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基于云服务器之变压器偏磁电流监测平台研发与实现
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  • 用途:硕士毕业论文 Master Thesis
  • 编辑:若诗
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  • 论文编号:el2021010422511021308
  • 日期:2021-01-08
  • 来源:上海论文网
本文是电力论文,论文主要完成了以下几个工作:(1)总结了传统电力监测系统存在的监测数据样本少、难共享等现状,对不同诱因下偏磁电流产生机理及特性进行了分析。在此基础上,利用信息网络技术,提出了一种基于云服务器的变压器偏磁电流的实时监测系统方案。(2)基于数据采集系统的功能需求,进行了数据采集终端的硬件及软件设计。重点依据偏磁电流特性对关键器件进行了分析及选型,对信号调理电路进行了计算、分析、仿真先验,仿真结果表明了该电路设计的正确性。以高性能嵌入式微处理器STM32F103RBT6为核心,完成了监测系统采样终端的硬件电路设计,设计过程结合现场应用需求,对布局、布线、电磁兼容进行了优化设计。基于硬件电路完成了对数据采集终端软件设计,实现了数据采集、处理,与监测平台通信等功能。

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1绪论

 

根据以上研究内容,本文的工作安排如下:第一章阐述变压器直流偏磁电流的两个诱因,分析其对电网及电力变压器的危害,对国内外变压器直流偏磁研究现状以及云服务器应用于监测系统的现状进行分析对比,并指明研究的局限和不足,提出本文研究内容的必要性和对电网稳定安全运行的意义。第二章总结产生变压器中性点直流偏磁电流的两种机理,研究变压器偏磁电流的影响因素,整理偏磁电流的计算方法。通过仿真计算和查阅大量文献,对偏磁电流的特性进行分析,并对地磁扰动引起的直流偏磁利用Matlab编程进行实例计算,为第三章数据采集终端关键器件的选型提供理论基础。第三章根据对变压器中性点偏磁电流特性分析,明确数据采集装置的硬件设计需求,并对其进行模块化硬件电路设计。硬件电路设计主要包括:关键器件的选型、信号调理板电路设计和核心板电路设计,并详细介绍各电路的设计原理及功能。

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2变压器偏磁电流产生机理及特性分析

 

2.1变压器偏磁电流的产生机理
特高压直流输电线路在发生单极故障或检修时可单极运行,如图2.5所示。当极B进行检修时,该线路上的传输功率为零,即02P,电流将从极B通过大地回到极地极A。此时,直流输电系统存在接地极入地电流,会使其换流站附近产生地表电流和电势差,最终造成接地变压器中产生直流分量,发生直流偏磁。在硬件电路基础上,完成对核心板的高性能嵌入式微处理器的软件设计,使数据采集终端能够实现数据的采集、传输以及与监测平台的交互。第四章根据监测平台的功能需求,分析监测平台所需的物理架构、软件体系架构以及功能结构。采用分离前、后端的模式完成各个模块的功能设计,并在开发环境中实现与数据采集终端的交互,实现数据的实时共享与发布、监测数据的可视化以及完成数据的有效管理等功能。第五章对本文所设计的基于云服务器的变压器偏磁电流监测系统进行实验测试和现场测试,测试系统是否满足设计需求、能否实现设计目标主要工作进行总结,并指出不足之处,对后续的工作进行展望。
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2.2变压器偏磁电流的计算方法
由上一节的分析可知,直流输电引起的偏磁电流和地磁感应电流(GIC)对交流电网影响是一致的。若要知其对变压器的危害程度,还需对其具体特性进行分析计算。而常见的计算方法过程可分两步:第一,计算感应地电场分布,建立电场模型;第二,计算在地电场作用下的偏磁电流,建立电路模型[34-39]。诱发偏磁电流成因的不同,在计算大地模型有所区分。然而,最终解决偏磁电流的方法是一致的,也就是说,根据电场分布,交流电网中的每个设备相当于一个直流电路元件,构成一个直流电路网络,最后得到交流电网中的偏磁电流。(1)感应地电场的计算方法由于大地结构的复杂性,考虑不同角度的建模影响因素,对其建立的模型也有所不同。因此,感应地电场计算方法也有区别,其中常用的是平面波法。它根据地球磁暴产生时高能粒子离地球表面非常远的事实,假设电流的密度是固定的,且离地球无限远、面积无限延伸的面电流,由此产生的地磁场看作垂直于地面的平面波[31]。依据麦克斯韦方程式和法拉第电磁感应定律,空间磁场变化在大地上会感应出电场。直流接地极入地电流流经输电线路、变压器和大地形成回路,在大地中也会感应出电场。对于该地电场的计算,方法有矩量法、边界元法和有限元法[40-42]。当前,处理接地极直流电流常用的计算方法是有限元法,它不仅应用成熟,使用还较为简捷。该方法在仿真软件时需考虑不同接地极的形状、入地电流以及深度土壤电阻率等影响因素下地表电位分布(ESP)情况[43]。文献[44]研究表明,接地极形状和入地电流都只影响其附近的地表电位分布。

 

3变压器偏磁电流监测系统的数据采集终端设计................................................................14
3.1数据采集终端设计需求分析......................................................................................14
3.2数据采集终端关键器件选型......................................................................................15
3.3数据采集终端的硬件电路设计..................................................................................18
3.4数据采集终端的软件设计..........................................................................................26
3.5本章小结.....................................................................................................................29
4基于云服务器的监测平台设计与实现................................................................................30
4.1基于云服务器的监测平台设计需求分析..................................................................30
4.2基于云服务器的监测平台设计..................................................................................33
4.3基于云服务器的监测平台功能实现..........................................................................33
5变压器偏磁电流监测系统的测试........................................................................................42
5.1变压器偏磁电流监测系统实验室测试......................................................................42
5.2变压器偏磁电流监测系统变电站监测测试..............................................................45
5.3本章小结.....................................................................................................................50

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5变压器偏磁电流监测系统的测试

 

5.1变压器偏磁电流监测系统实验室测试
本章在实验室测试平台上,完成了对数据采集终端电源模块的纹波测试、带载测试及采集电路性能试验。分别验证了电源具有良好的带载能力,采集电路设计的正确性。对监测平台进行了通信协议的性能测试、功能模块测试、综合性能测试,验证了基于云服务器的监测平台实现了预期功能,能够满足设计需求,达到了设计目标。对数据采集终端和监测平台进行了联合调试,测试结果表明了系统有良好的稳定性、实时性。现场工程环境下的测试,测试结果表明了系统具有很好的可靠性、适用性。为了验证监测系统的的可靠性及稳定性,在实验室对监测系统进行测试。本章在数据采集终端和监测平台设计基础上,搭建了实验室测试平台,如图5.1所示。主要包括数据采集终端(其中上层为调理板,下层为核心板)、云服务器监测平台以及测试工具。本文在实验室测试过程中用APS-1102可编程交流/直流电源作为采集信号的给定,并利用500W/5Ω的滑动变阻器将电源给定的电压信号转变为电流信号。该信号依次通过线圈经过霍尔传感器,再经调理电路处理后通过串口将测试数据交于微处理器,微处理器与云服务器遵循IEC60870-5-104规约完成数据交互。
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5.2变压器偏磁电流监测系统变电站监测测试
经长时间的实验室性能测试后,对本文所设计的监测系统在兰州桃树村330kV变电站进行了现场测试。该变电站有#1和#2主变(240MVA),330kV出线2回,炳灵变至桃树村变一回(炳桃线),线路长度约51公里,兰州西变至桃树村变一回(兰西桃线),线路长度约23.1公里。在现场安全员的带领下,将霍尔传感器安装在#1主变中性点引下线上,监测系统硬件设备安装图,如图5.11所示。由于测量现场供电环境的限制,现场测量采用移动电源为系统硬件设备进行供电。移动电源选用星兆蓝220V户外应急蓄电池,可输出直流电压12V,输出功率180W。硬件设备安装完成,检查无误后进行上电操作。并且监测时间为2019年11月5日11:00-2019年11月6日11:00,共计24小时。当数据采集终端上电正常工作后,便开始进行数据的采集,并与云服务器监测平台进行实时通信,完成数据的传输。同时通过电脑浏览器打开服务器的公网IP地址进行实时监测数据查询,监测平台监测数据显示如图5.12所示。在实时刷新的监测界面上监测数据包括有终端设备号、监测的电流值、监测环境的温度值、传输数据的实时时间值。除此之外,还有地理数据包括纬度、海拔、经度。最新的数据会覆盖旧的数据,监测数据会按时间倒序的顺序进行排列展示。数据采集终端的采样周期为0.2min,预计一天的发送量为7200组数据,通过对后台存储数据的读取,监测平台收到的也为7200组数据。因此,表明本监测系统不仅实现了变压器中性点偏磁电流的监测功能,也达到了预期设计目标。

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6总结与展望
(3)基于云服务器监测平台的需求分析,明确了设计监测平台所需的物理架构、软件体系架构以及功能结构。监测平台的设计除了主体采用B/S架构以外,利用了前、后端分离的软件设计模式,即前端显示和后端接口分别基于Highcharts+Bootstrap+Jquery框架和SSM框架,按照功能目标完成了系统开发平台环境的配置与框架的搭建。使用了SQLyog图形化管理组件,简化对数据库的增、删、查、减等操作。结合UML类图详细介绍了各功能模块的设计,并实现了接收来自数据采集终端的数据、监测数据实时共享与发布、实时数据存储、历史数据调用等功能。(4)搭建了基于云服务器的变压器偏磁电流监测系统实验测试平台,对数据采集终端进行了电源的纹波测试、带载测试、采集电路性能测试。电源性能测试验证了电源效率及带载能力,采集电路性能测试验证了调理板和核心板设计的正确性。并对软件监测平台进行了通信协议的性能测试、功能模块测试、综合性能测试。最后在某330kV变电站进行了现场测试,验证了监测系统的功能及性能,为进一步的工程应用奠定了基础。
参考文献(略)