大型电力变压仪在途监控及安全状况概述研究

第一章绪论

1.1本谋题研究的背景和意义
大型电力设备在运输过程中会受到各种不良因素的影响，比如路况颠凝、车速突变、充氮设备漏气等。《电力大件运输规范》规定，根据路况等级状况，运输车辆的车速应严格限制在10-40kmyh;因颠簸和牵引在三轴（X, y, z)方向上产生的加速度不能超过3g，避免设备受到冲撞；当设备油箱漏气时，潮湿空气会使设备受潮，因此油箱内正压应保持在0.01-0.03MPa;变压器从装车到运输，双轴倾斜角不能超过15° ,可有效防止变压器内部结构形变等等，如果以上质量要求无法满足，极易造成设备损坏或产生潜在安全隐患。因此电力设备的运输过程成为一个高风险的过程，应对这一过程进行严格的质量管控。在大型电力变压器运输的过程中，设备厂商甚至包括业主单位都会派人员跟车。到达现场后，业主、现场安装单位、运输单位等各方一起检查传感器的数据记录和设备状态，以确认设备质量完好。然而，在漫长的运输过程中，检测数据只能事后查看，往往会出现检测数据与实际情况不符的情况，传感器本身在运输过程中发生故障无法及时发现，发生意外只能靠人工联系等等盲点。因此，我们应对相关技术进行研究开发，建立一套大型电力设备在途质量监测系统，对设备的状态进行实时监控，遇到问题及时报警，为保证设备运输质量提供有力保障。由此可见，大型电力设备在途监测系统，对电力设备运输质量安全意义重大，值得研究开发和广泛应用。
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1.2国内外研究现状
早在20世纪70年代就有数台110KV以上的大型变压器因运输冲击，在投用不久后损坏，李启盛等人就已提出需要安装运输振动记录装置17]。80年代国家提出了《三相油浸式电力变压器技术参数和要求》（GB6451.1?5—86) 18]的方案，规定220KV变压器运输需安装封闭式冲击震动记录仪。在《电气装置安装工程电力变压器、油浸电抗器、互感器施工及验收规范》（GBJ148—90) t9]中，进一步规范了大型变压器运输要求，提出了冲击加速度、压力（充氮运输）、倾斜、天气等运输安全参数，并指出我国对大型设备运输中装设冲击记录仪尚属初始阶段。对于冲击记录仪的种类、安装位置，以及大型变压器允许冲击值，还需积累数据和经验。冲击允阈值的大小，国内尚无标准，国外对于大型变压器运输标准也各不相同，如日本东芝公司规定在运输的前后方向为4g，横向为Ig，垂直为3g。德国TU公司规定各向均为3g。美国国家标准规定：垂直为1g，前后为4g。经我国有关部门商定，最终将国产大型变压器运输冲击值三个方向均定为3g。在欧美国家，货物运输基本由专业的运输公司(UPS，FEDEX等)负责。贵重物品运输中的风险则往往由第三方的保险来承担。在运输过程开始后，客户仅可以通过电话或网络查看当前货物运输到哪一站。对运输过程中的货物状态无法随时掌握。在运输公司内部，对货物位置的获取是通过在完成每一段运输后录入货物的唯一码完成的。2004年开始，在运输领域里开始引入RFID技术来代替唯一的扫描码。然而操作流程没有变化，RFID标签需要使用相应的设备进行扫描，对货物的监控还是无法做到全程实时。同时，系统中的信息也仅仅是运输进程，目前还没有设备本身的监控信息。
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第二章系统总体设计方案

2.1系统整体设计
通过对天威保变，西变西电的调研，分析当前监控设备的现状，结合智能传感器技术、物联网技术、Android技术、Web技术等新技术，打破目前封闭式监控现状，实现大型变压器运输参数（冲击加速度、车体倾斜角度、充氮压力、地理信息等）远程监控，分级共享，并通过振动模型结合实际运输路面情况制定合理报警阈值，为风险实时监控提供了技术支持。业主、变压器制造厂商、运输单位和相关部门均可通过WEB分权限了解大型变压器的相关运输状况，明确了责任人，运输路线，变压器参数等级，敏感参数阈值范围等重要信息。为运前风险评估，线路选择，事故责任认定，提供了可靠依据。对目前大型电力设备运输安全，有重要意义。下图2-1为2013年初西变西电发往榆次北的大型变压器变压器B相绕组的监测现场，较为形象的展示了整个系统的设计思想和总体架构。作者主要完成监控终端的设计，监控中心和集中控制器主要由北京天成电科技股份有限公司完成，作者为其参与总体方案设计、提供部分电路设计和制定接口协议，在本章只对监控中心和集中控制器进行总体概述。系统组网设计将会在第三章详细介绍，监测终端软硬件设计将会在第四、第五章详细介绍，模型计算和现场数据分析将在第六章介绍。
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2.2监控中心设计
监控中心由无线网关服务器、Web服务器、数据库服务器、文件服务器、内容服务器、管理服务器等设备组成，操作系统釆用Redhat Enterprise Linux 5;开发语言使用 java 1.6, Apache Httpd2.2+Tomcat6 作为"Web 服务器；采用 Oracle llg 作为数据库；用SOA架构进行平台的搭建，这样保证系统扩展更容易、更适合信息化管理、更利于系统维护升级；数据交换平台采用web service异步技术来实现；J2EE体系结构中的中间层集成框架可适用于性价比、性能稳定和可扩性较强的应用场合[16]，主要负责在大型变压器运输前，审批运输计划、考核运输单位资质、分析路线和评估风险；在运输过程中，记录全程数据、线路，对运输状态实时评定，并可与传感网络通信，调整相关参数阈值；在运输结束后，分析运输数据，，评定运输质量。业主、变压器制造厂商、运输单位和相关部门均可通过WEB分权限了解大型变压器的相关运输状况。本章主要介绍监控中心的主要界面和功能如图2-3所示。电网人员、系统管理员、运输企业和设备厂商用户可通过各自账户用户登录，用户登录成功后，按不同权限查看或审批相应类目，如历史运输计划，运输任务编号、工程项目相关信息和设备采购编号等。在运输方案界面，用户可以查看运输方案的详细信息，包括运输始发地和目的地、运输开始和结束时间、运输车辆类型、车辆车牌号、驾驶员、押运员和运输路线等信息。在大型变压器运输过程中，用户可以实时查看监测信息，包括运输位置、速度、每个监测终端的数据和时间等信息。运输结束后还可以对历史数据进行查询，包括各时段行车路线和传感器数据等信息。
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第三章小型传感网络组网设计....... 13
3.1 ZigBee网络概述....... 13
3.2系统通信协议设计....... 14
3.3本章小结....... 19
第四章监测终端硬件设计....... 21
4.1监测终端硬件设计....... 21
4.2ZigBee射频模块....... 22
4.3电源模块 .......24
4.4传感器模块 .......25
4.5存储模块电路....... 31
4.6时钟电路 .......32
4.7 JTAG调试接口电路 .......33
4.8看门狗和复位电路....... 33
4.9防盗和低电压报警电路....... 34
4.10本章小结....... 35
第五章系统软件设计....... 37
5.1系统软件开发环境....... 37
5.2监测终端软件整体结构 .......38
5.3看门狗事件.......   39
5.4时钟釆集事件....... 41
5.5数据釆集事件....... 43
5.6数据打包发送事件....... 44
5.7网络消息处理事件....... 47
5.8短消息处理事件....... 49
5.9本章小结 .......71

第六章振动模型建立与现场数据分析

6.1大型变压器运输振动模型
在大型变压器运输过程中，路面不平度是行驶阻力和振动的主要激励沿行驶方向的路面不平度会引起大型变压器在竖直方向上的低频振动，冲击允许值由振动模型求得。在路面的横断面上，不平度则引起车辆的侧倾，为保证行驶安全性倾侧角以T作为倾角预警值。以运输大型变压器的平板车和大型变压器作为研究对象，建立如图6-1所示大型变压器路面运输振动模型，1?为平板车车身及大型变压器质量，即簧上质量；K2为整体车身悬架弹性系数；C为整车车身悬架阻尼系数；mi为簧下质量，Ki为所有轮胎刚度，q为路面激励，Zi，Z2为mi，1?垂直方向位移响应。在实际运输过程中，变压器运输安全分析分为3部分：1、通过对运前线路和路面不平度等级的考察，利用振动模型和冲击允许值预测来模拟运输环境，估算运输冲击，制定冲击预警值，确保模拟运输安全性；2、根据实际运输数据分析路面等级调整冲击预警值，发现异常速度、加速度、倾角、氮气压力数据时及时提醒相关人员做出相应操作；3、运输结束后分析运输数据并判断运输质量。

结论

输变电要求逐步提高，电力设备的单个体积，重量和价格逐年增加，大型电力设备的运输日趋频繁，设备具有严格的运输质量要求。在运输过程中，行车速度，冲击振动，气体压力，倾斜程度等参数必须进行严格的监控。本文从电力设备运输质量监测的实际问题入手，结合冲击加速度、路面等级、行驶速度等参数，提出一种大型变压器运输振动模型，设计一套集智能传感器技术、物联网技术、Android技术、Web技术等为一体的大型变压器运输监测系统。监测系统主要由终端装置、集中控制器和监控中心组成。终端装置模块将监测参数通过ZigBee网络经路由器传输到集中控制器模块。集中控制器将终端装置节点数据通过WCDMA网络发送到监控中心。监控中心通过Web显示整个运输过程，并可以实时观察传感器数据和车辆的行驶位置。遇到预警或报警数据时，可通知技术人员作出相应的操作。本课题来源于国家电网公司的科研项目《电力设备运输质量在线管控技术的研究应用》，与北京天成电科技有限公司合作，该项目已于2014年3月由山西省科技厅验收，科技成果鉴定为国际先进水平。监测系统已经达到预期目标，但系统还需进一步完善。主要有一下几点：
(1)设备安装位置和外形仍需电网部门、变压器生产和运输部门协调，确定气压表螺纹接口，允许安装台数和监控部门职能划分，实现统一监管，便于推广。
(2)大型变压器运输安全在线监测系统集远程在线监测、实时预警、路面预测于一体，通过监测路面冲击加速度、车体倾斜角度和车辆行驶速度，结合监控中心软件，评估大型变压器运输安全等级。根据相关路面参数预测振动强度，及时语音提醒，可有效的减少了大型变压器运输损伤。
(3)随着该系统的运行，将逐渐积累运输相关的数据，建立有关冲击如速度、损坏度等级数据库，有利于进一步修正变压器振动模型和冲击允许值预测模型。
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参考文献（略）