CN111750981A

CN111750981A - 变压器振动加速度检测系统、控制方法及装置

Info

Publication number: CN111750981A
Application number: CN202010709993.5A
Authority: CN
Inventors: 汲胜昌; 庄哲; 张琛
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2020-07-22
Filing date: 2020-07-22
Publication date: 2020-10-09

Abstract

本申请涉及一种变压器振动加速度检测系统、控制方法及装置。所述变压器振动加速度检测系统包括：振动加速度传感器，用于检测变压器的振动加速度并输出检测信号；压电振动取能装置，用于收集变压器振动的能量，并转换为第一电能；无线通信装置，用于将检测信号无线发送至数据分析系统；储能装置，用于存储压电振动取能装置输出的第一电能，并为振动加速度传感器及无线通信装置供电。该系统基于变压器在运行中会持续产生振动，利用压电振动取能装置将振动的机械能转化为电能为振动加速度传感器和无线通信装置进行供电，构成简单，且不需要接入信号线，不会对变压器的绝缘保护产生影响，提高变压器振动监测的安全性和可靠性。

Description

变压器振动加速度检测系统、控制方法及装置

技术领域

本申请涉及电力设备检测技术领域，特别是涉及一种变压器振动加速度检测系统、控制方法及装置。

背景技术

电力变压器是发电厂和变电所的主要设备之一。变压器的作用是多方面的不仅能升高电压把电能送到用电地区，还能把电压降低为各级使用电压，以满足用电的需要。因此电力变压器在电力网络中应用广泛，在电力变压器运行过程中，由于过电压冲击等导致的变压器绕组变形等铁芯及绕组的机械故障会对变压器的安全稳定运行造成很大影响。

目前，电力变压器的在线监测方法主要为振动监测法，对运行状态进行诊断需要获取电力变压器的振动测量数据。振动测量所采用的振动传感器一般是使用有线直接连接、无线附加电池或电磁感应挂线取能的方式对振动传感器进行供电。

有线直接连接的方式由于需要在电力变压器外壁连接较长的信号传输线，会对电力变压器的绝缘裕度及振动信号采集设备的安全运行造成影响；无线附加电池的方式则存在需要定时更换电池、单次测量时间有限的问题；电磁感应挂线取能则需要将取能线圈套接在电力变压器的电力传输线上或在电力变压器附近装设取能极板，取能装置与传感器分离，安装程序复杂，且对电力变压器的绝缘水平有一定影响，并对取能线圈的绝缘及振动传感器的隔离有更高的要求。因此目前振动传感器的供电方式会对电力变压器振动监测的安全性和准确性产生影响。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高安全性的变压器振动加速度检测系统、控制方法及装置。

一种变压器振动加速度检测系统，包括：

振动加速度传感器，用于检测变压器的振动加速度并输出检测信号；

压电振动取能装置，用于收集变压器振动的能量，并转换为第一电能；

无线通信装置，用于将所述检测信号无线发送至数据分析系统；

储能装置，用于存储所述压电振动取能装置输出的第一电能，并为所述振动加速度传感器及所述无线通信装置供电。

在其中一个实施例中，所述无线通信装置为具有无线通信功能的微控制器；

所述微控制器用于控制所述振动加速度传感器以预设的第一周期检测所述变压器的振动加速度，并将所述振动加速度传感器输出的所述检测信号无线发送至所述数据分析系统；还用于根据所述检测信号的波形进行异常识别，在识别到波形异常时，控制所述振动加速度传感器以预设的第二周期检测所述变压器的振动加速度，所述第二周期小于所述第一周期。

在其中一个实施例中，所述压电振动取能装置包括：支座、三个悬臂及重物；

所述三个悬臂的第一端均与所述支座连接，第二端分别对应设置有一个重物；

所述支座用于安装于所述变压器上，且所述压电振动取能装置的谐振频率与所述变压器的基本振动频率相近或相等。

在其中一个实施例中，还包括：

太阳能电池，用于将太阳能转换为第二电能；

所述储能装置还用于存储所述太阳能电池输出的第二电能。

在其中一个实施例中，

所述储能装置为超级电容或锂电池。

一种变压器振动加速度检测控制方法，应用于如上述的变压器振动加速度检测系统，所述变压器振动加速度检测系统还包括微控制器；所述方法包括：

输出第一检测控制信号至振动加速度传感器，所述第一检测控制信号用于控制所述振动加速度传感器以预设的第一周期检测变压器的振动加速度；

获取所述振动加速度输出的检测信号；

在识别到所述检测信号的波形异常时，输出第二检测控制信号；所述第二检测控制信号用于控制所述振动加速度传感器以预设的第二周期检测所述变压器的振动加速度；所述第二周期小于所述第一周期。

在其中一个实施例中，所述在识别到所述检测信号的波形异常时，输出第二检测控制信号的步骤包括：

在检测到所述检测信号的波形存在突发短时峰值，和/或根据预设的特征波形检测到所述检测信号的波形出现衰减震荡时，输出所述第二检测控制信号。

一种变压器振动加速度检测控制装置，应用于如上述的变压器振动加速度检测系统，所述变压器振动加速度检测系统还包括微控制器；所述装置包括：

第一信号输出模块，用于输出第一检测控制信号至振动加速度传感器，所述第一检测控制信号用于控制所述振动加速度传感器以预设的第一周期检测变压器的振动加速度；

检测信号获取模块，用于获取所述振动加速度输出的检测信号；

第二信号输出模块，用于在识别到所述检测信号的波形异常时，输出第二检测控制信号；所述第二检测控制信号用于控制所述振动加速度传感器以预设的第二周期检测所述变压器的振动加速度；所述第二周期小于所述第一周期。

一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

获取所述振动加速度输出的检测信号；

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

获取所述振动加速度输出的检测信号；

上述变压器振动加速度检测系统、控制方法及装置，通过压电振动取能装置收集变压器振动的机械能，并转换为第一电能输出至储能装置进行存储，储能装置为振动加速度传感器及无线通信装置供电，无线通信装置将振动加速度传感器根据检测变压器的振动加速度输出的检测信号，无线发送至数据分析系统，基于变压器在运行中会持续产生振动，利用压电振动取能装置将振动的机械能转化为电能为振动加速度传感器和无线通信装置进行供电，构成简单，且不需要接入信号线，不会对变压器的绝缘保护产生影响，提高变压器振动监测的安全性和可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一个实施例中，变压器振动加速度检测系统的结构示意图；

图2为一个实施例中，压电振动取能装置的结构示意图；

图3为一个实施例中，变压器的振动频谱图；

图4为另一个实施例中，变压器振动加速度检测系统的结构示意图；

图5为又一个实施例中，变压器振动加速度检测系统的结构示意图；

图6为一个实施例中，变压器振动加速度检测控制方法的结构示意图；

图7为一个实施例中，变压器振动加速度检测控制装置的结构框图。

附图标记说明：

100、振动加速度传感器；200、压电振动取能装置；201、支座；202、悬臂；203、重物；300、无线通信装置；400、储能装置；500、数据分析系统；600、整流电路；700、太阳能电池；801、第一信号输出模块；802、检测信号获取模块；803、第二信号输出模块。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。此外，以下实施例中的“连接”，如果被连接的对象之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

在其中一个实施例中，如图1所示，提供了一种变压器振动加速度检测系统，包括：

振动加速度传感器100，用于检测变压器的振动加速度并输出检测信号；

压电振动取能装置200，用于收集变压器振动的能量，并转换为第一电能；

无线通信装置300，用于将检测信号无线发送至数据分析系统500；

储能装置400，用于存储压电振动取能装置200输出的第一电能，并为振动加速度传感器100及无线通信装置300供电。

加速度传感器是一种能够测量加速度的传感器。通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。传感器在加速过程中，通过对质量块所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律获得加速度值。振动加速度传感器100即为用于检测变压器在运行过程中振动的加速度的传感器。压电振动取能装置200利用压电效应能够将振动的机械能转换为电能。压电效应是指某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。

通过无线通信装置300进行无线数据传输，避免引入信号线影响变压器的绝缘水平，并且提高变压器振动加速度检测系统的便捷度，能够方便设置于变压器的任何位置。

储能装置400对压电振动取能装置200输出的第一电能进行储能，将存储的电能用于为振动加速度传感器100和无线通信装置300供电。

上述变压器振动加速度检测系统，通过压电振动取能装置200收集变压器振动的机械能，并转换为第一电能输出至储能装置400进行存储，储能装置400为振动加速度传感器100及无线通信装置300供电，无线通信装置300将振动加速度传感器100根据检测变压器的振动加速度输出的检测信号，无线发送至数据分析系统500，基于变压器在运行中会持续产生振动，利用压电振动取能装置200将振动的机械能转化为电能为振动加速度传感器100和无线通信装置300进行供电，构成简单，且不需要接入信号线，不会对变压器的绝缘保护产生影响，提高变压器振动监测的安全性和可靠性。

在其中一个实施例中，无线通信装置300为具有无线通信功能的微控制器；

微控制器用于控制振动加速度传感器100以预设的第一周期检测变压器的振动加速度，并将振动加速度传感器100输出的检测信号无线发送至数据分析系统500；还用于根据检测信号的波形进行异常识别，在识别到波形异常时，控制振动加速度传感器100以预设的第二周期检测变压器的振动加速度，第二周期小于第一周期。

微控制器可以是MCU或CPU。在变压器正常工作时，微控制器控制振动加速度传感器100以第一周期进行检测，当识别到检测信号的波形异常时，此时变压器可能出现故障，此时微控制器控制振动加速度传感器100以相比第一周期短的第二周期进行高速检测，提高检测的频次，为数据分析系统500提供更多的数据进行分析，提高故障分析的准确性。在波形正常时，即变压器正常工作时，则降低检测的频次，降低变压器振动加速度检测系统的能耗，提高变压器振动加速度检测系统的可持续性，能够长时间为变压器进行振动加速度检测。

在其中一个实施例中，如图2所示，压电振动取能装置200包括：支座201、三个悬臂202及重物203；

三个悬臂202的第一端均与支座201连接，第二端分别对应设置有一个重物203；

支座201用于安装于变压器上，且压电振动取能装置200的谐振频率与变压器的基本振动频率相近或相等。

采用上述结构的压电振动取能装置，能够适用于各种不同的电力变压器，只需根据电力变压器的振动频谱对三个悬臂的长度以及三个悬臂分别悬挂重物的质量进行调整，即可在不同的电力变压器实现高效能取电，满足振动加速度传感器100及微控制器的供电。

通过试验测得变压器的振动频谱，进而根据变压器的振动频率分布情况对压电振动取能装置200的三个悬臂202的臂长及每个悬臂202上设置的重物203质量进行选择，使压电振动取能装置200的谐振频率与变压器的基本振动频率相近或相等，提高振动取能效率。在其中一个实施例中，支座201可以是不锈钢材料，重物203为铅材料，悬臂202为不锈钢压片两侧贴设有压电元件。具体地，在一个实施例何种，悬臂202采用两个单层厚度为0.6mm的压电元件(例如压电陶瓷晶体，PZT)贴附于厚度为0.2mm的不锈钢压片两侧。

以图3所示的变压器振动频谱图为例，对压电振动取能装置200的参数调整进行说明，该变压器以100Hz为基本振动频率，同时包含较多的200Hz、300Hz、400Hz等谐波含量。通过仿真软件对压电振动取能装置200的频率响应进行仿真，先根据压电振动取能装置200的贴放位置空间确定初始参数，以初始参数进行仿真，若谐振频率低于变压器的基本振动频率，即100Hz，发明人经研究得出谐振频率会随臂长的增大而减小，因此此时缩短悬臂202的臂长，直至谐振频率达到100Hz，再根据压电振动取能装置200的发电功率对重物203的质量进行调整，若发电功率较小，则增大重物203质量，调整重物203质量后需要再次对谐振频率进行调整，保证谐振频率达到100Hz。例如变压器的贴放位置空间尺寸限制为大于5cm*5cm，则最终确定三个悬臂202的臂长分别为35.3mm，21.8mm，16.3mm，对应的固有的振动频率为100Hz，200Hz，300Hz。该压电振动取能装置200在频率为100Hz，加速度幅值为1g的外加激励下的取能约为0.03W。

在其中一个实施例中，如图4所示，变压器振动加速度检测系统还包括：

整流电路600，用于对压电振动取能装置200输出的交流电信号进行整流后输出直流电信号至储能装置400进行存储。

在其中一个实施例中，如图5所示，变压器振动加速度检测系统还包括：

太阳能电池700，用于将太阳能转换为第二电能；

储能装置400还用于存储太阳能电池700输出的第二电能。

为了进一步提高变压器振动加速度检测系统的可持续性，设置太阳能电池700与压电振动取能装置200配合进行发电，保证储能装置400的电量更充足，能够为振动加速度传感器100和微控制器持续供电。

根据变压器所在的地理位置及周边的地理环境，设计太阳能电池700的高度角，提高太阳能电池700的能量采集率。具体地，利用仿真软件计算太阳的运行轨迹，并根据变压器周围环境，确定太阳被遮挡的范围，例如若变压器前方存在遮光墙，则根据墙顶相对于太阳能电池700安装位置的遮光方向角及高度角，确定墙体及变压器本身的遮光范围，仿真变压器所在的安装位置在一年内日间太阳光照在不同高度角下的照射时间，将能接收到光的时间最长的角度定为太阳能电池700的倾斜角。

在其中一个实施例中，储能装置400为超级电容或锂电池。

在其中一个实施例中，根据储能装置400选用对应的锂电池保护板，或超级电容限压电路，在储能装置400的充电电压达到设定值时，通过低功耗同步整流实现降压整流，为振动加速度传感器100及微控制器提供稳定的电源输出。

在一个实施例中，如图6所示，提供了一种变压器振动加速度检测控制方法，应用于如上述的变压器振动加速度检测系统，所述变压器振动加速度检测系统还包括微控制器；以所述方法应用于微控制器为例进行说明，所述方法包括：

步骤S100，输出第一检测控制信号至振动加速度传感器100，第一检测控制信号用于控制振动加速度传感器100以预设的第一周期检测变压器的振动加速度；

步骤S200，获取所述振动加速度输出的检测信号；

步骤S300，在识别到所述检测信号的波形异常时，输出第二检测控制信号；所述第二检测控制信号用于控制所述振动加速度传感器100以预设的第二周期检测所述变压器的振动加速度；所述第二周期小于所述第一周期。

在变压器正常工作时，微控制器输出第一检测控制信号，控制振动加速度传感器100以第一周期进行检测，获取振动加速度输出的检测信号并进行波形异常识别，当识别到检测信号的波形异常时，此时变压器可能出现故障，此时微控制器输出第二检测控制信号，控制振动加速度传感器100以相比第一周期短的第二周期进行高速检测，提高检测的频次，为数据分析系统500提供更多的数据进行分析，提高故障分析的准确性。在波形正常时，即变压器正常工作时，则降低检测的频次，降低变压器振动加速度检测系统的能耗，提高变压器振动加速度检测系统的可持续性，能够长时间为变压器进行振动加速度检测。

在其中一个实施例中，变压器振动加速度检测控制方法还包括：

获取第三检测控制信号，第三检测控制信号为数据分析系统500识别到检测信号的波形异常时输出的控制信号，用于控制振动加速度传感器以预设的第二周期检测变压器的振动加速度。

数据分析系统500在检测到检测信号的波形存在突发短时峰值，和/或根据预设的特征波形检测到检测信号的波形出现衰减震荡时，输出第三检测控制信号。

检测是否存在突发短时峰值即检测是否存在冲击等剧烈振动的情况，或检测是否出现率先震荡等非正常波形，若存在任一种情况，则认为波形异常，此时变压器可能处于故障，例如变压器绕组变形的故障。

应该理解的是，虽然图6的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图6中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

在一个实施例中，如图7所示，提供了变压器振动加速度检测控制装置，应用于如上述的变压器振动加速度检测系统，所述变压器振动加速度检测系统还包括微控制器；所述装置包括：

第一信号输出模块801，用于输出第一检测控制信号至振动加速度传感器100，第一检测控制信号用于控制振动加速度传感器100以预设的第一周期检测变压器的振动加速度；

检测信号获取模块802，用于获取振动加速度输出的检测信号；

第二信号输出模块803，用于在识别到检测信号的波形异常时，输出第二检测控制信号；第二检测控制信号用于控制振动加速度传感器100以预设的第二周期检测变压器的振动加速度；第二周期小于第一周期。

关于变压器振动加速度检测控制装置的具体限定可以参见上文中对于变压器振动加速度检测控制方法的限定，在此不再赘述。上述变压器振动加速度检测控制装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。需要说明的是，本申请实施例中对模块的划分是示意性的，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现以下步骤：

输出第一检测控制信号至振动加速度传感器100，所述第一检测控制信号用于控制所述振动加速度传感器100以预设的第一周期检测变压器的振动加速度；

获取所述振动加速度输出的检测信号；

在识别到所述检测信号的波形异常时，输出第二检测控制信号；所述第二检测控制信号用于控制所述振动加速度传感器100以预设的第二周期检测所述变压器的振动加速度；所述第二周期小于所述第一周期。

在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

获取所述振动加速度输出的检测信号；

在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、磁带、软盘、闪存或光存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，DRAM)等。

在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种变压器振动加速度检测系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的变压器振动加速度检测系统，其特征在于，所述无线通信装置为具有无线通信功能的微控制器；

3.根据权利要求2所述的变压器振动加速度检测系统，其特征在于，所述压电振动取能装置包括：支座、三个悬臂及重物；

4.根据权利要求3所述的变压器振动加速度检测系统，其特征在于，还包括：

太阳能电池，用于将太阳能转换为第二电能；

所述储能装置还用于存储所述太阳能电池输出的第二电能。

5.根据权利要求1至4任一项所述的变压器振动加速度检测系统，其特征在于，

所述储能装置为超级电容或锂电池。

6.一种变压器振动加速度检测控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1至5任一项所述的变压器振动加速度检测系统，所述变压器振动加速度检测系统还包括微控制器；所述方法包括：

获取所述振动加速度输出的检测信号；

7.根据权利要求6所述的变压器振动加速度检测控制方法，其特征在于，所述在识别到所述检测信号的波形异常时，输出第二检测控制信号的步骤包括：

8.一种变压器振动加速度检测控制装置，其特征在于，应用于如权利要求1至5任一项所述的变压器振动加速度检测系统，所述变压器振动加速度检测系统还包括微控制器；所述装置包括：

9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求6或7所述的方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求6或7所述的方法的步骤。