智能化电力变压器的概念与实现张冠军西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，西安，陕西710049西安工程大学电子信息学院，西安，陕西710048华东电力试验研究院，上海200437摘要：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，未来电力系统的规划将逐渐发生变革。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，实现智能化，进而基于各设备及线路的数字化信息运行信息，实现对电力系统及其设备的综合管理和监控，达到传统意义上“一次”和“二次”系统的融合。本文针对大型电力变压器，提出了智能化变压器的概念并给出了实例。引言电力设备作为电力系统的构成元件，其自身可靠性是电网安全运行的保证。电力设备是由电工材料构成的工业装备，完成电能的产生、变换和输送等功能，其自身并不具备运行状态反映的功能。电力设备所用材料主要为金属和绝缘材料，相对于金属材料而言，绝缘材料更容易损坏，特别是有机绝缘材料，很容易老化变质而使机电强度显著降低，随着长期运行而逐渐劣化，甚至出现事故。电力设备一旦出现故障，尤其是关键的大型设备如高电压大容量的发电机、变压器、GIS、断路器等，将会造成重大的经济损失和社会影响，因此及时、准确、全面地了解掌握它们的运行状况是非常重要的。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如各种继电器的状态等，它们反映的是一些故障发生时和发生后的信息，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，国内外的电力部门多年来普遍采用定期停电后进行预防性试验离线;来掌握其信息以决定能否继续运行，存在需要停电、试验真实性和实时性差等缺点。在此基础上逐渐发展起了一些参数的在线监测技术，以变压器为例，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，部分解决了停电试验的一些缺点，近年来已在此方面取得一定经验和成效，但仍存在诸如检测的参数不全、各家自成系统、相互间兼容性差、不能统筹考虑、有时需要改动设备而实施困难等缺点，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的所有的一次和二次信息，使其成为设备的一部分，而这是运行部门难以实现的，使设备具备自身状态诊断和评估的功能，一方面可以提高设备的可靠性，也可提高产品的技术附加值。作者初步认为未来电力系统自动化和智能化的格局应为：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，实现智能化。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，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。电力变压器尤其是大型油浸式变压器，是电力系统最重要的设备之一，其运行可靠性直接关系电力系统的安全稳定。国内外统计数字均表明，变电设备中变压器事故引起的非计划停运时间最长，且修复时间长、费用高、影响面广。本文将以大型油浸式电力变压器为例，阐述智能化电力变压器的概念，并给出了一个实例。变压器故障分析与传感器选择11变压器故障分析国内外研究均表明，变压器故障按部位通常可分为绕组、铁心、绝缘、引线、分接开关、套管、密封等七类故障，存在过热、放电、受潮、老化等不同绝缘故障类型。1）绕组故障变压器绕组是变压器的心脏，其故障模式可分为：绕组短路、绕组断路、绕组松动、变形、位移、绕组烧损，以及出现局部高温或放电等现象。2）铁心故障变压器铁心和绕组是传递、交换电磁能量的主要部件，其故障模式可分为：铁心多点接地、铁心接地不良、铁心片间短路，以及出现局部高温或放电等现象。3）分接开关故障有载分接开关经常操作切换，由于产生高温和放电，极易使触头表面氧化，导致过热和绝缘油裂解，有时也会出现开关室油泄漏到本体油箱等。4）引线故障引线主要故障模式有短路、断路、接触不良等。5）套管故障由于电容性套管的特殊结构，其绝缘故障比例很高。6）绝缘故障内部绝缘是变压器质量优劣的关键，变压器的大部分故障都是因其油绝缘和固体绝缘性能不佳引起。7）密封不良变压器密封不良会导致漏油、漏气、受潮等。12传感器选择及布置方案构建智能化变压器，应考虑上述分析中变压器可能出现的故障类型和部位，来选择相应的传感器类型和监测项目，同时也需要考虑目前传感器的发展水平。针对22011035kV三相三绕组主变压器，本文选择了直接反映其绝缘状态的个监测项目，分别是局部放电、油中气体、油中水分、油温和绕组热点温度、铁心接地电流、电容型套管绝缘等，如表1所示，以及一些与运行有关的重要参数，如运行电压、负荷电流、运行功率、有载分接开关的位置、冷却器开关状态等，如表2所示。有关变压器绝缘性能的传感器监测项目在线;传感器个数传感器类型局部放电独立系统油中溶解气体智能型测量单元油中水分智能型测量单元绕组热点温度软测量值顶层油温铂电阻传感器铁芯接地电流有源传感器套管绝缘性能反映变压器运行数据的传感器监测项目在线;传感器个数传感器类型运行电压有源传感器负荷电流有源传感器运行功率软测量值分接位置BCD编码器冷却器状态继电器触点环境温度有源传感器本文构建的智能变压器系统中各传感器安装位置如图1所示。智能化变压器传感器分布示意图1－油中气体传感器2－局部放电传感器3－油中水分传感器4－套管末屏电流传感器5－铁芯接地电流传感器6－绕阻热点温度传感7－环境温度传感器8－电压电流传感器9－分接开关冷却器传感器中处为油中气体传感器，可选用单一气体及多气体组分监测仪。处为局放传感器，传统的局放监测通常是使用脉冲电流法，但此方法的抗干扰性能较差，通常会受到现场强烈电晕放电的干扰以致无法分辨出真实信号。超高频局放测量是近年来局放测量的发展方向，由于局放信号的带宽较宽，而在超高频段进行局放测量可以避开如电晕、无线电等频段。处为油中水分传感器，它利用了聚酯薄膜电容传感器吸收变压器油中的水分子改变电容量的原理，通过电容量的变化反映变压器油中水分的值，该传感器还能同时测量变压器油箱底层的温度。、、处分别为套管末屏电流、铁芯接地电流和电压电流传感器。这些都是穿心式的有源传感器，它们将不同量程的被测量统一转换成15V的电压信号，实验统计各传感器对于有效值测量的平均线%，其中对于信号波动范围较大的测量值如铁心接地电流还需安装两个不同量程的传感器。绕组热点温度是依据底层油温和顶层油温的值计算得到的，底层油温已由上述的水分传感器附带给出，顶层油温是通过XMT-288Fc型油面温度计得到的，位置如图中所示，这种传感器用铂电阻作温度探头，通过变送器转换成4～20mA 的电流信号输出。 为环境温度传感器，采用AD590 晶体温度传感器，精度为1。 为冷却器和分接开关状态传感器，冷却器开关的状态通过开关继电器上的辅助触 点送出，分接开关的档位信息通过BCD 编码器转换为BCD 码后送出。 获得绕组最热点温度的方法可以采用光纤进行实测，也可采用间接的方法。国家标 准GBT15164-94 中给出了绕组热点温度的计算方法，它主要是根据变压器内部的温升规 律得到的。在变压器在线监测系统中，可以直接利用传感器得到环境温度、油温和负荷 电流，结合变压器设计时的温升规律，即可得到绕组最热点温度的近似估算。 电容型套管绝缘检测的传统方法是测量其介质损耗角正切值和电容量，还需取参考 电压，本文建议采用三相不平衡电压法，即测量三相套管末屏电流的合成矢量在公共电 阻上产生的电压，测量这个电压值可以灵敏地发现套管的故障，原理如图2 所示。 套管三相不平衡电压测量法原理图首先应调整 近似为零。如果运行过程中某相套管出现问题，套管电流的变化会造成U 的明显变化，此方法既可以灵敏地反映套管的运行状况。 21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3 所示。 工控机 有源传感 串口网卡 智能 传感 隔离与信号调理 智能传感 采用多种方式的数据采集系统本文构建的系统，采用工业控制计算机作为中央处理模块，实现数据采集控制和数 据初步处理的功能；加装网卡组建以太网与上位机通信，形成完全开放的数据通信方式； 工控机具备数量有限的 RS232485 串行通信口可通过工控机CPU 板上的跳线; 用于与标准串口设备进行数据交换，当串口设备较多时，还可使用串口扩展卡进行扩展。 22 前台单元设计 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。 本文在构建采集系统的过程中使用了虚拟仪器技术，将数据采集程序的各种功能集于一 身。在具体实现时使用了图形化的编程语言不但提高了编程效率，而且可以方便地进行 现场调试。本文构建的系统能够监测到所设计的全部12 项参数如表1 所示，前台系统的显示界面如图 所示。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。 后台专家诊断单元设计系统的上位机位于变电站的主控室中，其界面如图 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。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。 将变压器绝缘状态作为研究对象，则该系统就构成了一个多传感器系统，包括局部 放电、油中气体、油温、铁心接地电流、套管绝缘特性等多个监测项目，本文提出了变 压器相关的监测、故障诊断、寿命预测等问题与信息融合层次之间的对应关系，如图 i=1,2,…,13为传感器输出的原始数据，S i=0,2,…,8表示各判决器的输出。每个判决器都是一个局部的融合系统，所以应当选择相关性较强、采样时刻一致的传感器成为 一组，例如取同电压等级的三相套管、变压器油的各部分温度等。其中 是判决结果融合中心，可以采用与其他判决器不同的融合策略。局部判决器的判决结果被传送到 后面的局部融合中心或结果融合中心，融合中心也是一种判决器，但是其融合策略更加 复杂，考虑的情况更多。一般采用专家系统模型：它把各下级判决器的结果转化成人类 可以理解的几个结论，从而得到最终的结果。这个结果还会被量化后返回给各底层判决 器，用于调节阈值和算法参数，使各判决器的性能逐渐稳定下来。 局部放电油中气体 高压套管 中压套管 油中水分 铁芯电流 油温 采集源传感器局部融合 融合中心 中的传感器分级融合的结构是根据变压器结构、传感器作用范围和相关性划分的，局部放电传感器（y ）可以检测到变压器内部、套管及其他部件的故障，作用范围较广，所以通过判决器S ）对变压器绝缘的危害程度又与油温有关，所以将 中，得到局部融合结果后再进入后面的融合中心（S 10）和中压套管（y 11 13）检测数据各自独立， 所以通过各自的判决器（S ）。可以看出，多传感器系统的13 组原始数据，进入最后一级融合中心时已被减少为4 个，这样就把一个复杂的多变量 问题分级简化了。 网络功能设计随着企业信息化管理的发展，需要将智能变压器监测系统与企业原有的信息系统连 接起来，将变压器的状态信息纳入到企业管理信息系统或是其他系统中。本文中构造的 系统全部采用以太网进行通信，形成了基于Windows 操作系统的局域网，使其与其他系 统互联比较方便，结构如图7 所示。 设备状态诊断的内容包括设备的潜伏故障预测报警、运行状态评价、残余寿命预测、 检修策略建议等诸多方面内容，诊断过程中需要进行大量测试和历史数据分析，这都是 很有价值的信息。过去的很长一段时间里，设备的故障诊断局限于各个电业部门，而通 信技术、经济体制等各方面的因素，制约了诊断技术的发展；虽然高校和一些专业的科 研院、所具备较强的研究能力，但由于大量的状态数据及现象难于收集，在故障模式分 类和故障原因的理解等方面进展缓慢，而各个电业单位虽然掌握着自己局限的数据资源， 但深入分析不够。目前电力部门正逐渐加强电业部门与高校及科研院所的合作开发系统， 随着逐步完善，不但可以指导检修，还是进一步改进产品设计的可靠依据。可以预测， 这将使各方面受益，代表了未来智能化电网的发展方向，必定推动我国电力工业的发展。 结论本文对智能化电力变压器系统进行了整体描述，讨论了变压器故障类型、智能系统 结构选择、传感器特性和虚拟仪器技术的应用等内容，并将信息融合技术应用于状态诊 断系统中。智能化电力变压器系统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 化电网的发展方向。 作者简介： 张冠军，西安交通大学教授、博士生导师，主要从事高电压绝缘介电现象、变电设 备状态检修与故障诊断、放电物理与等离子体技术的研究。 黄新波，教授，西安交通大学博士后，主要从事电力系统在线监测理论与技术、无 线网络传感器等方面研究。 赵文彬，工程师，西安交通大学博士，主要从事电力系统在线监测理论与技术、故障诊断等方面研究。 经典婚庆主持词 炮竹声声贺新婚,欢声笑语迎嘉宾 好歌好语好季节,好人好梦好姻缘来宾们今天是公元****年**月**日农历六月初八是良辰吉日,在这大吉大利吉祥 喜庆的日子里,我们怀着十二分的真诚的祝福相聚在***酒楼一楼婚宴大厅共同庆贺*** 先生与***小姐新婚典礼首先我们给予掌声的恭喜大家都知道结婚是人生中的一件大 事,而婚礼更是人生中最幸福神圣的时刻,尤其婚礼上浪漫温馨高雅别致的婚礼仪式以及 亲朋好友的良好祝愿会给新人一生永远带来最美好的回忆各位亲朋好友,我是本次婚礼 庆典的主持人***今天我十分荣幸地接受新郎新娘的重托,步入这神圣而庄重的婚礼殿 堂为新郎***,新娘***的婚礼担任司仪之职让我们在这里共同见证一对新人人生中最幸 福神圣美好的一刻！ 真是: 百鸟朝凤凤求凰,龙凤呈祥喜洋洋 让我们用掌声祝贺他们祝福新人 凤凰展翅迎朝晖,恩爱鸳鸯比翼飞 携手同步知心人,共创宏图献线; 郎才女貌天作美,洞房花烛喜成双 在神圣的婚礼进行曲中一对新人手挽手,肩并肩缓缓步入婚礼大厅脸上充满了无比 幸福的笑容让我们用掌声与鲜花给予一对新人最诚挚的祝福婚姻是人生大事,结婚典礼 对青年男女来说是一生中最重要的时刻 你也笑,我也笑,亲朋好友齐来到 天也新,地也新,众星捧月迎新人 10 新郎新娘台上站,甜蜜感觉涌心间 风风雨雨牵手过,今天喜结美姻缘 亲朋好友齐相聚,欢欢喜喜来贺喜 天仙配,幸福的生活比蜜甜在这个激动人心的美好时刻,作为婚庆司仪,首先请允许我代表新郎新娘以及新郎新 娘的双方家长,对今天百忙当中来参加婚礼的各位来宾,各位亲朋好友的光临表示最诚挚 的谢意和热烈的欢迎谢谢大家!欢迎你们! 婚礼对每一个新婚的人而言,都是神圣,浪漫,唯美和经典的,随着神圣的婚礼进行曲 奏响,英俊的新郎和美丽的新娘在掌声与祝福声中,缓缓的步上红地毯,那是万众瞩目的 一瞬,那是梦寐以求的一瞬,那是凝结爱的万语千言的一瞬,那是最激动人心的一瞬,一同 迷醉在尘世间最美妙的气氛里 爱情是古老而年轻的话题,也是不朽的人生主题许多人已经拥有,更多人正在追求, 今天这两位新人从有过初恋时月上柳梢头,人约黄昏后的热烈心跳,到也有热恋中冷 落清秋伤别离的难舍难分,经历了似水柔情,如梦佳期,的苦苦期盼,品尝过相知不渝, 永结金兰的浪漫温馨,终于迎来这携手共赴红地毯的幸福时刻啊!美丽的新娘,这一刻, 整个世界因你而多姿多采,英俊萧洒的新郎,这一刻,整个宇宙而为你祝福,祝福你们在这 鲜花绽开的时候,祝福你们在这神圣庄重的幸福时刻 首先由我介绍一下二位新人,站在我身边这位英俊潇洒的男子就是我们今天的新郎 官***先生,掌声恭喜新郎不仅风度翩翩,气质不凡,而且忠厚诚实为人和善,是一位才 华出众的好青年大家往我们新郎身上看,新郎今天是新洗的脸,新刷的牙,新刮的胡子, 新理的发,新衬衣,新领带,新买的皮鞋脚下踩,新背心,新西服,里边还穿了一条新内裤, 新郎浑身上下全是新,新郎心情喜盈盈大家给点掌声旁边这位美丽迷人漂亮温柔的女 子,就是我们今天的新娘子***小姐掌声恭喜介绍新娘,大家看我们的新娘人家眉毛好, 眼睛好,鼻子好,嘴巴好,耳朵好,脸蛋好,最关键还是人家心眼好,温馨小姐温文而雅,贤 惠大方,青春高洁,性情端庄,诚实可靠,心地善良,遇事豁达,外柔内刚,新郎你线 新娘不仅温柔体贴,漂亮可爱而且手巧能干,心灵纯洁,是一位可爱的好姑娘二位新人的 结合我可以用八个字来形容在合适不过那就是珠联壁合,佳偶天成,或郎才女貌,天生一 对!大家一起说是不是各位嘉宾,各位朋友,二位新人经过甜蜜的恋爱,耐心的等待,终 于在法律的保护下正式结为幸福伴侣茫茫人海,芸芸众生中, 让我们为幸福的恋人 起舞，为快乐的爱侣歌唱，为火热的爱情举杯，愿他们的人生之路永远洒满爱的阳光， 好，各位来宾，亲爱的朋友们，今天的新婚庆典议式就暂时告一个段落，那么，接下来 咱们要进行的是喝喜酒大赛，今天咱们的老东家准备了一些薄酒淡菜不呈敬意，那么在 开局之前呢送我们在座的所有来宾一副对联。上联是：吃，吃尽天下美味不要浪费，下 联是：喝，喝尽人间美酒不要喝醉，横批是赵本山的一句至理名言：吃好喝好！那么最 后呢也祝愿我们在场的所有来宾所有的朋友们家庭幸福，生活美满，身体健康，万事如

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