0 引言

    變壓器直流偏磁是指交直流并列運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)在直流輸電發(fā)生故障或單極閉鎖時，在換流站周圍區(qū)域內(nèi)會產(chǎn)生地表電流，與其并行運(yùn)行的交流輸電系統(tǒng)中聯(lián)絡(luò)變壓器會受到干擾，變壓器接地中性點(diǎn)會產(chǎn)生直流分量^[1]。直流偏磁發(fā)生時，變壓器運(yùn)行聲音變大，振動加劇，嚴(yán)重時會使變壓器鐵芯極度飽和，局部過熱導(dǎo)致變壓器損壞。變壓器直流偏磁嚴(yán)重時也會使電網(wǎng)電壓下降，電容器組過載，繼電保護(hù)誤動作，對系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生危害^[2]?？焖?、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)變壓器直流偏磁是降低直流偏磁對設(shè)備、系統(tǒng)危害的關(guān)鍵。

    目前，對變壓器偏磁研究主要集中在中性點(diǎn)電流分析上。文獻(xiàn)[3]在天廣直流模型基礎(chǔ)上，對直流偏磁進(jìn)行建模仿真。文獻(xiàn)[4]利用在變壓器中性點(diǎn)加裝電流互感器的方式監(jiān)測直流偏磁，能夠準(zhǔn)確監(jiān)測出變壓器直流偏磁，并送至監(jiān)控系統(tǒng)上。文獻(xiàn)[5]對變壓器偏磁發(fā)生時振動信號進(jìn)行分析，理論上證實可以利用振動信號監(jiān)測變壓器偏磁。但是，基于檢測中性點(diǎn)電流或在本體上安裝振動傳感器的直流偏磁報警裝置具有如下缺點(diǎn)：(1)成本高。設(shè)備由霍爾電流互感器、現(xiàn)地監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、通信模塊等構(gòu)成，因此造成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高；(2)實現(xiàn)遠(yuǎn)方監(jiān)控需要長距離布線。大型變壓器通常是在遠(yuǎn)離監(jiān)控系統(tǒng)的戶外運(yùn)行，如果要實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，需要長距離布線和安裝中繼器等設(shè)備；(3)影響變壓器正常運(yùn)行。設(shè)備安裝在變壓器本體或中性點(diǎn)引出線，安裝時變壓器需停運(yùn)，設(shè)備發(fā)生故障時可能會影響變壓器正常運(yùn)行。

    針對上述問題，本文通過采用變壓器偏磁聲音變大這一特征獲取聲音信號，當(dāng)變壓器運(yùn)行聲音超過設(shè)定的門限值后，由GSM模塊發(fā)送短消息到值班員手機(jī)上，達(dá)到快速報警的目的。設(shè)備不需安裝在變壓器本體，其安裝與維護(hù)不影響變壓器正常運(yùn)行。

1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

    裝置由聲音采集模塊、S7-200PLC、TC35模塊三部分組成（如圖1所示）。聲音采集模塊中聲控開關(guān)常開接點(diǎn)接到S7-200PLC輸入點(diǎn)I0.0，S7-200PLC的Port0口通過PC/PPI電纜與TC35模塊連接。所有模塊集中安裝在一個箱體中，裝置面板有電源指示燈和偏磁報警指示燈。正常工作時電源指示燈亮，當(dāng)檢測到變壓器有偏磁現(xiàn)象時，偏磁報警指示燈亮，方便巡檢人員現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)變壓器偏磁。

1.1 聲音采集模塊構(gòu)成

    聲音采集模塊由電源電路、語音電路、單片機(jī)模擬電路、繼電器電路組成，模塊的核心是EM78P259ND18J單片機(jī)。圖2為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

    (1)聲控開關(guān)電源電路：該部分將AC200V電源通過內(nèi)部的整流橋電路與電容電阻分壓電路轉(zhuǎn)換成符合聲控系統(tǒng)工作的直流電壓，提供給電路板工作。

    (2)聲控開關(guān)語音電路：該部分電路主要感應(yīng)外界語音信號，通過語音信號觸發(fā)模塊工作，從而使整個系統(tǒng)工作。

    (3)聲控開關(guān)芯片模擬電路：將外界語音信號轉(zhuǎn)變成模擬電壓信號，使芯片工作。

    (4)聲控開關(guān)繼電器電路：當(dāng)外界聲音達(dá)到門限值并持續(xù)一段時間后，繼電器常開接點(diǎn)閉合，向外輸出一個開關(guān)量；當(dāng)外界聲音低于門限值并持續(xù)一段時間后，繼電器常開接點(diǎn)斷開。

    模塊還配置有3個電位器，用來調(diào)節(jié)聲音門限、延時時間X(聲音大于門限值持續(xù)時間)、延時時間Y(聲音小于門限值持續(xù)時間)。下面介紹具體調(diào)節(jié)方法：

    (1)聲音靈敏度基準(zhǔn)設(shè)置:逆時針方向靈敏度提高,順時針方向靈敏度降低,調(diào)節(jié)最大圈數(shù)位28圈。通過測量CPU芯片的第2腳電壓可知,接近0 V靈敏度最高,接近5 V靈敏度最低，靈敏度范圍30 dB～120 dB。

    (2)延時時間X設(shè)置：逆時針方向時間調(diào)小，順時針方向時間調(diào)大，調(diào)節(jié)最大圈數(shù)位28圈，每圈時間255/28 min。通過測量CPU芯片的第1腳電壓可知，接近0 V時間最小，接近5 V時間最大。

    (3)延時時間Y設(shè)置：逆時針方向時間調(diào)小，順時針方向時間調(diào)大，調(diào)節(jié)最大圈數(shù)位28圈，每圈時間255/28 min，通過測量CPU芯片的第17腳電壓可知，接近0 V時間最小，接近5 V時間最大。

1.2 TC35模塊結(jié)構(gòu)

    圖3為TC35模塊結(jié)構(gòu)圖。TC35模塊主要由4部分組成：GSM基帶處理器(GSM Baseband)、GSM射頻部分(Radio)、電源ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、Flash。TC35共有40個引腳，通過一個ZIF(Zero Insertion Force)連接器引出。這40個引腳可以劃分為5類：電源、數(shù)據(jù)輸入/輸出、SIM卡、音頻接口和控制。GSM基帶處理器是整個模塊的核心，控制著模塊內(nèi)各種信號的傳輸、轉(zhuǎn)換和放大等處理過程。GSM射頻部分完成對射頻信號的接收和發(fā)送等處理。電源ASIC部分把外部輸入的電源電壓進(jìn)行穩(wěn)壓處理后供GSM基帶處理器和GSM射頻部分使用，此外還輸出一個2.9 V/70 mA的電壓供模塊外的其他電路使用。Flash用來存儲用戶配置信息、電話本和其他信息。

    TC35模塊通過串口與S7-200PLC通信，當(dāng)接收到S7-200PLC發(fā)送短信的指令后向指定手機(jī)號碼發(fā)送短消息。使用時要運(yùn)用串口調(diào)試軟件對TC35進(jìn)行設(shè)置，用“AT+CMGF=1”指令設(shè)置TC35以普通文本格式發(fā)送短消息，用“AT+IPR=9600”設(shè)置TC35端口波特率為9 600 b/s，用“ATE0”設(shè)置禁止回波，使其適合與PLC通信。

1.3 S7-200PLC功能實現(xiàn)

    S7-200PLC擁有自由口通信能力，它是建立在半雙工RS-485硬件基礎(chǔ)上的一種通信方式，可以自定義字符通信格式。硬件上使用PC/PPI電纜將PLC和TC35連接起來，通過XMT(發(fā)送)和RCV（接收）兩條指令及相應(yīng)的特殊寄存器實現(xiàn)與TC35模塊通信。

1.3.1 Port0端口初始化

    由于采用自由口通信方式，需要在程序第一個掃描周期對端口初始化，即對S7-200PLC特殊寄存器進(jìn)行賦值，具體賦值及含義如表1所示。

1.3.2 程序執(zhí)行流程

    首次掃描對Port0口初始化后，PLC每個掃描周期均檢測I0.0是否是高電平。變壓器運(yùn)行正常時，聲音檢測模塊的聲控開關(guān)繼電器沒有勵磁，常開接點(diǎn)斷開，I0.0沒有輸入信號，為低電平。當(dāng)變壓器發(fā)生偏磁，聲音檢測模塊的聲控開關(guān)繼電器勵磁，常開接點(diǎn)閉合，I0.0輸入24 V信號，PLC檢測到I0.0上升沿，與TC35模塊通信，將存儲在PLC數(shù)據(jù)塊的告警信息發(fā)送到TC35模塊，TC35接到指令后即向指定號碼發(fā)送變壓器告警短信。當(dāng)變壓器偏磁消失，I0.0輸入由高電平變?yōu)榈碗娖?，PLC檢測到I0.0下降沿信號，與TC35模塊通信，發(fā)送變壓器偏磁告警復(fù)歸信息給指定號碼，達(dá)到解除報警的目的。S7-200PLC程序執(zhí)行流程如圖4所示。

2 試驗及使用效果分析

2.1 聲音采集模塊試驗

    根據(jù)變壓器正常運(yùn)行的聲音與偏磁時聲音分貝值不同來調(diào)整聲音靈敏度電位器和延時電位器，使繼電器在小于75 dB時不動作，大于75 dB且持續(xù)5 s后動作；聲音小于75 dB且持續(xù)5 s后繼電器復(fù)歸。如圖5所示，變壓器聲音信號中有一段瞬時噪音(3 s)，由于不足5 s，繼電器沒有動作，避免了在實際應(yīng)用中由于外部環(huán)境瞬時噪音導(dǎo)致誤判。

2.2 PLC程序運(yùn)行監(jiān)視

    當(dāng)聲音采集模塊繼電器動作后，常開接點(diǎn)閉合，PLC I0.0點(diǎn)輸入高電平信號，延時后與TC35模塊通信，TC35模塊按照指令向指定手機(jī)發(fā)送短信。圖6是PLC程序運(yùn)行監(jiān)視圖，VB0存放指定手機(jī)號碼，VB100用來存放TC35模塊返回信息。由圖可知當(dāng)檢測到I0.0點(diǎn)上升沿時，裝置本體Q0.0輸出，現(xiàn)場告警燈亮，同時與TC35通信，發(fā)送告警短信。

2.3 實際使用效果

    2013年7月4日，天廣直流發(fā)生單極閉鎖，天生橋電廠運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)#4B聯(lián)變運(yùn)行聲音異常，聲音明顯增大，類似聯(lián)變充電時的聲音?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，聯(lián)變中性點(diǎn)接地電流直流分量最大測量值為2.76 A。變壓器生產(chǎn)廠家日本三菱公司對偏磁情況說明，在DC 3 A時，噪音會增加7.3 dB，溫升低于2 K。變壓器最大能承受中性點(diǎn)流過DC 20 A，此時噪音會增加9 dB。

    安裝無線報警裝置后，裝置自動報警發(fā)現(xiàn)直流偏磁3次，到現(xiàn)場測量中性點(diǎn)均有直流分量，與調(diào)度核實天廣直流有操作或單極運(yùn)行。

3 結(jié)論

    大型變壓器在電力系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，直流偏磁嚴(yán)重時會影響到系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。本文用噪音這一特征來檢測直流偏磁，并設(shè)計整套無線報警裝置，具有造價低廉、安裝便捷、運(yùn)行安全可靠等特點(diǎn)。由于聲音的采集可以遠(yuǎn)離變壓器主設(shè)備，該裝置對運(yùn)行設(shè)備沒有任何影響，可確保安裝和維護(hù)時變壓器正常運(yùn)行。

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