本發(fā)明屬于電力變壓器故障診斷技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種電力變壓器繞組故障在線監(jiān)測裝置及診斷方法。

背景技術(shù)：

電力變壓器作為電力系統(tǒng)最重要的樞紐之一，它的安全可靠運行直接關(guān)系到發(fā)電及供電系統(tǒng)的安全和可靠性，因此，對變壓器的故障檢測、維護及維修是保障供電系統(tǒng)正常運行的重要工作。各種電力設(shè)備中，電力變壓器的繞組是導(dǎo)致電力變壓器故障較多的部件之一，并且變壓器的結(jié)構(gòu)和電磁環(huán)境尤為復(fù)雜，其局放監(jiān)測問題顯得也較為突出，因此，深入研究變壓器故障的檢測和診斷方法，對提高變壓器生產(chǎn)水平，保證電網(wǎng)安全運行有著積極的意義。

電力變壓器在運行過程中，短路電抗的變化直接反應(yīng)電力變壓器繞組的變化，即通過在線監(jiān)測電力變壓器的短路電抗值的變化就能夠預(yù)知繞組變形的程度，從而避免了繞組變形導(dǎo)致的變壓器機械故障。目前使用的局部放電在線監(jiān)測方法也有很多，例如利用超聲波檢測定位法在線監(jiān)測電力變壓器局部放電定位置，該方法有一定的局限性：當(dāng)放電源位于變壓器繞組表層時測試是有效的，當(dāng)放電源位于變壓器絕緣深處時，信號將難以收到；對于同時出現(xiàn)的多點放電，如何判斷超聲信號的大小，如何區(qū)分其超聲信號，仍需要做進一步的工作；此外，此法在具有強電磁干擾的現(xiàn)場定位中準(zhǔn)確度不高。其原因主要有：變壓器內(nèi)部絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各種聲介質(zhì)對聲波的衰減及對聲速的影響都不一樣。目前使用的局部放電監(jiān)測超聲波傳感器抗電磁干擾能力較差，靈敏度也不很高；各種計算定位法中的算法也不盡完善。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種電力變壓器繞組故障在線監(jiān)測裝置及診斷方法，其實現(xiàn)了變壓器多故障信息的同時監(jiān)測，大大提高了采樣精度。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種電力變壓器繞組故障在線監(jiān)測裝置，包括超高頻傳感器、電壓傳感器、電流傳感器、同步信號采樣電路、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、DSP、CPLD、USB、PC機及語音報警器；電壓傳感器和電流傳感器的輸出端連接同步信號采樣電路的輸入端，同步信號采樣電路和超高頻傳感器的輸出端連接信號調(diào)理電路的輸入端，信號調(diào)理電路的輸出端連接A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入端，A/D轉(zhuǎn)換電路的輸出端連接DSP的輸入端，DSP的輸出端與CPLD的輸入端相連接，CPLD的輸出端與PC機通過USB相連接，PC機與語音報警器相連接。

所述同步信號采樣電路包括第一運算放大器、第二運算放大器、第一電阻、第二電阻、第三電阻、第四電阻、第五電阻、第一電容、第二電容及第三電容，第一運算放大器的負輸入端與其輸出端相連接，正輸入端與第一電阻、第一電容的一端相連接，第一電容的另一端接地，第一電阻的另一端為同步信號采樣電路的輸入端；第一運算放大器的輸出端連接第二電阻的一端，第二電阻的另一端連接第二電容、第四電阻的一端及第二運算放大器的正輸入端，第二電容的另一端接地，第四電阻的另一端連接第二運算放大器的輸出端，第二運算放大器的負輸入端連接第三電阻的一端，第三電阻的另一端接地；第二運算放大器的輸出端連接第五電阻和第三電容的一端，第五電阻的另一端連接電源，第三電容的另一端接地，第二運算放大器的輸出端為同步信號采樣電路的輸出端。

所述信號調(diào)理電路包括第三運算放大器、第四運算放大器、第六電阻、第七電阻、第八電阻、第九電阻、第十電阻、第十一電阻、第十二電阻、第十三電阻、第一二極管及第二二極管，第三運算放大器的正輸入端連接第七電阻的一端，第七電阻的另一端連接第一二極管的正極；第三運算放大器的負輸入端連接第六電阻和第十電阻的一端，第六電阻的另一端與第八電阻的一端相連接后，與信號輸入端Vi相連接，第八電阻的另一端與第四運算放大器的負輸入端相連接；第十電阻的另一端與第十二電阻的一端和第三運算放大器的輸出端相連接，第十二電阻的另一端與第一二極管的負極相連接后，與信號輸出端Vo2相連接；第四運算放大器的正輸入端與第九電阻和第十一電阻的一端相連接，第九電阻的另一端與第二二極管的正極相連接并接地，第十一電阻的另一端與第十三電阻的一端和第四運算放大器的輸出端相連接，第十三電阻的另一端與第二二極管的負極相連接后，與信號輸出端Vo1相連接。

采用所述的電力變壓器繞組故障在線監(jiān)測裝置的診斷方法，包括如下步驟：

步驟一：超高頻傳感器采集變壓器內(nèi)部的超聲波信號，電壓傳感器和電流傳感器分別通過變電站的電壓互感器和電流互感器的二次側(cè)采集三相一次側(cè)、二次側(cè)的電壓和電流信號；

步驟二：同步信號采樣電路將步驟一中采集的電力變壓器的各相一次側(cè)、二次側(cè)的電壓和電流信號進行濾波、過零比較、限幅處理，使其滿足A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入范圍；

步驟三：信號調(diào)理電路將步驟一中采集的超聲波信號及經(jīng)過步驟二中同步信號采樣電路處理后的各相一次側(cè)、二次側(cè)的電壓和電流信號進行雙極性處理；

步驟四：A/D轉(zhuǎn)換電路將經(jīng)過步驟三處理后的超聲波信號和各相一次側(cè)、二次側(cè)的電壓、電流信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到超聲波和各相一次側(cè)、二次側(cè)的電壓、電流的數(shù)字信號；

步驟五：通過電壓傳感器和電流傳感器采集第二組電力變壓器的各相一次側(cè)、二次側(cè)的電壓和電流信號，并將該信號通過同步信號采樣電路進行濾波、過零比較、限幅處理，再經(jīng)信號調(diào)理電路進行雙極性處理，最后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到第二組電力變壓器的各相一次側(cè)、二次側(cè)的電壓、電流的數(shù)字信號；同時將兩組電力變壓器的各相一次側(cè)、二次側(cè)的電壓、電流的數(shù)字信號和超聲波的數(shù)字信號傳輸至DSP；

步驟六：DSP采用互補集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法將超聲波的數(shù)字信號進行去噪處理，并且對兩組電力變壓器的各相一次側(cè)、二次側(cè)的電壓、電流的數(shù)字信號進行有效值、相角處理，進而得到兩組電力變壓器的各相一次側(cè)、二次側(cè)的電壓、電流的數(shù)字信號的相量值；建立電力變壓器的在線短路電抗模型，將兩組電力變壓器的各相一次側(cè)、二次側(cè)的電壓、電流的數(shù)字信號的相量值作為電力變壓器的在線短路電抗模型的輸入，計算出電力變壓器各相繞組的短路電抗值；

所述的電力變壓器的在線短路電抗模型為：

X_K＝Im{Z₁+Z′₂+Z′₃}

式中，Z₁為變壓器高壓側(cè)的阻抗，Z′₂為變壓器中壓側(cè)的阻抗在高壓側(cè)的折算值，Z′₃為變壓器低壓側(cè)的阻抗在高壓側(cè)的折算值，Im{}為取復(fù)數(shù)的虛部值，X_K為電力變壓器的短路電抗值；

步驟七：將步驟六中得出的電力變壓器各相繞組的短路電抗值和去噪處理后的超聲波的數(shù)字信號通過USB傳輸至PC機；

步驟八：PC機將經(jīng)過去噪處理后的超聲波數(shù)字信號進一步處理，得出局部放電坐標(biāo)，判斷局部放電位置，并顯示在屏幕上；在PC機上設(shè)定短路電抗變化率的上限閥值和下限閥值，并且將電力變壓器各相繞組的短路電抗值與歷史無故障的電力變壓器各相繞組的短路電抗值進行比較，進而得出短路電抗變化率；通過將上述得出的短路電抗變化率與設(shè)定好的短路電抗變化率的上限閥值和下限閥值進行比較，進而判定變壓器繞組的工作狀態(tài)，并將判定結(jié)果與各相一次側(cè)、二次側(cè)的電壓、電流數(shù)字信號的相量、相角和有效值顯示在屏幕上；若短路電抗變化率小于下限閥值，則PC機顯示的結(jié)果為正常；若短路電抗變化率在上限閥值與下限閥值之間，則PC機顯示存在故障隱患；若短路電抗變化率大于上限閥值，則PC機顯示故障并發(fā)送信號給語音報警器，發(fā)出警報通知相關(guān)檢修人員進行檢修。

步驟六中所述的建立電力變壓器的在線短路電抗模型的方法，具體包括如下步驟：

應(yīng)用基爾霍夫電壓定律，由變壓器等效模型得出：

式中，為變壓器高壓側(cè)電壓，為變壓器中壓側(cè)電壓在高壓側(cè)的折算值，為變壓器低壓側(cè)電壓在高壓側(cè)的折算值，為變壓器高壓側(cè)電流，為變壓器中壓側(cè)電流在高壓側(cè)的折算值，為變壓器低壓側(cè)電流在高壓側(cè)的折算值，Z1為變壓器高壓側(cè)的阻抗，Z′₂為變壓器中壓側(cè)的阻抗在高壓側(cè)的折算值，Z′₃為變壓器低壓側(cè)的阻抗在高壓側(cè)的折算值；

根據(jù)進一步整理公式(4)得：

式中，為變壓器高壓側(cè)電壓，為變壓器中壓側(cè)電壓在高壓側(cè)的折算值，為變壓器低壓側(cè)電壓在高壓側(cè)的折算值，為變壓器高壓側(cè)電流，為變壓器中壓側(cè)電流在高壓側(cè)的折算值，為變壓器低壓側(cè)電流在高壓側(cè)的折算值，Z₁為變壓器高壓側(cè)的阻抗，Z′₂為變壓器中壓側(cè)的阻抗在高壓側(cè)的折算值，Z′₃為變壓器低壓側(cè)的阻抗在高壓側(cè)的折算值，k₁₂為高壓與中壓的變比，k₁₃為高壓與低壓的變比，為變壓器中壓側(cè)電壓，為變壓器低壓側(cè)電壓，為變壓器中壓側(cè)電流，為變壓器低壓側(cè)電流；

在額定范圍內(nèi)改變變壓器的負載，測量不同負載情況下的兩組待測變壓器的高壓側(cè)、中壓側(cè)及低壓側(cè)的電壓和電流，并將測得的兩組電壓和電流帶入公式(5)得出：

式中，k₁₂為高壓與中壓的變比，k₁₃為高壓與低壓的變比，Z₁為變壓器高壓側(cè)的阻抗，Z′₂為變壓器中壓側(cè)的阻抗在高壓側(cè)的折算值，Z′₃為變壓器低壓側(cè)的阻抗在高壓側(cè)的折算值，為第一組獲得的變壓器高壓側(cè)電壓，為第二組獲得的變壓器高壓側(cè)電壓，為第一組獲得的變壓器中壓側(cè)電壓，為第二組獲得的變壓器中壓側(cè)電壓，為第二組獲得的變壓器低壓側(cè)電壓，為第一組獲得的變壓器高壓側(cè)電流，為第二組獲得的變壓器高壓側(cè)電流，為第一組獲得的變壓器中壓側(cè)電流，為第二組獲得的變壓器中壓側(cè)電流，為第二組獲得的變壓器低壓側(cè)電流；

將公式(6)進一步求解，得出高、中、低的短路阻抗計算公式：

式中，Z₁為變壓器高壓側(cè)的阻抗，Z′₂為變壓器中壓側(cè)的阻抗在高壓側(cè)的折算值，Z′₃為變壓器低壓側(cè)的阻抗在高壓側(cè)的折算值，k₁₂為高壓與中壓的變比，k₁₃為高壓與低壓的變比，為第一組獲得的變壓器高壓側(cè)電壓，為第二組獲得的變壓器高壓側(cè)電壓，為第一組獲得的變壓器中壓側(cè)電壓，為第二組獲得的變壓器中壓側(cè)電壓，為第一組獲得的變壓器低壓側(cè)電壓，為第二組獲得的變壓器低壓側(cè)電壓，為第一組獲得的變壓器高壓側(cè)電流，為第二組獲得的變壓器高壓側(cè)電流，為第一組獲得的變壓器中壓側(cè)電流，為第二組獲得的變壓器中壓側(cè)電流，為第一組獲得的變壓器低壓側(cè)電流，為第二組獲得的變壓器低壓側(cè)電流；

由公式(7)得出電力變壓器的在線短路電抗模型：

X_K＝Im{Z₁+Z′₂+Z′₃} (8)

式中，Z₁為變壓器高壓側(cè)的阻抗，Z′₂為變壓器中壓側(cè)的阻抗在高壓側(cè)的折算值，Z′₃為變壓器低壓側(cè)的阻抗在高壓側(cè)的折算值，Im{}為取復(fù)數(shù)的虛部值，X_K為電力變壓器的短路電抗值。

步驟八中所述的PC機將經(jīng)過去噪處理后的超聲波數(shù)字信號進一步處理，得出局部放電坐標(biāo)，判斷局部放電位置，并顯示在屏幕上，具體包括如下步驟：

在PC機中建立局部放電在線監(jiān)測數(shù)學(xué)模型，將經(jīng)過去噪處理后的超聲波數(shù)字信號作為該模型的輸入，得出局部放電坐標(biāo)的最優(yōu)解，從而判斷變壓器內(nèi)部具體局部放電位置，并顯示在屏幕上；

所述的建立局部放電在線監(jiān)測數(shù)學(xué)模型的方法，如下：

設(shè)M(x，y，z)為變壓器內(nèi)部具體局部放電位置坐標(biāo)，吸附在變壓器的油箱外壁上的三個超高頻傳感器的坐標(biāo)分別為N₀(x₀，y₀，z₀)、N₁(x₁，y₁，z₁)、N₂(x₂，y₂，z₂)，超聲波信號到達三個超高頻傳感器所需要的時間分別為T₀、T₁、T₂，其距離分別為L₀、L₁、L₂，其等效聲速為v，由坐標(biāo)方程得：

采用聲-聲定位法確定T₀、T₁、T₂之間的時間差t₁、t₂，其中：

將時間差引入方程(9)得：

推廣到一般形式得：

式(12)中，i＝0，1，2...n，當(dāng)i＝0時，t0＝0；

將式(12)進行重構(gòu)求解，重構(gòu)函數(shù)為：

使f_i最小，此時：

式(14)也必須為最小，則得出局部放電在線監(jiān)測數(shù)學(xué)模型：

本發(fā)明的工作原理：

本發(fā)明一方面采集電力變壓器油箱壁上若干點的超聲波信號，將所述超聲波信號經(jīng)過信號調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換，再經(jīng)DSP進行去噪處理，最后在PC機上計算出局部放電坐標(biāo)，判斷局部放電位置；另一方面采集電力變壓器的三相一次側(cè)、二次側(cè)的電壓、電流信號，對信號進行處理，建立電力變壓器的在線短路電抗模型，計算出電力變壓器各相繞組的短路電抗值，將計算的短路電抗值與歷史無故障的短路電抗值進行比較，得出短路電抗變化率，判斷短路電抗變化率在預(yù)先設(shè)定的上限閥值和下限閥值的什么范圍內(nèi)，進而判定變壓器繞組的工作狀態(tài)，實現(xiàn)電力變壓器繞組故障的在線監(jiān)測。

與最接近的現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明在對電力變壓器繞組故障在線監(jiān)測的同時，采用超高頻傳感器對變壓器內(nèi)部局部放電產(chǎn)生的聲波信號進行采集，經(jīng)過信號處理分析，得出局部放電坐標(biāo)，再根據(jù)局部放電坐標(biāo)判斷變壓器內(nèi)部絕緣故障的位置，實現(xiàn)了變壓器多故障信息的同時監(jiān)測；

2、本發(fā)明采用了電流和電壓的同步信號采樣電路，減小了系統(tǒng)與變壓器兩側(cè)電流、電壓的相位誤差，大大提高了采樣精度；

3、本發(fā)明的A/D轉(zhuǎn)換電路采用AD7656轉(zhuǎn)換芯片，AD7656轉(zhuǎn)換芯片是六通道的16-bit逐次逼近型ADC，功耗比同類雙極型ADC降低了60％，在每通道250KS/s采樣率下精度是同類產(chǎn)品的2倍；AD7656轉(zhuǎn)換芯片的六路模擬輸入分為三組，每個輸入端都有一個跟蹤保持放大器來實現(xiàn)通道的同時采樣與轉(zhuǎn)換功能，非常適合多路采集系統(tǒng)的需要；

4、本發(fā)明對數(shù)字信號處理的DSP芯片采用TMS320F2812芯片，此芯片具有高性能、多功能、高性價比的特點，并且其采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，具有密碼保護機制，可進行16*16乘加和32*32乘加操作，因而具有快速運算的功能；

5、本發(fā)明采用CEEMD去噪法對聲波信號進行去噪，CEEMD在抑制分解中產(chǎn)生的端點效應(yīng)方面具有更好的效果，一定程度上減小了端點效應(yīng)引起的誤差，降低了其對于分解結(jié)果的影響，提高了重構(gòu)信號的精細度與準(zhǔn)確度；

6、本發(fā)明的USB總線具有傳輸速度快、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的接口優(yōu)勢，運用于系統(tǒng)可使得系統(tǒng)簡單，通用性好，性價比高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的監(jiān)測裝置的一個實施例在實際應(yīng)用中的連接圖；

圖2為本發(fā)明的監(jiān)測裝置的一個實施例中電力變壓器的三相三繞組單相的等效模型簡圖；

圖3為本發(fā)明的電力變壓器繞組故障在線監(jiān)測裝置的電路原理框圖；

圖4為本發(fā)明的監(jiān)測裝置的一個實施例的同步信號采樣電路的電路原理圖；

圖5為本發(fā)明的監(jiān)測裝置的一個實施例的信號調(diào)理電路的電路原理圖；

圖6為本發(fā)明的監(jiān)測裝置的一個實施例的A/D轉(zhuǎn)換電路與DSP的電路連接圖；

圖7為本發(fā)明的監(jiān)測裝置的一個實施例的USB(CY7C68013)芯片的電路連接圖；

圖8為本發(fā)明的監(jiān)測裝置的一個實施例的DSP(TMS320F2812)、CPLD和USB(CY7C68013)的電路連接圖；

圖9為變壓器的等效模型圖；

圖10為本發(fā)明的局部放電在線監(jiān)測數(shù)學(xué)模型圖；

圖11為本發(fā)明的診斷方法的程序流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。

如圖3所示，一種電力變壓器繞組故障在線監(jiān)測裝置，包括超高頻傳感器、電壓傳感器、電流傳感器、同步信號采樣電路、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、DSP、CPLD、USB、PC機及語音報警器；電壓傳感器和電流傳感器的輸出端連接同步信號采樣電路的輸入端，同步信號采樣電路和超高頻傳感器的輸出端連接信號調(diào)理電路的輸入端，信號調(diào)理電路的輸出端連接A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入端，A/D轉(zhuǎn)換電路的輸出端連接DSP的輸入端，DSP的輸出端與CPLD的輸入端相連接，CPLD的輸出端與PC機通過USB相連接，PC機與語音報警器相連接。

本實施例中，所述超高頻傳感器采用的是帶有磁鐵的壓電式聲波傳感器。

如圖4所示，所述同步信號采樣電路用于將采集的電信號進行濾波、過零比較和限幅處理，其由兩部分組成，包括第一運算放大器A₁、第二運算放大器A₂、第一電阻R₁、第二電阻R₂、第三電阻R₃、第四電阻R₄、第五電阻R₅、第一電容C₁、第二電容C₂及第三電容C₃，第一運算放大器A₁的負輸入端與其輸出端相連接，正輸入端與第一電阻R₁、第一電容C₁的一端相連接，第一電容C₁的另一端接地，第一電阻R₁的另一端為同步信號采樣電路的輸入端；第一運算放大器A₁的輸出端連接第二電阻R₂的一端，第二電阻R₂的另一端連接第二電容C₂、第四電阻R₄的一端及第二運算放大器A₂的正輸入端，第二電容C₂的另一端接地，第四電阻R₄的另一端連接第二運算放大器A₂的輸出端，第二運算放大器A₂的負輸入端連接第三電阻R₃的一端，第三電阻R₃的另一端接地；第二運算放大器A₂的輸出端連接第五電阻R₅和第三電容C₃的一端，第五電阻R₅的另一端連接電源，第三電容C₃的另一端接地，第二運算放大器A₂的輸出端為同步信號采樣電路的輸出端。

本實施例中，電阻R₁＝R₂＝R₃＝1kΩ，R₄＝1MΩ，R₅＝10kΩ，電容C₁＝C₂＝C₃＝0.1μF，第一運算放大器A₁采用LM124，第二運算放大器A₂采用LM311。

如圖5所示，所述信號調(diào)理電路是把模擬信號進行雙極性處理，其包括第三運算放大器A₃、第四運算放大器A₄、第六電阻R₆、第七電阻R₇、第八電阻R₈、第九電阻R₉、第十電阻R₁₀、第十一電阻R₁₁、第十二電阻R₁₂、第十三電阻R₁₃、第一二極管D₁及第二二極管D₂；第三運算放大器A₃的正輸入端連接第七電阻R₇的一端，第七電阻R₇的另一端連接第一二極管D₁的正極；第三運算放大器A₃的負輸入端連接第六電阻R₆和第十電阻R₁₀的一端，第六電阻R₆的另一端與第八電阻R₈的一端相連接后，與信號輸入端Vi相連接，第八電阻R₈的另一端與第四運算放大器A₄的負輸入端相連接；第十電阻R₁₀的另一端與第十二電阻R₁₂的一端和第三運算放大器A₃的輸出端相連接；第十二電阻R₁₂的另一端與第一二極管D₁的負極相連接后，與信號輸出端Vo2相連接；第四運算放大器A₄的正輸入端與第九電阻R₉和第十一電阻R₁₁的一端相連接，第九電阻R₉的另一端與第二二極管D₂的正極相連接并接地，第十一電阻R₁₁的另一端與第十三電阻R₁₃的一端和第四運算放大器A₄的輸出端相連接，第十三電阻R₁₃的另一端與第二二極管D₂的負極相連接后，與信號輸出端Vo1相連接。

本實施例中，電阻R₆＝R₇＝R₈＝R₉＝R₁₁＝R₁₂＝R₁₃＝1kΩ，R₁₀＝2kΩ；第三運算放大器A₃和第四運算放大器A₄采用運算放大芯片OPA227，該電路的雙極性輸入范圍為±5V。

所述A/D轉(zhuǎn)換電路包括三個A/D轉(zhuǎn)換芯片，且三個A/D轉(zhuǎn)換芯片級聯(lián)；選用的A/D轉(zhuǎn)換芯片型號為AD7656，每片AD7656芯片可以實現(xiàn)六路信號的同步采集，三片AD7656芯片可實現(xiàn)十八路信號的同步采集，實現(xiàn)了模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的功能，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號發(fā)送給DSP。

如圖6所示為AD7656與TMS320F2812的接口電路圖，AD7656的VDR、RST、CON[ABC]、RD、CS、BUSY引腳分別連接TMS320F2812的DVDD、ADC_RST、PWM1、RE、IS、INT1_BIO引腳，AD7656的D[0]～D[15]引腳連接TMS320F2812的D0～D15引腳，AD7656的DGND引腳連接TMS320F2812的V_SS引腳并接地，AD7656的WR、STDBY引腳與+3.3V電源相連接，AD7656的H/SSEL、SER、RANGE、W/B引腳相連并接地。

AD7656有兩種工作模式：串行接口模式和高速的并行接口模式，這里主要介紹并行接口模式，并行接口模式可以1個宇的形式來操作(W/B＝0)也可采用宇節(jié)的形式(W/B＝1)。

當(dāng)從并行總線上讀數(shù)據(jù)時，信號SER應(yīng)被置為低電平。當(dāng)CS和RD均為低電平時，數(shù)據(jù)線D[0]～D[15]將不再是高阻狀態(tài)，CS信號可以被永久的置為低電平，RD用來訪問轉(zhuǎn)換的結(jié)果，BUSY信號為低電平時開始讀操作。

所述DSP采用的型號為TMS320F2812，DSP用于對所述A/D轉(zhuǎn)換電路發(fā)送的變壓器的電氣參量數(shù)字信號進行有效值、相角、有功功率、無功功率、功率因數(shù)和變壓器短路電抗計算，并對超聲波數(shù)字信號進行去噪處理。型號為TMS320F2812的DSP芯片的讀寫信號地址線經(jīng)過CPLD譯碼后連接到USB上。

圖7為USB(CY7C68013)芯片的電路連接圖，圖8為DSP(TMS320F2812)、CPLD和USB(CY7C68013)的電路連接圖。TMS320F2812依靠CPLD與CY7C68013實現(xiàn)連接，CY7C68013的標(biāo)志位(FLAGA、FLAGB、FLAGC)也經(jīng)過CPLD與TMS320F2812相連，具體的連接方式如圖8所示，TMS320F2812的XA[0]、XA[1]、XZCSOAND1、XZCSOAND7、XWE、XRD引腳分別與CPLD的AA0、AA1、XCS1、XCS2、WE、RD引腳相連，CPLD的SLWR、SLRD、SLOE、FLAGA、FLAGB、FLAGC、FLAGCS、BA0、BA1引腳分別與CY7C68013的SLWR、SLRD、SLOE、FLAGA、FLAGB、FLAGC、FLAGCS、BA0、BA1引腳相連。當(dāng)對CY7C68013進行讀操作時，TMS320F2812的XRD、XZCSOAND1、XA[0]、XA[1]控制讀信號SLRD，當(dāng)對CY7C68013進行寫操作時，TMS320F2812的XZCSOAND1、XA[0]、XA[1]控制寫信號SLWR。

所述PC機是將計算的短路電抗、正常的短路電抗、采樣的電壓和電流的有效值與相角、有功功率、無功功率、功率因數(shù)顯示在屏幕上，并把計算的短路電抗與正常的短路電抗進行比較，判斷短路電抗的變化量在預(yù)先設(shè)定閥值的哪個范圍內(nèi)，并在屏幕上顯示結(jié)果；一旦超過閥值上限，立刻發(fā)送信號給語音報警器，提醒工作人員進行檢修；并且對多個超聲波信號進行處理計算，得出局部放電位置坐標(biāo)，使其顯示在屏幕上。

使用時，將本發(fā)明的監(jiān)測裝置連接于電力變壓器與變電站的監(jiān)控平臺之間，如圖1所示。將若干超高頻傳感器吸附在變壓器的油箱外壁上，所述電壓傳感器和電流傳感器分別連接變電站的電壓互感器二次側(cè)和電流互感器二次側(cè)。

本發(fā)明的電力變壓器繞組故障在線監(jiān)測裝置在進行工業(yè)實施時，為了讓其運行結(jié)果更加可靠，應(yīng)采取下述措施：

1、隔離和屏蔽措施，

輸入、輸出電路通過光耦合器進行有效隔離，二次回路布線時將強、弱電信號線分開，實現(xiàn)隔離，避免了回路間相互感應(yīng)和互擾影響，印刷電路板的布線信號線與電源線分開、數(shù)字電路與模擬電路分開，起到很好的電路隔離效果；

2、電源電路的處理，

在電源正、負極間并接大容量的電容，且所有插件和芯片的電源和地之間都有退耦電容，電源零線采取浮空的方式，可以盡量減少電源線的機殼之間的分布電容，避免干擾。

采用所述的電力變壓器繞組故障在線監(jiān)測裝置的診斷方法，如圖11所示，包括如下步驟：

步驟一：超高頻傳感器采集變壓器內(nèi)部的超聲波信號，電壓傳感器和電流傳感器分別通過變電站的電壓互感器和電流互感器的二次側(cè)采集三相一次側(cè)、二次側(cè)的電壓和電流信號。

步驟二：同步信號采樣電路將步驟一中采集的電力變壓器的各相一次側(cè)、二次側(cè)的電壓和電流信號進行濾波、過零比較、限幅處理，使其滿足A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入范圍。

步驟三：信號調(diào)理電路將步驟一中采集的超聲波信號及經(jīng)過步驟二中同步信號采樣電路處理后的各相一次側(cè)、二次側(cè)的電壓和電流信號進行雙極性處理，使A/D轉(zhuǎn)換電路對負信號也能正常采集，保證了信號的完整性。

步驟四：A/D轉(zhuǎn)換電路將經(jīng)過步驟三處理后的超聲波信號和各相一次側(cè)、二次側(cè)的電壓、電流信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到超聲波和各相一次側(cè)、二次側(cè)的電壓、電流的數(shù)字信號。

步驟五：通過電壓傳感器和電流傳感器采集第二組電力變壓器的各相一次側(cè)、二次側(cè)的電壓和電流信號，并將該信號通過同步信號采樣電路進行濾波、過零比較、限幅處理，再經(jīng)信號調(diào)理電路進行雙極性處理，最后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到第二組電力變壓器的各相一次側(cè)、二次側(cè)的電壓、電流的數(shù)字信號；同時將兩組電力變壓器的各相一次側(cè)、二次側(cè)的電壓、電流的數(shù)字信號和超聲波的數(shù)字信號傳輸至DSP。

步驟六：DSP采用互補集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法(CEEMD)將超聲波的數(shù)字信號進行去噪處理，并且對兩組電力變壓器的各相一次側(cè)、二次側(cè)的電壓、電流的數(shù)字信號進行有效值、相角處理，進而得到兩組電力變壓器的各相一次側(cè)、二次側(cè)的電壓、電流的數(shù)字信號的相量值；建立電力變壓器的在線短路電抗模型，將兩組電力變壓器的各相一次側(cè)、二次側(cè)的電壓、電流的數(shù)字信號的相量值作為電力變壓器的在線短路電抗模型的輸入，計算出電力變壓器各相繞組的短路電抗值，將電力變壓器各相繞組的短路電抗值作為電力變壓器各相繞組的電氣特征。

所述的互補集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法(CEEMD)的信號去噪原理：

超聲波的數(shù)字信號經(jīng)CEEMD分解得到的第j個IMF分量c_j是根據(jù)頻率從高到低排列的，高頻的噪聲大部分出現(xiàn)在靠前的分量中。對于如何劃清分量中噪聲與分量中噪聲與真實信號的界限，這里設(shè)定了一個判定標(biāo)準(zhǔn)：白噪聲的各階IMF分量的能量密度和其對應(yīng)的平均周期的乘積近似為2，即：

C_ui＝E_nT_n≈2 (1)

式中，C_ui為白噪聲的各階IMF分量的能量密度和其對應(yīng)的平均周期的乘積，表示白噪聲的第n階IMF分量的能量密度，N為該分量的數(shù)據(jù)長度，T_n＝N/N_max，表示白噪聲的第n階IMF分量的能量密度對應(yīng)的平均周期，N_max為該分量中的極大值點的個數(shù)，imf_n(i)為數(shù)據(jù)長度為i的分量的第n個IMF分量。

令

C_cj＝E_nT_n (2)

c_j的E_n和T_n按照上述公式計算，C_cj為所得的各c_j的能量密度與平均周期的乘積。

設(shè)置如下評估系數(shù)：

若a接近0，則可認為c_j分量包含有大部分的噪聲，可以直接截取掉；若a較大，則其包含的信號成分更多，應(yīng)保留。以此結(jié)論對得到的c_j分量進行截取，剩余的c_j分量相加即得到去噪后的信號。

這里以三相三繞組降壓變壓器為例，如圖9所示，一次側(cè)稱為高壓側(cè)，二次側(cè)分別稱為中壓側(cè)和低壓側(cè)。變壓器短路阻抗是當(dāng)負載阻抗為零時變壓器的等效阻抗，短路阻抗的電抗分量即是短路電抗，就是繞組的漏電抗；短路電抗與繞組的相對位置和幾何尺寸有關(guān)，通過監(jiān)測變壓器的短路電抗來檢查繞組的變形情況，漏磁場的變化直接影響到繞組漏感的變化，即影響漏電抗的變化，進而短路電抗也就發(fā)生變化。圖中：Z₁、R₁、X₁分別為變壓器高壓側(cè)的阻抗、電阻、電抗，Z₁＝R₁+jX₁；Z₂、R₂、X₂分別為變壓器中壓側(cè)的阻抗、電阻、電抗，Z₂＝R₂+jX₂；Z′₂、R′₂、X′₂分別為變壓器中壓側(cè)的阻抗、電阻、電抗在高壓側(cè)的折算值，Z′₂＝R′₂+jX′₂；Z₃、R₃、X₃分別為變壓器低壓側(cè)的阻抗、電阻、電抗，Z3＝R₃+jX₃；Z′₃、R′₃、X′₃分別為變壓器低壓側(cè)的阻抗、電阻、電抗在高壓側(cè)的折算值，Z′₃＝R′₃+jX′₃；Z_m、R_m、X_m分別為變壓器勵磁支路的阻抗、電阻、電抗，Z_m＝R_m+jX_m；為變壓器高壓側(cè)電壓，為變壓器中壓側(cè)電壓在高壓側(cè)的折算值，為變壓器低壓側(cè)電壓在高壓側(cè)的折算值；為變壓器的勵磁電流，為變壓器高壓側(cè)電流，為變壓器中壓側(cè)電流在高壓側(cè)的折算值，為變壓器低壓側(cè)電流在高壓側(cè)的折算值。圖2為電力變壓器的三相三繞組單相的等效模型簡圖。

所述的建立電力變壓器的在線短路電抗模型的方法，具體包括如下步驟：

應(yīng)用基爾霍夫電壓定律(KVL)，由圖9所示的變壓器等效模型可以得出：

式中，為變壓器高壓側(cè)電壓，為變壓器中壓側(cè)電壓在高壓側(cè)的折算值，為變壓器低壓側(cè)電壓在高壓側(cè)的折算值，為變壓器高壓側(cè)電流，為變壓器中壓側(cè)電流在高壓側(cè)的折算值，為變壓器低壓側(cè)電流在高壓側(cè)的折算值，Z₁為變壓器高壓側(cè)的阻抗，Z′₂為變壓器中壓側(cè)的阻抗在高壓側(cè)的折算值，Z′₃為變壓器低壓側(cè)的阻抗在高壓側(cè)的折算值；

根據(jù)進一步整理公式(4)得：

式中，為變壓器高壓側(cè)電壓，為變壓器中壓側(cè)電壓在高壓側(cè)的折算值，為變壓器低壓側(cè)電壓在高壓側(cè)的折算值，為變壓器高壓側(cè)電流，為變壓器中壓側(cè)電流在高壓側(cè)的折算值，為變壓器低壓側(cè)電流在高壓側(cè)的折算值，Z₁為變壓器高壓側(cè)的阻抗，Z′₂為變壓器中壓側(cè)的阻抗在高壓側(cè)的折算值，Z′₃為變壓器低壓側(cè)的阻抗在高壓側(cè)的折算值，k₁₂為高壓與中壓的變比，k₁₃為高壓與低壓的變比，為變壓器中壓側(cè)電壓，為變壓器低壓側(cè)電壓，為變壓器中壓側(cè)電流，為變壓器低壓側(cè)電流；

在額定范圍內(nèi)改變變壓器的負載，測量不同負載情況下的兩組待測變壓器的高壓側(cè)、中壓側(cè)及低壓側(cè)的電壓和電流，并將測得的兩組電壓和電流帶入公式(5)得出：

式中，k₁₂為高壓與中壓的變比，k₁₃為高壓與低壓的變比，Z₁為變壓器高壓側(cè)的阻抗，Z′₂為變壓器中壓側(cè)的阻抗在高壓側(cè)的折算值，Z′₃為變壓器低壓側(cè)的阻抗在高壓側(cè)的折算值，為第一組獲得的變壓器高壓側(cè)電壓，為第二組獲得的變壓器高壓側(cè)電壓，為第一組獲得的變壓器中壓側(cè)電壓，為第二組獲得的變壓器中壓側(cè)電壓，為第二組獲得的變壓器低壓側(cè)電壓，為第一組獲得的變壓器高壓側(cè)電流，為第二組獲得的變壓器高壓側(cè)電流，為第一組獲得的變壓器中壓側(cè)電流，為第二組獲得的變壓器中壓側(cè)電流，為第二組獲得的變壓器低壓側(cè)電流；

將公式(6)進一步求解，得出高、中、低的短路阻抗計算公式：

式中，Z₁為變壓器高壓側(cè)的阻抗，Z′₂為變壓器中壓側(cè)的阻抗在高壓側(cè)的折算值，Z′₃為變壓器低壓側(cè)的阻抗在高壓側(cè)的折算值，k₁₂為高壓與中壓的變比，k₁₃為高壓與低壓的變比，為第一組獲得的變壓器高壓側(cè)電壓，為第二組獲得的變壓器高壓側(cè)電壓，為第一組獲得的變壓器中壓側(cè)電壓，為第二組獲得的變壓器中壓側(cè)電壓，為第一組獲得的變壓器低壓側(cè)電壓，為第二組獲得的變壓器低壓側(cè)電壓，為第一組獲得的變壓器高壓側(cè)電流，為第二組獲得的變壓器高壓側(cè)電流，為第一組獲得的變壓器中壓側(cè)電流，為第二組獲得的變壓器中壓側(cè)電流，為第一組獲得的變壓器低壓側(cè)電流，為第二組獲得的變壓器低壓側(cè)電流；

由公式(7)得出電力變壓器的在線短路電抗模型：

X_K＝Im{Z₁+Z′₂+Z′₃} (8)

式中，Z₁為變壓器高壓側(cè)的阻抗，Z′₂為變壓器中壓側(cè)的阻抗在高壓側(cè)的折算值，Z′₃為變壓器低壓側(cè)的阻抗在高壓側(cè)的折算值，Im{}為取復(fù)數(shù)的虛部值，三個虛部值都是電抗，X_K為電力變壓器的短路電抗值。

步驟七：將步驟六中得出的電力變壓器各相繞組的短路電抗值和去噪處理后的超聲波的數(shù)字信號通過USB傳輸至PC機。

步驟八：PC機將經(jīng)過去噪處理后的超聲波數(shù)字信號進一步處理，得出局部放電坐標(biāo)，判斷局部放電位置，并顯示在屏幕上；在PC機上設(shè)定短路電抗變化率的上限閥值和下限閥值，并且將電力變壓器各相繞組的短路電抗值與歷史無故障的電力變壓器各相繞組的短路電抗值進行比較，進而得出短路電抗變化率；通過將上述得出的短路電抗變化率與設(shè)定好的短路電抗變化率的上限閥值和下限閥值進行比較，進而判定變壓器繞組的工作狀態(tài)，并將判定結(jié)果與各相一次側(cè)、二次側(cè)的電壓、電流數(shù)字信號的相量、相角和有效值顯示在屏幕上；若短路電抗變化率小于下限閥值，則PC機顯示的結(jié)果為正常；若短路電抗變化率在上限閥值與下限閥值之間，則PC機顯示存在故障隱患；若短路電抗變化率大于上限閥值，則PC機顯示故障并發(fā)送信號給語音報警器，發(fā)出警報通知相關(guān)檢修人員進行檢修。

所述的PC機將經(jīng)過去噪處理后的超聲波數(shù)字信號進一步處理，得出局部放電坐標(biāo)，判斷局部放電位置，并顯示在屏幕上，具體包括如下步驟：

在PC機中建立局部放電在線監(jiān)測數(shù)學(xué)模型，將經(jīng)過去噪處理后的超聲波數(shù)字信號作為該模型的輸入，得出局部放電坐標(biāo)的最優(yōu)解，從而判斷變壓器內(nèi)部具體局部放電位置，并顯示在屏幕上；

所述的建立局部放電在線監(jiān)測數(shù)學(xué)模型的方法，如下：

如圖10所示，設(shè)M(x，y，z)為變壓器內(nèi)部具體局部放電位置坐標(biāo)，吸附在變壓器的油箱外壁上的三個超高頻傳感器的坐標(biāo)分別為N₀(x₀，y₀，z₀)、N₁(x₁，y₁，z₁)、N₂(x₂，y₂，z₂)，超聲波信號到達三個超高頻傳感器所需要的時間分別為T₀、T₁、T₂，其距離分別為L₀、L₁、L₂，其等效聲速為v，由坐標(biāo)方程得：

采用聲-聲定位法無法直接得到T₀、T₁、T₂，但是可以得到他們之間的時間差t₁、t₂，其中：

將時間差引入方程(9)得：

推廣到一般形式得：

式(12)中，i＝0，1，2...n，當(dāng)i＝0時，t₀＝0；要求解得出局部放電坐標(biāo)，需要將式(12)進行重構(gòu)求解，重構(gòu)函數(shù)為：

使f_i最小，此時：

式(14)也必須為最小，則局部放電超聲波定位方法就變成了一個約束性最優(yōu)化的問題，局部放電在線監(jiān)測數(shù)學(xué)模型為：

將上述方法編入PC機中的MATLAB中，利用MATLAB求解出局部放電坐標(biāo)的最優(yōu)解，并把坐標(biāo)顯示在PC機的屏幕上，從而實現(xiàn)變壓器內(nèi)部局部放電位置的在線監(jiān)測。

最后應(yīng)當(dāng)說明的是：所描述的實施例僅是本申請一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒旧暾堉械膶嵤├?，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本申請的保護范圍。