一种配电变压器状态监测与故障诊断装置

摘要

本发明涉及一种配电变压器状态监测与故障诊断装置，包括配电变压器状态监测模块、A/D数模转换模块、MCU控制处理模块、故障诊断输出模块、远程无线通信模块、HMI人机交互模块和POE电源模块，的配电变压器状态监测模块包括配电变压器特征气体监测单元、配电变压器绕组温度监测单元、配电变压器局部放电监测单元和配电变压器介电损耗监测单元，的配电变压器状态监测模块、A/D数模转换模块、MCU控制处理模块和故障诊断输出模块依次相连，远程无线通信模块、HMI人机交互模块和POE电源模块分别与MCU控制处理模块相连。与现有技术相比，本发明功能性强、可靠性高、实时监测参数种类多、稳定性强、监测精度高，同时可以准确识别出配电变压器各类型常见故障。

说明书

技术领域

本发明涉及配电设备故障诊断技术领域，尤其是涉及一种配电变压器状态监测与故障诊断装置。

背景技术

电力变压器作为电力系统中起着承上启下的核心设备之一，其安全、可靠的运行直接影响到整个电力系统的安全、稳定。目前针对电力变压器的状态监测与故障诊断装置大都偏向于35kV及以上的高压电力变压器，而对于10kV及以下的配电变压器状态监测的设计与故障诊断的研究并没有得到相应的推广与应用。

随着智能配电网建设的深入推进，对于10kV及以下的配电变压器状态监测与故障诊断提出了更高的要求。一方面，10kV及以下的配电变压器的安装地点大都处于户外，工作环境相较于35kV及以上的高压电力变压器恶劣很多，发生故障的几率大，且10kV及以下的配电变压器数量巨大、分布范围极为广泛；另一方面，针对10kV及以下的配电变压器的检修一般采用计划性检修，存在检修针对性不强、分不清主次、检修方式僵化等问题，不仅浪费了大量的人力、物力、财力，还降低了配电变压器的利用率和电网的供电可靠性，严重影响到电网的整体经济效益。同时10kV及以下的配电变压器几乎很少配备具有故障诊断功能的在线状态监测装置，且此类诊断装置存在功能简单、精度低、实时性差、稳定性差和监测参数单一等缺点，无法可靠、准确的识别出配电变压器常见的故障类型。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种配电变压器状态监测与故障诊断装置，能够对10kV及以下的配电变压器进行故障检测。

实现上述目的的一种技术方案是：一种配电变压器状态监测与故障诊断装置，其特征在于，包括配电变压器状态监测模块、A/D数模转换模块、 MCU控制处理模块、故障诊断输出模块、远程无线通信模块、HMI人机交互模块和POE电源模块，所述的配电变压器状态监测模块包括配电变压器特征气体监测单元、配电变压器绕组温度监测单元、配电变压器局部放电监测单元和配电变压器介电损耗监测单元，所述的配电变压器状态监测模块、A/D数模转换模块、MCU控制处理模块和故障诊断输出模块依次相连，远程无线通信模块、HMI人机交互模块和POE电源模块分别与MCU控制处理模块相连。

进一步的，所述的配电变压器特征气体监测单元包括配电变压器油气分离单元和光纤气体传感器阵列单元。

进一步的，所述的配电变压器绕组温度监测单元包括锯齿波滤波器单元、光纤光栅温度传感器测量单元、光电探测器接收单元和信号调理单元。

进一步的，所述的配电变压器局部放电监测单元包括压电式超声波传感器单元、前置放大单元和滤波放大单元。

进一步的，所述的配电变压器介电损耗监测单元包括配电变压器三相电压单元、配电变压器基准电压获取单元、配电变压器三相电流单元、配电变压器三相电流采集单元和配电变压器模拟信号调理单元。

进一步的，所述的A/D数模转换模块采用ADS8344数模转换芯片。

进一步的，所述的MCU控制处理模块采用STM32H747主控芯片。

进一步的，所述的故障诊断输出模块采用GRU神经网络算法识别配电变压器常见的油中溶解气体故障、绕组温度故障、局部放电故障、接地电流故障。

进一步的，所述的POE电源模块包括PSE供电端部分和PE受电端部分，其中PE受电端部分采用AMS1117-5.0电压转换芯片。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明装置中的配电变压器状态监测模块包括配电变压器特征气体监测单元、绕组温度监测单元、局部放电监测单元和介电损耗监测单元，涵盖了配电变压器几乎所有常见故障的状态参数，完全满足智能配电网下对配电变压器实时状态监测与故障诊断的要求。其中绕组温度监测单元中的光纤光栅温度传感器弥补了传统直接测量法破坏变压器绝缘的劣势，无需提供电源，具有非常高的准确性和稳定性，特别适合环境恶劣的户外场所；局部放电监测单元中的压电式超声波传感器弥补了传统局部放电监测方法受电磁干扰的劣势，具有精度高、抗干扰能力强等优点，同时还可以准确定位配电变压器的放电位置。

(2)本发明装置的POE电源模块是指在目前现有以太网Cat-5双绞线布线的基础上，不对任何架构作改动，采用一根以太网双绞线传输数据的同时又能提供直流电的技术，具有以下优点：可以和标准以太网架构实现无缝集成；避免了交流供电繁琐的安装，有效降低了安装、施工费用；可以实现对配电变压器的远程监控；AMS1117-5.0电压转换芯片可以完全满足各模块所需的工作电压。

附图说明

图1为本发明一种配电变压器状态监测与故障诊断装置的结构框图；

图中标号所示：

1、配电变压器状态监测模块，11、配电变压器特征气体监测单元， 12、配电变压器绕组温度监测单元，13、配电变压器局部放电监测单元， 14、配电变压器介电损耗监测单元14，111、配电变压器油气分离单元， 112、光纤气体传感器阵列

单元，121、锯齿波滤波器单元，122、光纤光栅温度传感器测量单元， 123、光电探测器接收单元，124、信号调理单元，131、压电式超声波传感器单元，132、前置放大单元，133、滤波放大单元，141、配电变压器三相电压单元，142、配电变压器基准电压获取单元，143、配电变压器三相电流单元，144、配电变压器三相电流采集单元，145、配电变压器模拟信号调理单元，2、A/D数模转换模块，3、MCU控制处理模块，4、故障诊断输出模块，5、远程无线通信模块，6、HMI人机交互模块，7、POE电源模块。

具体实施方式

为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例进行详细地说明：

请参阅图1，本发明涉及一种配电变压器状态监测与故障诊断装置，该装置包括配电变压器状态监测模块1、A/D数模转换模块2、MCU控制处理模块3、故障诊断输出模块4、远程无线通信模块5、HMI人机交互模块6和POE电源模块7：

(1)配电变压器状态监测模块1：包括配电变压器特征气体监测单元 11、配电变压器绕组温度监测单元12、配电变压器局部放电监测单元13 和配电变压器介电损耗监测单元14，其中：

配电变压器特征气体监测单元11包括配电变压器油气分离单元111 和光纤气体传感器阵列单元112；

优选的，配电变压器特征气体监测单元11具体监测流程如下：首先将配电变压器油气分离单元111安装在配电变压器油流动顺畅的部位，然后渗透膜将会把溶解在配电变压器油中的特征气体(H

配电变压器绕组温度监测单元12包括锯齿波滤波器单元121、光纤光栅温度传感器测量单元122、光电探测器接收单元123和信号调理单元124；

优选的，配电变压器绕组温度监测单元12具体监测流程如下：首先将配电变压器绕组温度监测单元12安装在配电变压器三相绕组上(共计6 个绕组)，然后锯齿波滤波器单元121中的压电体器件通过不断的对配电变压器三相绕组上的自由光谱进行扫描，此时如果光纤光栅温度传感器测量单元122中的中心波长和锯齿波滤波器单元121中的波长相等，那么光电探测器接收单元123便可以探测并接收到来自于光纤光栅温度传感器测量单元122中的光信号，最后再通过信号调理单元124将光电探测器接收单元123中的光信号转换为MCU控制处理模块3能够识别处理的电信号。

配电变压器局部放电监测单元13包括压电式超声波传感器单元131、前置放大单元132、滤波放大单元133；

优选的，配电变压器局部放电监测单元13具体监测流程如下：首先将配电变压器局部放电监测单元13安装在配电变压器油箱壁上，然后压电式超声波传感器单元131便可以侦测到配电变压器发生局部放电时的超声波信号，最后经前置放大单元132的放大和滤波放大单元133的滤波、放大，便可以得到损耗更低、质量更高的配电变压器局部放电超声波信号，同时转换为MCU控制处理模块3能够识别处理的电信号。

配电变压器介电损耗监测单元14包括配电变压器三相电压单元141、配电变压器基准电压获取单元142、配电变压器三相电流单元143、配电变压器三相电流采集单元144和配电变压器模拟信号调理单元145；

优选的，配电变压器介电损耗监测单元14具体监测流程如下：首先将配电变压器介电损耗监测单元14安装在配电变压器高压绝缘套管附近，然后配电变压器三相电流采集单元144中的电流传感器从配电变压器三相电流单元143中的高压绝缘套管引出线上采集有功电流信号和无功电流信号，同时配电变压器基准电压获取单元142中的电压传感器从配电变压器三相电压单元141中的二次端子箱中采集基准电压信号，最后将配电变压器三相电流采集单元144中的电流信号和配电变压器基准电压获取单元 142中的电压信号同时传输至配电变压器模拟信号调理单元145中，便可得到MCU控制处理模块3能够识别处理的电信号。

(2)A/D数模转换模块2：采用ADS8344数模转换芯片，可以在 STM32H747主控芯片基础上进一步提高数据的实时采集效率和转换精度，主要技术参数：输入通道数8个；工作温度-40℃-+85℃；最大采样率 100ksps；分辨率16位；工作电压2.7V-5.25V。

(3)MCU控制处理模块3：采用STM32H747主控芯片，具有单精度浮点单元的Cortex-M4内核和双精度浮点单元的Cortex-M7内核的双核功能，多达35个通信接口。性能方面，拥有ART技术和L1高速缓存技术，DMIPS 性能评分高达3220；拥有22个32位定时器和16位定时器，最高运行时钟可达480MHz；同时支持NOR、SRAM、Compact Flash和SDRAM等多种存储器，具有灵活的32位并行接口存储控制器；工作电压1.62V-3.6V。

(4)故障诊断输出模块4：采用GRU神经网络算法可以准确识别出配电变压器常见的油中溶解气体故障、绕组温度故障、局部放电故障、接地电流故障等；

优选的，故障诊断输出模块4采用的门控循环单元(Gated Recurrent Unit，GRU)神经网络是长短期记忆网络(Long Short-Term Memory，LSTM) 的一种变体，也是一种特殊的循环神经网络(Recurrent Neural Network， RNN)，不仅弥补了RNN在梯度爆炸问题上的缺陷，更对LSTM进行了优化，在训练效果方面强于LSTM，是目前深度学习领域流行的一种神经网络算法。

(5)远程无线通信模块5：采用GPRS无线通信技术，具有数据延迟低、网络信号稳定、覆盖范围广以及设备通信费用低等优点。同时选用由华为公司生产的GTM900-C GPRS无线通信模块，具有性价比高、返修率低等优点，主要技术参数：GSM1800/EGSM900双频段；工作温度-30℃-+75℃；接收灵敏度<-106dBm；具有SIM卡、Audio、USB、UART等接口；工作电压3.4V-4.7V。

(6)HMI人机交互模块6：采用德国西门子生产的8寸 66643-0CB01-1AX1 MP277-8型号的HMI显示器，具有防护等级高、兼容性强、功能强大、环境耐受能力强、性价比高等优点。

(7)POE电源模块7：在目前现有以太网Cat-5双绞线布线的基础上，不对任何架构作改动，采用一根以太网双绞线传输数据的同时又能提供直流电的技术，

包括PSE供电端部分和PE受电端部分。其中PSE供电端部分不仅可以控制输出端电压和电流大小，还可以起到电源管理的作用；PE受电端部分采用AMS1117-5.0电压转换芯片，用于接收PSE供电端部分的供电，同时可以将电压转换为A/D数模转换模块2、MCU控制处理模块3、远程无线通信模块5、LED显示模块6等模块所需的工作电压。AMS1117-5.0电压转换芯片主要技术参数：最大输入电压18V；工作温度-20℃-+125℃；固定输出电压1.5V、1.8V、2.5V、2.85V、3.0V、3.3V、5.0V等，完全满足各模块所需的工作电压。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。