监测和智能诊断系统，然后进行详细的记录、分析和故障诊断。 系统核心处理器采用 C8051F020 单片机，其内有高速的微控制器内核，流水线指令结构，每条指令的执行时间可达 25MIPS；片内 64K 字节的 FLASH 程序存储器，4352 字节内部数据 RAM，64K 字节闪速存储器，4K字节的内部 XRAM 数据存储器，无须外加 ROM 和 RAM，有利于电路的微型化设计。片内 JTAG 和调试电路，通过 4 线 JTAG 接口可以
5、实现非侵入式、全速的在线系统调试，片内专用看门狗定时器，可保障系统的可靠运行，64 个通用 I/O 接口，主要完成人机接口功功能。 1.1 系统电源电路的设计 由于 C8051F020 的 I/O 输入输出供电电源为 5V，其内核及片内外设供电电源为 3.3V，因此系统要使用两组稳压电源。 220V 的交流电首先经过降压变压器降压，将降压后的交流电经整流桥整流为直流，经 C1 滤波后进入 LM7805 稳压模块，R1 分压后最终输出5V 直流电。将 5V 直流电再使用低压差电源芯片 LM1117MPx-3.3 芯片稳压输出 3.3V，LM1117MPx-3.3 芯片具有输出电流大、输出电压精度
6、高、稳定性好等特点。 1.2 信号调理电路的设计 C8051F020 内有 12 位的逐次逼近型模数转换器，通过软件编程就可以实现模拟量与数字量的转换。电力变压器在线监测系统传感器检测的模拟量都是弱电信号，并且含有混叠的高频噪音信号，因此，在检测信号接入 C8051F020 的 A/D 接口前必须经过信号调理电路。 ，传感器信号经R2 分压作用，在信号输入点转换成电压信号，经 R3 和 C8 组成的低通滤波回路，有效滤除信号中混叠的高频噪声信号，最后由高精度运算放大器 LM358 跟随放大，将放大后的信号输出到单片机的 A/D 引脚。 弱电压信号首先经过初级滤波进入同相输入端，即保证与反向输入
7、端电阻构成跟随放大电路，也可满足线路高阻抗匹配特性，能有效滤除电压噪声干扰。传感器信号调理模块和单片机 A/D 采样模块共同完成了变压器在线监测原始数据的采集和数字滤波，是监测系统获取有用信息及正确开展智能诊断工作的基础。 2、基于信息融合技术的变压器故障诊断 变压器因其制造工艺的复杂性及运行环境的不稳定性造成了变压器故障机理的复杂性，其表现为同一种故障模式有多种故障特征，同一种故障特征又是几种故障模式共同作用的结果，故障模式与故障特征之间存在一种复杂而又非线性的对应关系。因此，确定故障模式与故障特征之间的关系在变压器故障诊断中是非常重要的。信息融合技术就是将来自不同信息源的信息和数据进行综合
8、处理，充分利用变压器的各种故障特征量，从多方面获得变压器同一对象的多维信息并加以融合利用，实现变压器更准确、更可靠的在线监测及诊断。信息融合可分为三层6-7，即数据层的融合、特征层的融合及决策层的融合。 2.1 数据层融合 数据层融合是对未经过处理的传感器所监测的原始数据进行综合分析和处理。要实现数据层的融合其传感器必须是相匹配，以实现原始数据上的关联，并能保证同一目标或状态的数据进行融合。数据层融合方法有算术平均法、加权平均法及曲面拟合法等。 2.2 特征层数据融合 特征层数据融合属于中间层，即从信息源的原始信息中提取特征信息并进行综合分析和处理，提取的特征信息应是原始信息的充分表示量或统计
9、量，然后按照提取的特征信息对信息源数据进行分类、聚集和综合分析。所采用的融合方法仍是模式识别的相应技术，只是在融合前通过传感器信息的变换，把各传感器的数据变成统一的数据表达形式，并在数据配准后对特征信息进行关联处理。其优点是：实现了多传感器信息压缩，有利于实时处理，由于所提取的特征信息与决策分析相关，因此融合结果最大限度地给出了决策分析所需的特征信息。 2.3 决策层数据融合 决策层数据融合属于最高层，也是三级融合的最终结果。每个传感器对所监测目标的监测数据进行信号预处理、特征提取、识别等以完成对所监测目标的一个初步判决，然后通过关联处理，根据一定的准则给出一个最终的决策，决策的结果为指挥控制
10、决策提供了依据，即最终决策是针对具体故障类型及部位的，根据最终决策采取相应的故障隔离措施。决策层融合方法主要有 Bayesian 推理、DS 证据理论、模糊理论、专家系统等。 3、结语 电力变压器运行状态在线监测系统的稳定性和可靠性对电网的安全、可靠、经济运行具有重要的意义，针对在线监测系统对数据传输可靠性和实时性的要求，本文提出了一种基于 C8051F020 单片机控制的变压器在线监测系统，并进行了电源电路及信号调理电路的硬件设计。将信息融合技术引入变压器故障诊断系统，有效解决了故障模式与故障特征之间的非线性关系，充分利用各种特征信息对变压器的故障进行诊断，提高了诊断的准确信和可靠性。 参考文献 1滕志军，任举，王千春.基于 EDGE 的变压器在线监测系统的设计J.黑龙江电力 2011，33（1）：75-77 2钱旭耀.变压器油及相关故障诊断处理技术M.北京：中国电力出版社，2006.10. 3许坤，周建华等.变压器油中溶解气体在线监测技术发展与展望J.高电压技术.2005，31（2）：30-33. 4程鹏，俘来生，吴广宇等.大型变压器油中溶解气体在线监测技术进展J.电力自动化设备，2004，24（11）：90-93.
