Design of automated system to monitor power transformer states

全文:

Введение

Оперативное получение информации о фактическом состоянии силовых трансформаторов является важным условием обеспечения безопасности и эффективности перевозочного процесса [1].

В настоящее время для определения состояния трансформаторов применяются различные методы и по каждому из них формируются свои массивы хранимых данных, что усложняет процесс сопоставления результатов анализа. Поэтому разработка автоматизированной системы, позволяющей собирать, хранить и удобно отображать результаты диагностики состояния трансформатора различными методами является актуальной задачей [2, 3].

Разрабатываемая система должна обладать рядом характеристик:

• надежность хранения собранных данных;
• оперативность получения информации (особенно о снижении ресурса трансформатора) [4, 5];
• высокая информативность, благодаря которой обеспечивается гибкость формируемых отчетов о состоянии контролируемых участков.

Для реализации этих требований необходимо разработать структуру хранения данных, связи между данными [6–8].

Структура базы данных

В данной работе для хранения данных предлагается реализовать семь взаимосвязанных таблиц.

Базовая таблица «Трансформаторы» описывает основные параметры контролируемых силовых трансформаторов. По ней можно получать наиболее быстрым способом краткую актуальную информацию о состоянии трансформатора. Данные о принадлежности трансформатора (какой службе ЭЧ принадлежит) и его размещении (на какой тяговой подстанции ЭЧЭ расположен) представлены в таблицах «ЭЧ» и «ЭЧЭ», позволяющих структурировать выводимые данные.

По уникальному полю-ключу «id_Трансформатора» таблица, кратко описывающая состояние трансформатора, связана с таблицами, хранящими данные по всем исследованиям данного трансформатора. Благодаря такой организации хранения данных в любой момент времени оператору становятся доступны следующие динамически формируемые данные:

• дата и результат последнего исследования;
• общее количество измерений за все время;
• количество измерений за определенный период;
• результаты последних N измерений, чтобы посмотреть динамику изменения ресурсного состояния трансформатора.

Предлагаемая структура базы данных представлена на Рис. 1.

 

Рис. 1. Предлагаемая структура базы данных АК – акустический контроль; ХАРГ – хроматографический анализ растворенных газов

Fig. 1. Proposed database structure

 

Программный пользовательский интерфейс

Пример отображения информации в главном окне проектируемой системы мониторинга состояний силовых трансформаторов, реализованный на платформе .NET, приведен на Рис. 2 [9–11].

 

Рис. 2. Главное окно системы мониторинга состояний силовых трансформаторов

Fig. 2. Main window of the system for monitoring the state of power transformers

 

В верхней части окна выпадающими списками представлена краткая информация об имеющихся трансформаторах, результаты их последних проверок и запланированные даты последующих проверок. Внизу окна отображается более подробная информация о конкретном выбранном трансформаторе. Также имеется возможность наблюдать ближайшие запланированные даты проверок по всей базе данных трансформаторов.

При отображении более подробной информации о конкретном силовом трансформаторе имеется возможность отобразить подробные результаты последнего исследования, либо увидеть результаты множества последних измерений, что позволяет отследить динамику изменения тех или иных контролируемых параметров. Примеры таких отчетов приведены ниже.

С целью повышения надежности решение о ресурсном состоянии силового трансформатора предлагается принимать по итогам двух исследований:

• хроматографический анализ растворенных газов (ХАРГ) в масле;
• акустический контроль (АК) состояния изоляции и вводов силового трансформатора.

Хроматографический анализ растворенных газов в масле

ХАРГ позволяет выявлять дефекты на ранних стадиях появления, определять их вид и степень развития [12, 13]. Для выполнения диагностики требуется произвести отбор масла, что в свою очередь требует отключения питания трансформатора и приводит к перерывам в работе участков контактной сети, и доставить образец в дорожную химико-техническую лабораторию (ДХТЛ).

В результате анализа выявляются количественные характеристики примесей и сравниваются с граничными значениями для данного типа трансформаторов. Полученные данные отправляются в дорожную электротехническую лабораторию (ДЭЛ) и вводятся в предлагаемую базу данных. Передача данных может быть осуществлена удаленно по радиоканалу или имеющимся кабельным линиям связи, но сама процедура анализа занимает в среднем около одного месяца и проводится не реже одного раза в полугодие. Однако при появлении критических значений контролируемых параметров сроки проверки могут быть существенно сокращены вплоть до двух недель.

В базе данных предлагается хранить данные ХАРГ-исследований по каждому трансформатору для получения истории изменения диагностических параметров и более обоснованного определения даты следующей проверки. Предлагаемая дата следующей проверки как итог диагностики по ХАРГ хранится в таблице «Измерения ХАРГ» для каждого измерения. Но фактическое планирование и утверждение даты следующей проверки по ХАРГ с учетом множества внешних факторов будет выполнять оператор разрабатываемой системы, и эта дата хранится в таблице «Трансформаторы» и позволяет реализовывать удобные сигнализирующие события в системе.

Пример подробного представления одиночного результата ХАРГ приведен на Рис. 3, а отображение нескольких результатов в динамике – на Рис. 4.

 

Рис. 3. Пример подробного представления результата ХАРГ

Fig. 3. Sample of chromatography analysis results detailed representation

 

Рис. 4. Пример представления результатов ХАРГ в динамике

Fig. 4. Sample of dynamic chromatography analysis results representation

 

Результатами диагностики могут быть различные выявленные дефекты: частичные разряды (ЧР), дуговые разряды (ДР), повреждение твердой изоляции (ПТИ), межвитковые замыкания (МВЗ) и другие. Наличие и степень выраженности этих дефектов определяют следующую дату проверки.

Акустический контроль состояния изоляции и вводов силового трансформатора

Вторым способом мониторинга состояния силовых трансформаторов является применение акустической системы контроля состояния изоляции и вводов трансформаторов [14, 15]. В этом случае к поверхности бака высоковольтного трансформатора при помощи магнитов крепится некоторое количество акустических датчиков. Каждый из них фиксирует акустические колебания, возникающие на стенках бака из-за появления частичных разрядов (ЧР) в обмотках трансформатора. Одновременная фиксация колебаний несколькими датчиками, расположенными в различных местах поверхности позволяет:

• получать более четкий и мощный сигнал на датчике, наиболее близком к источнику ЧР;
• определять координаты источника ЧР расчетным путем по данным нескольких датчиков.

Полученная информация может напрямую передаваться в ДЭЛ и вноситься в базу данных. Однако объем передаваемых данных будет необоснованно велик, поэтому в настоящей системе предлагается использовать предварительную обработку полученных данных:

• данные со всех датчиков сохраняются на жестком диске (путь к данным фиксируется в базе данных) и проходят предварительную обработку (определяются средние значения амплитуд сигналов, количество зафиксированных событий);
• из всех датчиков выбирается тот, который фиксирует данные с наибольшей амплитудой;
• в базе данных фиксируется положение выбранного датчика;
• сигналы с выбранного датчика обрабатываются на основе математического аппарата рядов Фурье и вейвлет-анализа. Полученные спектры, скейлограммы и усредненный сигнал с выбранного датчика также фиксируются в базе данных;
• полученный усредненный сигнал сравнивается с эталонами различных дефектов, в результате чего формируется решение о ресурсном состоянии изоляции силового трансформатора и предлагаемой даты следующей проверки.

Алгоритм обработки данных

Для предварительной обработки полученных данных реализуется соответствующий программный модуль [16], графическая схема алгоритма (ГСА) работы которого укрупненно представлена на Рис. 5. Подзадача «Обработка сигналов четырех каналов» представлена на Рис. 6. Итогом работы модуля будут данные, подготовленные для передачи на сервер и сохранения в базе данных.

 

Рис. 5. ГСА работы модуля предварительной обработки акустических данных

Fig. 5. Diagram of acoustic data preprocessing module algorithm

 

Рис. 6. ГСА обработки сигналов акустических датчиков при выбранном расположении

Fig. 6. Processing algorithm diagram for signals from selected position of acoustic sensors

 

Таким образом, в базе данных всегда будет наиболее востребованная и актуальная информация, включающая в себя положение наиболее подходящего датчика, результат анализа и предлагаемую дату следующей проверки. В связанной таблице будут представлены сам (усредненный) сигнал и результаты его обработки (спектры, скейлограммы), статистические характеристики и ссылка на хранилище данных со всех оставшихся датчиков.

Сама передача данных в ДЭЛ может быть выполнена непосредственно от трансформатора при помощи переносной системы цифровой акустической диагностики (СЦАД) по радиоканалу или соответствующей линии связи.

Диагностику с использованием АК предлагается также выполнять через определенные временные интервалы (в среднем один раз в полгода).

Пример представления результатов акустического контроля в базе данных представлен на Рис. 7.

 

Рис. 7. Пример представления результата акустического контроля

Fig. 7. Sample of acoustic analysis results representation

 

Результаты

В итоге получилось сформировать основную структуру и логику работы проектируемой автоматизированной системы мониторинга состояний силовых трансформаторов; определить структуру базы данных и формируемых на ее основании отчетов.

Выводы

Разрабатываемая система позволит более оперативно отслеживать возникновение критических состояний диагностируемых трансформаторов, принимать обоснованные решения на основе актуальной информации о текущем состоянии контролируемых трансформаторов и о динамике изменения их состояния.

Авторы заявляют, что:

1. У них нет конфликта интересов;
2. Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей в качестве объектов исследований.

The authors state that:

1. They have no conflict of interest;
2. This article does not contain any studies involving human subjects.

作者简介

Andrey Kuznetsov

Omsk State Transport University

Email: kuznetsovaa.omgups@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-1815-4679
SPIN 代码: 5259-0531

Dr. Sci. (Engineering), Professor

俄罗斯联邦, Omsk

Anton Ponomarev

Omsk State Transport University

编辑信件的主要联系方式.
Email: antonyswork@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-1468-5402
SPIN 代码: 8927-5050

Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor

俄罗斯联邦, Omsk

参考

补充文件