变压器在线监测方法 【技术领域】
本发明涉及电力变压器的监测技术，更具体地说，涉及一种变压器在线监测方法，该方法可用于对变压器在线监测数据进行处理及管理，主要应用但不局限于对变压器油样中的气体浓度及演变趋势的监测。
背景技术
作为供变电线路中重要的核心设备，电力变压器的正常运行直接关系到国民生产和生活的方方面面。对变压器的故障检测、维修及保养，是保障供电网络正常运行必不可少的工作。
针对造成变压器无法正常运行的故障——受潮、过热、老化引发的整体故障；弧光放电、局部放电引发的局部故障等。电力行业已有较为成熟的检测维修方法和工作程序。例如，在中国标准“DL/T596-1996电力设备预防性试验规程”规定的试验项目及试验程序中，主要包括气体的色谱分析、直流电阻检测、绝缘电阻及吸收比、极化指数检测、绝缘介质损失角正切检测、油质检测、局部放电检测及绝缘耐压试验等。这些故障检测方法均是以时间为基准定期进行的定点检测，一般以3个月至1年为检测周期。这种方式对演变速度快的故障无能为力，无法完全做到防微杜渐、防患于未然。
为了提高效率及效益，一种新地基于状态维护的方式——在线监测，越来越受到重视。这种实时在线监测与传统故障检测的着眼点和采用方法，以及所发挥的作用有较大区别。在线监测可以在不影响被监测变压器正常运作前提条件下，通过对反映变压器运行状况状态量的连续采样分析出变压器的运行状况。此外，在线监测还可在大量已有监测历史数据基础上，通过对监测数据变化的分析，推断出变压器内部可能已经或正在发生故障的变化或演变趋势，为用户及时提供第一手资料。因此，在某种意义上来说，在线监测与现有的实验室定点检测两者互相补充，前者为后者提供及时的情报，后者是对前者的检测结果进行确认和补充。在线监测技术的充分利用，一方面可以及时地发现和识别变压器的故障。另一方面，监测数据的利用程度高、应用面广，可减少对变压器进行的定点检测和维修次数，降低运行成本，延长变压器使用寿命，减少因停电检修对输变电运营的影响，增加运营收入。
作为一种先进的状态检测方式，在线监测应用于变压器早期故障检测和诊断已经越来越受到重视并逐渐被人们所接受，与此同时对所采用的技术和手段的要求也越来越高。
在美国专利US Patent 4,654,806中，Thomas D.Poyser等公开了一种基于微处理器技术的变压器在线监测系统，可以说是较早采用状态检测变压器故障的技术。该系统根据设定的间隔时间不断检测与变压器负载和运行状况有关参数的实时值，并与反映变压器状态的参数设定值进行比较分析。根据比较分析结果，提高或降低数据采集频率，建议对设备何时进行定点检修，或降低工作负载甚至停止运行。该方法采集数据包括油温、热点温度、氢气浓度，油位，压力等。该技术虽然运用了微计算机实现了在线监测，但在数据的后台分析与利用上不是十分深入。主要表现在，一是未对监测数据进行合理分类，如按采样时间间隔进行筛选保存和分析。二是历史数据的存储只局限于最大和最小值，历史数据的展示、浏览和操作功能几乎不存在。三是没有提供对用户来说很重要的状态变化趋势。因此该系统仅仅起到一个简单的报警器的作用。无法给用户提供变压器运行过程中的全面的信息。
在美国专利US Patent 5,773,709，Jean-Pierre Gibeault等公开了一种系统内部带有液体热对流的在线监测方法和仪器。该专利技术一方面充分利用了流体的热效应，在其内部设计了一套促使被测流体不断流动的周期性加热装置，以便使到达气体传感器的被测油样与变压器内部本体油样在成份上基本一致，减少响应时间；另一方面公开了利用该技术而设计的一套变压器在线监测仪器。但其在状态数据的生成，展示和分析利用方面，基本上未有提及。
在美国专利US Patent 6,289,716 B1中，Stanley R.Lindgren公开了一种监测变压器油箱顶部空间中逸出的故障气体和指示变压器运行状态的方法。该方法提出了一种在线监测油箱顶部空间中逸出的各种气体浓度和评估变压器运行状况的方法。但在数据接收、显示和处理方面仅仅停留在显示变压器当前所处的状态及其所采用本技术所获得的实时数据，无法调阅历史数据更无法在同一界面直接看到前一阶段的变化趋势并进行比较。
【发明内容】
针对现有技术的上述缺陷，本发明要提供变压器在线监测方法，以便让操作员可快速、全面地调阅和浏览监测数据及其变化趋势，完成日常性的工作；同时又可与其他系统实现同平台集中管理与监控。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种变压器在线监测方法，其中包括以下步骤：
(1)采集变压器的被监测信号并生成监测数据；
(2)将所述监测数据实时传送到在线监测终端，使在线用户可通过所述在线监测终端对所述监测数据进行浏览及分析；
(3)所述监测终端再将监测数据实时传送到远方数据库服务器进行保存，使专家或远程用户可通过与所述数据库服务器连接的Web服务器对所述监测数据进行浏览和分析；
其中，在所述步骤(1)和(2)中，采用RS232串口通讯协议和Modbus数据传输交换控制协议来完成数据的传送；在所述步骤(3)中，采用互联网传输控制协议来完成的数据传送。
在本发明中，所述监测数据(或监测状态数据)包括实时数据和历史数据，实时数据是指连续地实时地由信号变送器生成并从信号变送器接受到的监测数据，历史数据是指从信号变送器内存下载的或存储于用户监测终端的数据库内的过去的监测数据。
在本发明所述方法的步骤(1)中，由信号变送器来采集变压器的被监测信号并生成监测数据；在所述步骤(2)中，通过通讯控制器，在线监测终端实时接收和下载所述监测数据；所述信号变送器、通讯控制器和在线监测终端相互之间基于RS-232串口通讯协议和所述ModBus数据传输交换控制协议，通过RS-485网络、Modem拨号连接、或者串口直连的方式，完成数据传输和控制，构成一个基础的在线监测系统。
在本发明所述方法的步骤(2)中，所述监测终端既可同时连接多台相同类型的信号变送器，也可同时连接其他监测设备，并可直接对监测数据进行浏览和分析。在所述步骤(2)中，将监测数据保存到监测终端的本地数据库中，以实现第一级监测，即现场监测；所述步骤(3)则实现第二级监测，即专家监测。
在本发明所述方法的步骤(2)和(3)中，当监测数据达到或超过报警级别设定值、并超过设定的延迟过滤时间时，将按预定方式自动报警，提示管理者进行相应的处理；所述报警级别设定值包括较低的第一级报警设定值和较高的第二级报警设定值；当所述监测系统或及其通讯线路发生故障时，还进行相应的系统报警或通讯故障报警。其中，所述监测数据可以是变压器故障气体参数、油中的含水量、油温度、或负载电流等。
根据本发明所述的方法，在所述监测终端中，通过框架式界面来完成数据的显示和操作，所述框架式界面包括控制菜单栏、快捷工具栏、系统状态栏、显示方式控制栏和数据类型标识栏；还包括实时数据显示区、数据展示区、鼠标点数据显示区和设备选择区。根据本发明所述的方法，在所述实时数据显示区和数据展示区中，可采用类似于示波器图形的方式来显示监测数据，所述图形随时间的变化而自动调整其画面；也可采用类似于微软Excel列表方式来显示监测数据，使用户可在此界面上对数据进行二次处理和分析。所述实时数据和历史数据可以随时互相切换，且不影响实时数据的读取。
根据本发明所述的方法，在所述设备选择区中，采用类似于Windows资源管理器方式的树型视图来完成多种项目、多台设备、多种数据的同平台监测与操作；其中把被监测设备用户、变电站、监测项目、变压器分别当作“文件夹”和“文件”进行分层分级管理和控制；操作时，用户只须简单地用鼠标点击所监测设备，即可将选中设备和监测项目的数据调入到数据展示区内进行浏览和操作。
根据本发明所述的方法，在所述监测终端中，根据监测项目的要求和数据类型不同，把监测数据划分为不同的类并分别进行储存，并在控制菜单栏中分别进行定义；用户在调阅数据时，只须简单地在控制菜单栏上进行选择操作，即可将所需要的数据调入到相应的数据显示区内，从而提供多种不同类型数据展示视图和控制方法。在示波器图形显示模式时，用户可通过控制菜单栏从多种数据中选择1-3种数据同时显示和浏览。
根据本发明所述的方法，在框架式界面的快捷工具栏中，提供有“首页”、“上页”、“下页”、“尾页”、“前翻”、“后翻”等快捷键，让用户可对监测数据的展示和浏览按页面分时段进行选择浏览和分析处理操作。还提供有“拉伸”、“压缩”快捷键，让用户可对历史数据进行筛选浏览和分析处理。
本发明的方法解决了同类其他变压器在线监测系统和方法在数据展示和数据挖掘功能上的不足，充分运用微型计算机先进的多层分布式数据库管理技术、菜单技术、图像展示技术和互联网通讯技术、多任务多线程技术，既可方便操作员快速、全面地调阅和浏览监测数据及其变化趋势，完成日常性的工作，又可与其他系统实现同平台集中管理与监控。本发明借助于互联网提供的丰富网络资源，提供了两种不同权限的现场监测与专家监测平台，把在线监测延伸到无地域限制的真正意义上的远程实时同步在线监测。
【附图说明】
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明中变压器远程实时在线监测系统的结构图；
图2是变压器远程实时在线监测系统的工作流程图；
图3是数据处理人机操作界面控制示意图；
图4是变压器实时在线监测终端软件人机操作界面布局框架图；
图5是变压器在线实时监测数据接收与处理通讯资源调度示意图；
图6是用示波器方式展示变压器故障气体监测实时数据的示意图；
图7是EXCEL表格方式展示变压器故障气体监测实时数据的示意图；
图8是变压器故障检测与报警处理流程图。
【具体实施方式】
本发明提供了一种新的针对变压器在线监测数据进行处理及管理的方法。包括监测状态数据生成、远程实时数据接收、储存、浏览与分析等，为专家系统提供高效平台等。其中，状态数据通常从传感器中读取，以变压器内部的故障气体为例，例如氢气(H2)、一氧化碳(CO)，乙炔(C2H2)和乙烯(C2H4)等，监测的原始信号由气体传感器提供，气体传感器包括燃料电池/电化学传感器，金属氧化物半导体，过渡金属栅场效应，热导及红外传感器等。这些信号在微处理器中按照预先设定的算法运算，产生出可反映变压器故障条件的数据——故障气体浓度及变化趋势，如气体浓度、小时变化趋势、日变化趋势等，从而实现对变压器的在线实时监测。状态数据除了可以是故障气体浓度外，也可以是变压器其它的状态参数，如绝缘油的湿度，顶部及底部的油温，负载电流等。
本发明的方法中，远程监测数据接收、储存、浏览与分析由一整套变压器在线监测系统和设备来实现。如图1所示，整个系统按功能分由七个部分组成，包括：
1)信号生成10；
2)信号采集与监测数据生成11；
3)传输控制或通讯控制12；
4)HOST远程在线监测终端软件13；
5)数据库服务器14；
6)Web服务器15；以及
7)各类远程用户16.。
如图2所示，以监测变压器20内的故障气体为例，因变压器故障而产生的故障气体通过变压器内部的油流到达变压器的阀门20a，再通过变压器的阀门20a到达传感器从而完成前述的信号生成步骤，然后依次是用于完成前述信号采样与监测数据生成功能的信号变送器21、用于完成传输控制的通讯控制箱22、以及用户监控软件(HOST)23、监测数据服务器24、专家系统应用逻辑(Web)25和专家客户端(Expert)26。
其中，气体传感器21a直接连接到变压器20的阀门20a上，信号变送器21由气体传感器21a及微处理器21b组成。信号变送器21、通讯控制器22和用户监控软件23相互之间基于RS-232串口通讯协议和工业上通用的ModBus数据传输交换控制协议17，通过RS-485网络、Modem拨号连接或串口直连完成数据交换、传输与系统控制，属于整个系统的基础设备。
专家系统应用逻辑和客户端基于互联网传输控制协议(TCP/IP和Http)18，以及分布式多层数据库管理实现技术，实现基于互联网的真正意义上的远程实时检测，专家不用直接到现场，也无须做大量的数据接收和整理，系统根据故障诊断知识积累按照预先设定的规则自动将有关的数据从数据库服务器24中调出供专家研究和分析。基础设备与专家系统之间同样基于互联网传输协议18，由现场监测终端自动把实时接收数据转写到专家系统数据库中。与用户HOST 23不同的是，专家系统26只能浏览和分析监测数据，不能直接控制和操作监测终端。
如图3所示，本方法提供了一种框架式监控操作界面，展示数据内容丰富全面，控制方式简单实用方便。
如图4所示，整个界面框架根据显示内容和功能不同分为五栏四区，具体包括控制菜单栏51、快捷工具栏52、系统状态栏53、类型标识栏56和显示方式控制栏55，以及树型设备选择区54、实时数据显示区57、鼠标点数据显示区58和数据展示区59。
用户可从数据源30、数据类型43(包括实时监测数据、短期历史数据、长期历史数据、历史事件数据和历史服务记录)、数据项目39(包括故障气体浓度、小时变化趋势、日变化趋势、传感器温度、加热器温度、加热器功率、原始信号量、原始浓度等)和当前监测终端31四个角度，选择性地将监测结果数据展示在图4所示的框架界面内，进行监视、浏览、分析和处理。
整个界面充分运用数据分段和分页控制技术，提供了两种浏览和展示数据的方式，即示波器方式的图形45和EXCEL表格方式的列表46。两种方式角度不同、作用不同，相互补充，相得益彰，使得界面操作十分简单、直观、且实用。
图6是一个典型的示波器方式的图形、图7是一个典型的EXCEL表格方式的列表。示波器方式的图形45兼容动静两种状态，其动态方式充分发挥了示波器在检测中的优势和特点；而列表方式46采用Excel插件技术，可进行二次操作。
如图5所示，本方法在数据接收方面充分运用面向对象的技术和手段，在HOST 23与变送器21之间ModBus数据交换17基础上，设置了专门的串口通讯资源调度管理器64，负责对数据收发设备进行自动控制和管理。管理器将访问设备的应用定义为10个不同级别和权限的用户，对其运用使用权证进行管理。提出访问监测设备申请的用户64a在未获得使用权证65前不能直接访问通讯设备和资源，只能进入等待队列排队66。只有在队列中没有比其级别和权限高的用户时，才能得到管理器分配的权证，完成对监测终端的访问。这种资源管理任务调度器，保证了多任务多用户同时对监测设备实时访问的实现，无冲突，响应及时，是实现多串口多设备同时检测重要基础。
本方法在上述技术基础上提出了一种类似于Windows资源管理器的树型视图选择技术，实现整个变压器所有设备和参数同平台同监测的方式。这种方式充分运用操作系统多任务、多线程技术，实现了多串口、多通道同时访问多种监测设备，不失为电站综合自动化的一种可行的实施方案。
本方法中，根据故障气体产生量大小和危害程度，把变压器的报警划分为两种不同级别的警报——高和超高报警，提供多种监测报警及相应方式与手段供用户操作选用，如图8所示。用户可对两种不同级别的报警值自行进行设定。针对报警及处理过程一般要经过故障发生、报警检测与传递、报警、报警处理四个阶段的特点。本方法一方面采用适当延迟过滤，大大降低了因环境、电气、通讯等非变压器故障因素导致的假报警、误报警等现象出现的概率，保证了监测报警的真实、准确、及时。另一方面，提供了严格的报警确认程序，整个系统的各个环节均具备报警及锁定功能。一旦报警产生，必须有操作人员的人工确认，否则报警将一直延续下去。以图8为例，真实可靠报警被检测到后，信号变送器21首先响应，数据显示屏幕立即由正常状态转为报警状态70a——滚动显示当前报警项目和报警状态值，直到该报警得到确认72a或72c为止。同时，生成报警事件被记录在历史事件数据库中，并将报警信号转送到通讯控制器22。通讯控制器接收到报警信息后，立即启动报警信号灯70b，并锁定报警到值班人员现场人工确认72b。监测终端——HOST 23监测到信号变送器报警后，立即弹出报警窗口70c，利用界面颜色、动画和音效功能进入报警状态，等待操作人员进行报警确认72c。
本方法不仅对变压器进行故障条件检测，还具备自身状态监测和传感器自检功能，并根据报警源的不同，将报警分为三类——监测数据报警、系统报警和通讯故障报警，分别进行处理。