汤明;郑婧;黄文婷;吴迪;黄海
【摘 要】基于振动分析法的变压器带电监测方法是一种有效且便利的变压状态监测手段.目前大多数振动监测系统均采用有线的ICP压电加速度传感器采集变压器油箱壁振动,对现场带电监测和安全存在诸多不便和问题.设计了一种基于最新MEMS振动传感元件和ZigBee无线通信的振动传感器,可用于多振动测点无线网络的电力变压器油箱表面振动监测方案.测试和实际现场使用表明,设计的振动传感器技术性能指标满足变压器振动检测要求,能够应用于变电站中的电力变压器带电振动监测和故障诊断.%Transformer condition monitoring based on vibration analysis is proved to be an effective and convenient way for power transformer maintenance. Most monitoring of transformer vibration is wire-based systems for acquisi-tioning and transferring the field data.But the wire-based systems can only be applied for a limited area and the sys-tems will introduce errors if the sensor is hit and shifted,which happens frequently.To overcome those disadvantages and limitations of monitoring systems,the wireless vibration transducer,which is based on small ZigBee wireless sys-tem and MEMS vibration sensor,has been developed. The wireless vibration transducer was applied to the shaking table tests and field work. The results showed that the developed transducer was capable of vibration measurements for transformer condition monitoring and diagnosis.
【期刊名称】《传感技术学报》
【年(卷),期】2018(031)002
【总页数】7页(P312-318)
【关键词】ZigBee;电力变压器;振动分析法;无线传感
【作 者】汤明;郑婧;黄文婷;吴迪;黄海
【作者单位】伞齿轮传动浙江大学仪器科学与工程学系,杭州310013;浙江大学仪器科学与工程学系,杭州310013;浙江大学仪器科学与工程学系,杭州310013;浙江大学仪器科学与工程学系,杭州310013;浙江大学仪器科学与工程学系,杭州310013
c型变压器【正文语种】中 文
【中图分类】TP393.1;TN929.5
电力变压器的状态监测和故障诊断研究对维护电网的健康运行有重要意义。目前,振动分析法被证明是一种有效、便捷,并具有良好发展前景的电力变压器在线监测方法[1-3]。该方法通过对变压器油箱表面振动的监测、分析与诊断获得变压器的状态和故障信息,与整个电力系统没有电气连接,从而可以快速、安全、可靠地达到变压器在线状态监测与故障诊断的目的。目前大多数振动监测设备均采用有线的ICP压电加速度振动传感器进行振动采集[4-6],其具有频率响应、测量精度和信噪比高的优点。然而布置有线传感器时其位置往往受限于接线长度,极大得限制了振动测量范围;同时由于有线传感器与采集设备间存在物理连接,极易受到外界影响(碰撞、拉扯接线),导致传感器位移、掉落,从而影响测量结果;另外,检测的安全性和设备管理的规模性也存在一定的影响。因此,使用无线传感器替代有线传感器,可有效规避上述问题,且可极大的简化和方便测量过程。
为此,本文在分析ZigBee无线传感器网络、MEMS数字传感元件的特点和关键技术的基础上,提出了一种面向变压器状态带电监测中振动信号的采集与传输,采用ZigBee无线通信技
术构建无线传感器网络的无线传感方案[7-9]。
1 无线振动传感器设计
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无线振动传感器的设计主要包括硬件部分与软件部分。
1.1 硬件设计
1.1.1 无线传输方案选择
现有的较为主流的无线传输方式主要有蓝牙,WiFi,ZigBee等,这几种方式各有特点,适用于不同通信场景。其中蓝牙数据传输速率较快,但存在传输过程中数据包大小受限的缺点,且通信距离较短;WiFi近年来被普遍应用,其传输距离较远,组网方便,主要缺点是功耗较高;相比于以上几种,ZigBee方式存在低功耗,低成本和组网功能强大的特点,但在数据传输速率和时延方面存在短板。
由于系统需要满足低功耗,低成本,通信距离适中的要求,且需具有一定的安全性。对比以上几种通信方式,ZigBee的功耗最低,同时其传输距离、传输速率、成本和安全性均满足系统要求,且具有强大的组网功能。故本设计选用ZigBee的无线通信方式。
1.1.2 传感原件选型
振动加速度传感器的选择主要考虑在满足采样参数的情况下,选取功耗低和体积小的解决方案。本文选取MEMS传感元件作为振动采集元件,使整个传感器系统微型化,满足了对体积和空间要求苛刻的应用场景,同时从MEMS读出的时数字化的数据,降低了外界干扰,提高了传感器系统的电磁兼容性。
根据参数进行选择,最终确定的传感器型号为ADIS16006,该传感器具有功耗低、体积小,可满足双轴采集的特点。传感器具体参数如表1所示。
表1 ADIS16006的主要性能参数振动量程有效位数分辨率采样频率带宽均方根误差±5gn3．9mg/LSB12bit10kHz2．26kHz11．9mg
l型匹配1.1.3 硬件总体方案设计
本设计采用微功耗MEMS振动传感元件和ZigBee无线模块实现微功耗无线振动传感,并适用于多振动测点节点的物联网形式的电力变压器油箱表面振动监测方案。方案首先通过各无线振动传感器采集振动信号,并将振动信号通过无线传输方式,传输至变压器振动状态监测系 钢领
统(下位机)进行处理与存储,最终通过网络通讯将处理后数据送入客户PC端软件(上位机)进行进一步的数据分析与诊断。无线传感方案总体示意图如图1所示。
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图1 无线振动传感器应用示意图
由图1可知,无线传感器主要包括终端和协调器两部分。终端上集成了加速度传感器,使用时贴附在变压器油箱壁,主要负责信号的采集和无线传输,由振动传感器、数据处理控制模块、无线通信模块、串口通信模块、电源模块构成。协调器负责信号的接收和存储,由数据采集模块、数据处理控制模块、无线通信模块和电源模块构成。在现场采集时,因为多信号采集矩阵的需要,设置多个终端进行信号采集,多终端和协调器组成无线传感器网络进行信号传输。
1.1.3.1 终端节点硬件设计方案
无线传感器节点由数据采集模块、数据处理控制模块、无线通信模块和电源模块构成,如图2所示。数据采集模块为加速度传感器ADIS16006,负责采集节点的振动数据;数据处理控制模块主要包含微处理器和存储器,分别负责节点的控制、节点数据处理和保存;无线通信模块
主要由无线收发器构成,负责控制信号、采集信号及其他传感器节点信号等的通信传输;电源模块则负责整个节点的能量供给。
图2 终端节点模块框图
1.1.3.2 协调器节点硬件设计方案
协调器节点由数据处理控制模块、无线通信模块、串口/SPI通信模块、电源模块构成,如图3所示。数据处理控制模块、无线通信模块、电源模块的设计与终端节点相似,不再赘述。SPI通信模块,为微处理器和之后的监测系统之间通信提供了手段。
图3 协调器节点模块框图
1.1.3.3 器材选型与相关电路设计
终端节点包含主控模块、无线收发模块、数据采集模块、电源模块;协调器节点包含主控模块、无线收发模块、串口通信模块、电源模块。协调器和终端节点中,无线通信模块、供电模块、串口模块实现相同,无线传感器模块为终端独有。以下为主要模块电路设计。
ZigBee通信的芯片选用CC2530F256,CC2530能够以非常低的成本建立强大的网络节点。芯片集成了增强型8051 CPU,系统内可编程闪存,8kB RAM 和许多其他强大的功能。CC2530具有多种不同的运行模式、且运行模式之间的转换时间短,保证了系统的超低功耗。CC2530核心板电路原理图如图4所示,预留了两接口,以便扩展应用。
