摘要：高压直流系统单极大地回线运行时，对于同一地区的交流系统可能产生影响，两个处于不同直流电位的变电站经输电线路构成回路，将有直流电流流到变压器中性点和变压器绕组。变压器会出现直流偏磁现象，造成变压器噪声增大，振动加剧等。上海电网是典型的多端直流和多馈入直流系统，已有多个直流接地极投入运行，变压器的直流偏磁影响已经显现，对变压器的危害是长期的，而目前还没有一套行之有效的质量检验方法。因此有必要建立一套有效的变压器直流偏磁的实时监测系统。本文提出了一整套基于NI公司CompactRIO的全自动、高精度、实时变压器直流偏磁监测系统。

Abstract: When the single earth-return line of HVDC (High voltage direct current) system is functioning, the AC system in the same area will probably be influenced. Because two converting station at different DC potential constitute a loop via transmission line, causing certain direct current moving into the transformer neutral point and winding. The transformer DC magnetic biasing phenomenon will appear, leading increased noise and vibration of transformer. Shanghai grid is the typical multi-DC and multi-infeed HVDC system, with several DC grounding-electrodes in service. The influence of transformer DC magnetic biasing already exists and will do harm to transformers in a long term, while there’s no set of effective quality inspection method. Therefore, it is necessary to establish a set of real-time monitoring system for transformer DC magnetic biasing. In this paper, a set of automatic, high-accuracy and real-time monitoring system designing scheme is proposed. The monitoring system can display the amplitude and polarity of main transformer""s neutral point direct current, and the amplitude changes of vibration. It can also show the relationship between the distribution rule of main transformer""s neutral point direct current and the amplitude of vibration, providing the basis for judging the degree of transformer DC magnetic biasing.

题记：项目开发不能只凭借着一时的头脑发热，而是正确的方法和大量时间的投入，最为重要的是设计一个易于开发、实现的方案。做实际的装置与科研不同之处就在于必须要考虑很多实际的问题，不仅要考虑性能，还要考虑到所选择的材料是否易于购买，及配货周期，大量地与多个厂家沟通、协调。另外，还是要根据公司的特点设计方案，不同于外企研究院，专门有工程部门配合研究人员推进产品的开发，作为以科技报告为主要产出的电科院，并不开发相关的装置和产品，这就缺少相应的支撑部门和人员，所需要做的就是掌握核心技术，具有复制、修改的能力，完全拥有自主知识产权，具体的实现细节并不是重点。根据上述的分析，NI公司的产品最适合本文监测设备的开发，NI公司的硬件产品性能优良、完善，而且与开发软件LabVIEW集成度高，这就将工作量集中到LabVIEW程序开发中，极大地简化了工作量，也让本次项目开发的最终完成有了可能。确定了NI产品组成的方案后，很方便在NI的官方网站上下载一个有相关性的例程，在NI产品的采购过程中，NI公司热情地提供了产品试用的机会，很方便就可以进行验证方案的试验，证明了方案的可行性，下面的过程就是不断地优化、完善，工作方向和思路明确，可保证不会白白浪费时间。

应用领域：电力设备诊断、远程数据监测、分布式数据采集

挑战：本监测系统的目标是：变压器中性点电流和变压器箱体的振动，振动通过检测加速度来反应。电流检测的难点：测量的电流范围大，而且要保证整个测量范围内的相对精度，需要多个量程霍尔电流传感器配合检测。加速度检测的难点：加速度传感器采用压电式的IEPE传感器，采集卡需要提供恒流源激励;要求可扩展到多个加速度传感器测量点，采样端口多，最高达到24个;采样速率要求高，需达到50kHz及以上;采样的数据量大，通信的信息量大;所采集的数据存储也较为困难，为了方便查询，数据存储的格式需要特别设计。

应用方案：本方案在吸取当下的直流监测系统优点的同时，还考虑直流偏磁对变压器影响即增加了振动的监测，通过同时监测主变中性点直流电流和变压器的振动，实时掌握变压器发生直流偏磁的情况。本方案提出的监测系统是一整套全自动、高精度、实时监测系统，能实时显示主变中性点直流电流流幅值和极性，及振动的幅值变化，能清晰地显示各变电站主变中性点直流电流的分布规律及与振动大小的关系，为判断变压器直流偏磁的程度提供依据。直流电流的监测方案已很成熟，主要考虑的是所要求的大范围内保证精度的要求;再根据上述分析的加速度检测方案，考虑到还需要开发监测台PC的界面，选择基于Labview的开发平台，可直接使用该软件开发PC界面，将数据通过光纤以太网传输到监测台PC。本项目的核心在于将众多IEPE采集卡端口与电流采集端口集成到一个平台，对这些信号进行分析和处理，IEPE采集卡端口可根据测试点的数量选择。

使用的产品：

LabVIEW 8.6.1软件开发平台

LabVIEW RT 8.6.1实时模块

LabVIEW FPGA 8.6.1工具包

LabVIEW Sound and Vibration 7.0工具包

LabVIEW Database Conectivity 1.0.2工具包

CompactRIO-9014嵌入式控制器

CompactRIO-9114可重新配置嵌入式机箱

Compact-9239高速电压信号隔离采集模块

Compact-9234 IEPE专用采集模块

Compact-9401高速TTL双向数字I/O模块

正文：

一、 引言

上海电网长期供不应求、电力不足，已经发展成为典型的受端电网。目前已经投运两条±500kV高压直流输电工程。上海电网将成为典型的多端直流和多馈入直流系统，将有多个直流接地极投入运行。高压直流系统单极大地回线运行时，巨大的直流电流经直流接地极流入大地，并在较大范围内造成地电位的明显变化。这种地电位的变化，对于同一地区的交流系统可能产生影响。两个处于不同直流电位的变电站经输电线路构成回路，会产生直流电流通过变压器中性点和变压器绕组。使得变压器出现直流偏磁现象，造成变压器噪声增大，振动加剧等[1][2][3]。

上海电网中，以上影响已经显现，如220kV干练站的主变中性点电流超过44.5A，并产生达94dB以上的噪声;葛南线直流单极运行时造成附近220kV银河、目华站主变噪声明显增大等。直流偏磁对变压器的危害是长期的，目前变压器生产厂家对承受直流偏磁的变压器长期运行的可靠性不做保证，并且没有一套行之有效的质量检验方法。因此非常有必要建立一套有效的实时监测系统[4][5]。

二、 变压器直流偏磁监测系统组成

变压器对于一个变电站至关重要，是变电站中主要组成部分，是核心部件，每个变电站中变压器的正常运行就显得至关重要。

变压器直流监测组成框图如图1所示，它主要由五部分组成：(1)变压器中性点霍尔电流传感器(CT)和振动传感器;(2)实时采集设备，实时采集CT和振动传感器监测到的信号，并进行相应的算法;(3)无线通讯设备，将实时采集设备与控制器的监测PC相连;(4)控制室的监测PC可以通过无线通讯接收实时采集设备监测到的数据，并可改变采集的参数;(5)各变电站的监测PC通过市公司在变电站中铺设的光纤网进行数据传输和汇总，在远程状态监测中心(如电科院)可以查看监测的各个变电站直流偏磁情况，并可对监测设备进行控制。

图 1 变压器直流偏磁监测系统结构示意图

三、 变压器直流偏磁监测系统设计方案

直流电流的监测方案已很成熟，主要考虑的是所要求的大范围内保证精度的要求;再根据上述分析的加速度检测方案，考虑到还需要开发监测台PC的界面，选择基于Labview的开发平台，可直接使用该软件开发PC界面，将数据通过光纤以太网传输到监测台PC。本项目的核心在于将众多IEPE采集卡端口与电流采集端口集成到一个平台，对这些信号进行分析和处理，IEPE采集卡端口可根据测试点的数量选择。

基于Labview开发平台，采集卡和控制器全部采用高性能工业级NI器件。如图2所示，电流的采样卡选择NI-9239;加速度采集卡采用自带恒流源的IEPE专用采集卡NI-9234;工业实时控制器采用cRIO-9014;可配置机箱采用cRIO-9114，可扩展8块采集卡。

NI-9014为嵌入式实时控制器，具有-40 ~ 70°C的操作温度范围，400MHz处理器、128M DRAM、2GB非易失存储介质。CompactRIO嵌入式控制器的设计极为坚固、可靠且电源能耗低，其9VDC和35VDC两种电源输入可用于CompactRIO机箱/模块的隔离供电。

NI-9114为8槽嵌入式机箱，具有-40 ~ 70°C的操作温度范围，3百万可重新配置I/O(RIO)，FPGA核心具有高超的处理能力，使用LabVIEW自动生成自定义控制和信号处理电路。

NI-9234为4通道C系列动态数据采集卡，自带2mA IEPE恒流源激励，可进行高精度的加速度测量，4条输入通道借助自动调节采样率的内置抗混叠滤波器(Delta-Sigma)，可同时以每通道高达51.2 kS/s采样信号。

NI-9401为8通道C系列高速数字I/O模块，100ns超高速数字输入输出，输入和输出的方向按半字节(4位)进行配置，可用LabVIEW对NI-9401编程，进行3种配置：8路数字输出、8路数字输出或4路数字输入和4路数字输出。

NI-9239为4通道C系列模拟输入模块，具有高速、准确的设计特点，分辨率、扫描率和输入范围方面同样具有优势。4条通道之间彼此隔离，借助通道间的隔离，包括待测设备在内的整套系统可以免受隔离等级内的电压尖脉的损害。4条输入通道借助自动调节采样率的内置抗混叠滤波器(Delta-Sigma)，可同时以每通道高达50 kS/s采样信号

本监测系统是安装在变电站中监测主变压器，变电站中规定不能随意施工、布线，因此现场的监测设备与控制楼中的上位机服务器之间的通信方式采用无线Mesh方式，Mesh网络可自动连接组成子网，且传输速度快，在变电站中多个变压器进行监测时，互相之间可自动形成网络，不需要额外的中继点，安装方便、节约成本。

图2 可扩展8个采集卡的监测系统

根据监测的要求及相关技术难点的分析，经过大量的调研工作，确定了电流的监测方法和霍尔电流传感器的参数，寻找具有相应经验的厂商订做;对于振动的监测，采用加速度来反应振动的情况，根据上述分析，选择了合适的加速度传感器，并进行了相应的计算，确定方案的可行性。

对于整体方案的选择，理论上分析通过后，进行了验证性的测试，如图3所示，为整体测试结构图，测试对象选择调压器，三维加速度传感器通过磁铁底座吸附在调压器的侧壁，传感器信号线连接到采集卡，采集卡通过FPGA对数据进行缓存后传输到控制器中处理，通过FFT、功率谱等算法后将结果通过以太网传输到上位机，在用户界面中显示出来。

图3 整体测试结构图

接下来将重点介绍变压器直流偏磁监测系统的电流和加速度的信号采集、处理算法的研究、无线通信方式、监测数据的存储设计。

1、电流和加速度的信号采集

1.1 电流信号采集

电流检测的难点：测量的电流范围大，而且要保证整个测量范围内的相对精度，需要多个量程霍尔电流传感器配合检测。通入下述的方法可以解决电流检测的技术难点[7][8]。

如图4所示， 电流监测模块包括：3个霍尔电流传感器、2个电源控制装置、MUX、ADC模块、量程判定和控制器，其中：霍尔电流传感器1的量程最大，一直上电工作不需要电源控制装置，霍尔电流传感器2和3都需要电源控制装置，MUX用于选择输入的霍尔电流传感器通道，ADC模块将霍尔电流传感器的模拟信号转换为数字信号输入到控制器。通过量程判定预先判断电流的量程并依据判定的量程选择相应的电流传感器，然后通过多路模拟开关选择电流传感器通道进行采样，接着通过数模转换模块转换为数字信号后输入到控制器，以及控制器发送触发信号对电流传感器进行断电处理，提出一种变压器中性点的、大范围的、可保证大范围内精度的电流检测方法。

电流检测方法，包括：

步骤一、通过量程判定预先判断电流的量程;

步骤二、依据判定的量程选择相应的电流传感器;

步骤三、通过多路模拟开关选择电流传感器通道进行采样;

步骤四、通过数模转换模块转换为数字信号后输入到控制器;

步骤五、控制器发送触发信号对电流传感器进行断电处理。

为了配合此种电流监测的方法，专门设计了量程判定单元和霍尔电流传感器专用的电源控制模块。

电流采集卡选择NI-9239，4条通道隔离采样可把3个霍尔电流传感器的采样隔离，彼此之间不影响，防止变压器的地电位对电流采集的干扰，保证了采集的准确性。量程较小的霍尔电流传感器2和3需要电源控制模块，而电源控制模块的输入信号是通过NI-9401发出的。cRIO控制器及机箱并没有可用作控制的输出端口，必须通过I/O类的模块实现，通过NI-9239、NI-9401就可以实现电流信号采集的闭环控制，克服上上述分析的电流检测的难点，实现了保证相对精度的满量程电流测量。

图4 电流采样装置示意图