基于LabVIEW的变压器振动信号数据采集系统_舒恺.pdf

书书书测控技术2023 年第 42 卷第 1 期数据采集与处理收稿日期:2022 01 18基金项目:宁波市电力设计院科技攻关项目(YYKJ202025)引用格式:舒恺，郭高鹏，张洁，等 基于 LabVIEW 的变压器振动信号数据采集系统 J 测控技术，2023，42(1):106 112SHU K，GUO G P，ZHANG J，et al Transformer Vibration Signal Data Acquisition System Based on LabVIEW J Measurement Control Technology，2023，42(1):106 112基于 LabVIEW 的变压器振动信号数据采集系统舒恺，郭高鹏，张洁，余萃卓，胡杰(宁波市电力设计院有限公司，浙江 宁波315000)摘要:针对利用振动信号进行变压器状态研究的需求，设计了一种上下位机架构的变压器振动信号数据采集与处理系统。系统下位机由单片机、压电加速度传感器、滤波电路、同步模数转换器和通信接口电路等组成。单片机控制模数转换器将振动信号就地转换为数字量，通过 S485 接口连接温度和电流传感变送器，将采集到的现场数据经过以太网 Modbus TCP 协议与上位计算机进行传送。上位计算机利用LabVIEW 开发数据采集和处理软件，实现信号的读取、滤波、频谱分析和实时显示。经过仿真和实测表明系统能够实现变压器振动信号的采集和频谱分析等处理功能，在成本、扩展性、抗干扰和工程实用性等方面具有一定的优势。关键词:变压器振动信号;压电加速度传感器;数据采集与处理系统;Modbus TCP;LabVIEW;单片机中图分类号:TP274文献标志码:A文章编号:1000 8829(2023)01 0106 07doi:10 19708/j ckjs 2022 04 252Transformer Vibration Signal Data Acquisition System Based on LabVIEWSHU Kai，GUO Gao-peng，ZHANG Jie，YU Cui-zhuo，HU Jie(Ningbo Electric Power Design Institute Co，Ltd，Ningbo 315000，China)Abstract:According to the demand of transformer state research using vibration signal，a transformer vibrationsignal data acquisition and processing system based on upper and lower computer architecture is designed Thelower computer of the system is composed of single chip microcomputer，piezoelectric acceleration sensor，filtercircuit，synchronous analog-to-digital converter(ADC)and communication interface circuit The single chipmicrocontroller controls the ADC to convert the vibration signal into digital quantity locally，connects the tem-perature and current sensor transmitter through S485 interface，and transmits the collected field data to theupper computer through Ethernet Modbus TCP protocol The upper computer uses LabVIEW to develop dataacquisition and processing software to realize signal reading，filtering，spectrum analysis and real-time displayThe simulation and measurement show that the system can realize the processing functions of transformer vibra-tion signal acquisition and spectrum analysis，and has certain advantages in cost，expansibility，anti-interferenceand engineering practicabilityKey words:transformer vibration signal;piezoelectric acceleration sensor;data acquisition and processing sys-tem;Modbus TCP;LabVIEW;single chip microcontroller电力变压器是从发电厂到变电站整个电网系统中的主要和关键的设备，其工作状态的好坏关系到电网能否安全、平稳地运行。如何对变压器进行维护和监测来避免生产事故的发生，一直是变压器在设计和使601用中关注的重点。目前对变压器进行在线监测的主要方法包括溶解性气体、热成像和机械振动等，其中振动检测法作为一种变压器的体外检测方法，与电力设备没有直接的电气连接，不会影响设备的运行，具有投入小和施工方便的优势，成为研究的热点之一1 3。文献 4 和文献 5 采用数据采集卡的方案来采集变压器振动信号，这种方案通信距离短且成本高，多用于实验室研究，不太适合在实际工程项目中推广应用。笔者提出了一种由单片机控制模数转换器对多路振动信号进行就地转换，然后通过以太网 Modbus TCP 协议将数据传送至远端计算机，利用 LabVIEW 开发上位机软件进行信号显示和分析的变压器振动信号数据采集和处理系统。1变压器振动信号的特征分析电力变压器的振动主要来自铁心振动和绕组振动，绕 组 变 形 和 铁 心 松 动 约 占 变 压 器 总 故 障 的60%6。变压器工作时绕组中通过电流，电磁感应作用下的电磁力作用在线饼、线匝间使绕组产生振动。当绕组发生变化如变形、移位时，会导致绕组振动的强度和特征发生变化。变压器绕组可以等效为质量 弹簧 阻尼系统，绕组的振动加速度和变压器电流的平方成线性关系，振动频率是电流频率即工频的 2 倍，为100 Hz。另外由于绕组的非线性，其稳态解中含有二次和三次项等，因此绕组的振动频率除基频外还包括200 Hz、300 Hz 等高次谐波7。变压器的铁心由于磁致伸缩效应会引起振动，铁心磁致伸缩变化频率为磁场频率的2 倍8，所以铁心振动的频率是电流的2 倍，即 100 Hz。与绕组振动类似，由于非线性等原因，铁心振动也会包含高次谐波。铁心和绕组的振动经由支撑骨架和变压器油等传递到变压器外表面，由于机械系统的阻尼特性，较高频率的高次谐波很难传递到变压器外表面，能检测到的振动信号多在 2 kHz 以内，不同原理、不同个体的变压器会有差异，更为普遍的振动信号在 1 kHz 以内9。2需求分析和方案设计针对变压器振动信号的频率范围，根据采样定理和充分还原信号细节的考虑，采样倍率设为 10 倍。变压器不同部位的振动信号频率和相位也不尽相同，其相位关系包含了某些特征信息，因此需要采用同步方式采集多个位置的信号以便于分析振动信号之间的关系。振动信号采用压电加速度传感器采集。除了振动信号外，变压器负载和温度等对振动信号也有影响，故将负载电流和温度等参数一并采集。电流和温度的传感变送器市场上可选的成品较多，例如，模拟信号输出的、采用 S485 接口的等。为了简化传感器电路设计和适合现场的工作环境，选用基于 S485 接口 ModbusTU 协议的传感变送器10。压电加速度传感器输出的信号为模拟式小信号，而变压器工作时自身产生的电磁干扰及所处变电站、配电房等环境的电磁干扰均较为严重，如果直接将传感器输出的信号远程传送或简单放大后传送，容易耦合进来一些干扰信号导致采集信号失真。将传感器的信号就地转换成数字量后进行远程传送能较好地解决长距离传送过程中串扰和共模干扰的问题。系统在现场将传感器信号调理后接入模数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)，单片机控制 ADC按一定的采样率完成同步数据采集，然后将数据发送至上位计算机，利用上位计算机强大的计算能力进行信号分析和处理。上位计算机一般安放在中控室或机房，距离变压器安装位置通常有数百米的距离，两者之间可采用 S485 或以太网实现数据通信。系统按 10倍采样率采集振动信号，每个数据为 16 位，1 s 内产生的振动数据简单估算为 4 路(振动信号)16 位 2 k频率 10 倍采样率+2 路(电流和温度)16 位 1 k频率，对应速度要求为 1312 kbit/s。考虑通信时添加的报头、校验码和主从问答响应时间等，预估至少需要2 Mbit/s 的通信速率，这远高于工程中 S485 远距离传输时的可靠通信速度，因此采用以太网通信更为可行。考虑上位计算机信号处理软件开发的方便和快捷，选用 LabVIEW 软件进行开发。LabVIEW 中的动态稳定控制(Dynamic Stability Control，DSC)系统对Modbus TCP 提供了较好的支持，单片机端对 ModbusTCP 提供一些库，程序开发较为方便，因此综合考虑通信速率和软件开发的便捷性，最终确定采用以太网传输方式、Modbus TCP 通信协议来实现单片机和上位计算机之间的通信。根据上述分析，基于 LabVIEW 的变压器振动信号数据采集与处理系统主要分为现场数据采集端和远端计算机 2 个部分，系统组成如图 1 所示。现场数据采集端由加速度传感器与其供电恒流电路、滤波电路、ADC、单片机和网络接口等组成，上位机运行基于 Lab-VIEW 开发的数据采集和分析软件实现信号显示、处理等功能。图 1系统组成框图701基于 LabVIEW 的变压器振动信号数据采集系统3数据采集端电路设计3 1单片机的选择综合考虑系统对网口等外设和计算能力的需求，选用 STM32F407ZET6 单片机。该单片机的主要资源有:AM 32-bit Cortex-M4 的 CPU，主频可达 168 MHz，内部集成512 KB 的 Flash 存储器、192 KB 的 SAM 存储器，具有4 个 USAT、1 个10/100 M 以太网 MAC 接口和 3 个交错式 12 位 ADC。系统利用单片机 STM32F407ZET6 的 2 个 USAT外扩 S485 接口电路分别连接电流传感器和温度变送器，以太网 MAC 接口经 MII 与以太网 PHY 层芯片连接实现以太网通信。该单片机集成了 12 位 ADC，从分辨率和转换速度上可以满足振动信号采集的要求，但不具有同步采集能力，因此采用外扩同步 ADC的方法实现对振动信号传感器的模数转换。3 2压电加速度传感器电路设计根据变压器振动信号的特征，选择上海澄科电子科技有限公司的压电加速度传感器 CT1050LC，其测量范围为 0 10g，使用频率范围为 0 2 1500 Hz，灵敏度为 500 mV/g。该传感器内部具有电荷放大器电路，其满量程输出接近 5 V，因此无需专门添加放大电路。传感器采用二线制形式，将恒流供电和信号输出共用，具有信噪比高的特点，能满足变压器振动信号的采集需求。加速度传感器 CT1050LC 需要采用 2 10 mA恒流供电，由于现场电磁干扰，有可能会混入工频信号和