基于NI CompactRIO的电力设备在线状态监测与故障诊断方案

1.概述

长期以来，我国电力系统对电力设备主要采取的是“定期检测，定期维修”的检修策略，即根据计划的时间周期对设备进行检测和维护，该检修方式存在检修过度和检修不足的弊端。虽然它对发现设备缺陷、减少事故、确保安全等方面的确发挥了不可替代的作用，但是随着电力系统规模的迅速扩展，这种检修策略已不能适应工程应用的需求，而且维修质量难以保证。随着在线状态监测技术不断发展以及在线监测技术近年来在我国电力系统的成功应用，状态检修代替定期检修已经被电力行业所认可，成为设备检修的必然趋势。

国家电网公司早已明确提出，从2010年起开始全面推广实施设备状态检修，全面提升设备智能化水平，推广应用智能设备和技术，实现电网安全在线预警和设备智能化监控。因此，对电力设备进行必要监测，保证其稳定运行，对电力系统运行的可靠性、安全性具有重要意义。

电力设备在线监测技术是指直接安装在电力设备上，可实时记录表征设备运行状态特征量的测量和诊断系统及技术。在线监测系统一般由先进的传感器技术、计算机与信息处理技术、通信系统、专家分析系统及较为完备的系统数据信息库组成。电力设备状态监测的主要优势为

1）通过状态监测，保证机器长时间稳定运行，可以增加客户的信任，同时提高产量；

2）通过状态监测，使设备长时间在高性能的状态下运行，可以减少废料和原材料的使用，从而提高产品质量；

3）减少维修时间和备件，从而降低成本；

4）优化设备性能，保证生产；

5）防止灾难性故障，更加安全。

2.NI电力设备在线智能监测软硬件平台

NI作为测试、测量和自动化领域的技术领导者，为现代电网的测试、测量和控制提供了最先进的技术。借助于将图形化编程软件、模块化和开放式硬件集为一体的图形化系统设计方法，NI为当前电力设备状态监测与故障诊断提供了灵活、高效的解决方案。图形化系统设计方法为工程师提供了一个将软硬件结合在一起的统一平台，模块化硬件可快速连接用于电力设备在线监测和带电检测领域各种各样的传感器，大大简化测量和控制系统的开发过程。同时，具有行业标准的专业分析算法和软件，如用于预诊和健康管理的预诊工具包，可以帮助实现特征提取、主成分分析以及模式匹配，从而检测和预测从关键设备到电网等各种对象的故障。借助图形化显示，用户可轻松地将预测结果以及待测资产的分析信息传递给客户，并实现远程监测和控制。

NI为工业与嵌入式控制应用提供了模块化、开放式的嵌入式测控平台——NI Compac-tRIO，为嵌入式监测与控制应用提供所需的高性能与高可靠性以及自定制的灵活性，同时也是电力设备在线监测的理想选择。NI CompactRIO如图1所示，外形小巧而坚固，满足苛刻的工业级指标，具有宽温（-40～70°C）和抗冲击（50g）等特性，特别适用于复杂工业现场环境中对可靠性有严格要求的应用等。

图1 NI CompactRIO嵌入式控制与监测平台

CompactRIO系统由控制器、机箱（内嵌FPGA芯片）和I/O模块三部分组成。Compac-tRIO内嵌嵌入式实时处理器和FPGA芯片，支持上百种可热插拔的I/O模块，模块中内置信号调理功能和数模转换电路，可直接连接电压、电流、电荷、ICP接口、电桥以及TEDS传感器。基于这种构架可以轻松实现分布式智能应用，并且能够进一步支持自定义协议与接口。用户可根据传感器需要选择相应的采集模块实现数据采集和记录功能。此外Compac-tRIO实时控制器中配置了千兆以太网接口，可多台CompactRIO组网拓展同步测试通道数，或构建分布式测试系统。

目前，CompactRIO已广泛应用于能源电力领域的各种监测与控制应用，如发电机组状态监测、智能变电站监测、电能质量监测与控制、局放检测、电力电子控制与仿真、微网控制系统等。下面，结合NI CompactRIO在发电、输电、变电等领域针对电力设备的在线监测应用进行详细的分析和举例。

（1）分布式太阳能发电站现场监测系统

1）应用挑战：太阳能发电站通常建造在日照充足的高原地区，如我国青海、西藏等地，最高海拔可达5000m以上，最低气压仅为0.5标准大气压，且温差较大（现场温度-30～60°C），对测试设备的耐高海拔、低气压、宽温等性能提出了较高要求。此外，大型太阳能发电站由多个光伏型发电组件（光伏板）和汇流箱组成，汇流箱把相邻几个发电组件的直流电流汇总后输入逆变器，汇流箱之间距离较远，为30m至数百米，因此需为每个汇流箱配备一台测试设备，多台设备组成局域网，构建分布式测试系统，由中央监控室的PC上位机统一读取数据和发布指令。此外，测试设备一旦部署发电站现场，由于发电站现场气候和海拔等原因，测试设备一般不会留专人维护，而采用远程数据监控和管理，因而对测试设备长时间无故障连续工作的性能提出了较高要求。发电站现场大功率逆变器（几千瓦至几兆瓦）会产生较强的电磁辐射，测试设备需要具备很好的抗电磁干扰能力。

综合上述描述，太阳能发电站现场测试设备需要具备以下特点：

①适应高海拔、低气压、大温差的工作环境；

②具备长时间7/24h不间断工作无故障性能；

③可基于网络组网，构建分布式测试系统，并且可根据需求灵活增减测试站点；

④网络传输稳定，具备断网重连，数据缓存重发机制，确保数据的完整性；

⑤具备较高的抗电磁辐射能力。

2）系统实现：为了满足以上应用需求，该监测系统需要能够实时监测太阳能发电站中的分布式汇流箱，同时对于中央监控室的直流控制柜（直控柜），以及其他环境参数，如日照总辐照度、日照直射辐射度、温度、湿度、风速、风向等进行实时监测。图2为系统的硬件架构。

图2 分布式太阳能发电站现场监测系统硬件架构

3）软件构架：系统软件设计包括CompactRIO采集软件、PC人机界面和后台SQL数据库三部分，可实现高通道数的分项数据采集和低通滤波、TCP发送、断网数据缓存和重连重发等功能（见图3）。(www.xing528.com)

上位机通过TCP/IP向各采集终端CompactRIO发送控制指令，并接收各采集终端Com-pactRIO的数据，实现了以下功能：

①显示各CompactRIO主机CPU占用率及硬盘空间；

②设定数据存储模式，控制数据采集开始或停止，显示数据采集进度；

③概览功能页面监测各采集终端所有通道信号（包括物理通道和虚拟通道）的瞬时值、最大值、最小值、平均值及RMS值等统计值；

④实时监测功能页面对指定通道进行数据实时时域显示和频域分析，有单波形窗口视图、上下双波形窗口视图及上下左右四波形窗口视图等选择；

⑤数据存储及回放，离线分析。

此外，基于LabVIEW数据库工具包，与微软SQL数据库进行交互，将采集数据分析汇总后逐项写入SQL数据库对应表中，各离线分析软件从SQL数据表中取数进行模型分析和验证。

目前，基于CompactRIO的太阳能发电站分布式测试系统已经应用到浙江、青海、西藏等太阳能电站中。NI CompactRIO除了应用在太阳能发电站监测领域外，在其他状态监测领域，如风力发电机状态监测、核反应堆在线监测、汽轮机/水轮机/发电机在线监测等，都已经有着成功应用。

图3 CompactRIO数据采集软件结构

（2）变压器直流偏磁监测系统

1）应用挑战：变压器对于一个变电站来说至关重要，是变电站中的主要组成部分，是核心部件，每个变电站中变压器的正常运行就显得至关重要。变压器直流监测系统结构（见图4）主要由五部分组成：①变压器中性点霍尔电流传感器（CT）和振动传感器；②实时采集设备，实时采集CT和振动传感器监测到的信号，并进行相应的算法；③无线通信设备，将实时采集设备与控制器的监测PC相连；④控制室的监测PC可以通过无线通信接收实时采集设备监测到的数据，并可改变采集的参数；⑤各变电站的监测PC通过市公司在变电站中铺设的光纤网进行数据传输和汇总，在远程状态监测中心（如电科院）可以查看监测的各个变电站直流偏磁情况，并可对监测设备进行控制。

该监测系统在保留了当下直流监测系统优点的同时，还考虑了直流偏磁对变压器影响，即增加了振动的监测，通过同时监测主变中性点直流电流和变压器的振动，实时掌握变压器发生直流偏磁的情况。但是电流检测的难点在于：测量的电流范围大，而且要保证整个测量范围内的相对准确度，需要多个量程霍尔电流传感器配合检测。加速度检测的难点在于：加速度传感器采用压电式的IEPE传感器，采集卡需要提供恒流源激励；要求可扩展到多个加速度传感器测量点，采样端口多，最多达到24个；采样速率要求高，需达到50kHz及以上；采样的数据量大，通信的信息量大；所采集的数据存储也较为困难，为了方便查询，数据存储的格式需要特别设计。

图4 变压器直流偏磁监测系统结构示意图

2）系统实现：为了满足以上挑战，系统采用NI CompactRIO能够构建一整套全自动、高准确度、实时的变压器监测系统，并且能实时显示主变中性点直流电流流幅值和极性，及振动的幅值变化，清晰地显示各变电站主变中性点直流电流的分布规律及与振动大小的关系，为判断变压器直流偏磁的程度提供依据。考虑到监测系统需要匹配的PC界面，因此可以基于LabVIEW的图形化开发平台，可直接使用该软件开发PC界面，将数据通过光纤以太网传输到监测台PC。该监测系统的核心在于将众多IEPE采集卡端口与电流采集端口集成到一个平台，对这些信号进行分析和处理，IEPE采集卡端口可根据测试点的数量选择。系统的硬件架构如图5所示。

图5 可扩展8个采集卡的监测系统

图6所示为整体测试结构图，测试对象选择调压器，三维加速度传感器通过磁铁底座吸附在调压器的侧壁，传感器信号线连接到采集卡，采集卡通过FPGA对数据进行缓存后传输到控制器中处理，通过FFT、功率谱等算法后将结果通过以太网传输到上位机，在用户界面中显示出来。

图6 整体测试结构图

控制室中的监测PC存储现场监测到的数据及实时控制器处理后的结果，监测PC放置在控制室中，要求界面友好、易理解，采用B/S结构，便于远程的查看和控制。控制室监测PC的软件设计还要求可显示当前的实时数据，并可设定各种程度的警报，便于提醒值班人员；可查看历史监测数据，便于以后的研究工作，且出现故障时，根据上述的数据存储设计，查看历史数据应根据特征值来选择相应时刻的历史数据，查看的数据具有针对性；可对监测过程的采集参数进行设定，如间隔周期、采样率、采样点数、频率分析的长度等。图7所示为变压器直流偏磁监测系统的主界面。主界面中可以清晰查看每个加速度传感器和霍尔电流传感器的工作状态，并用LED指示上位机服务器（监测PC）与现场监测设备的通信状态。对于本次检测关注的重点：中性点直流电流和加速度频域幅值，都在主界面中显示出来，并且分析了加速度幅值最大值，并显示最大值处的频率。直流电流和加速度频域幅值都分别设定了报警门限值，显示清晰明了。

NI CompactRIO系统和LabVIEW开发环境无缝连接能够帮助用户轻松的通过图形化开发环境访问底层硬件，快速建立嵌入式系统控制和数据采集应用，大大降低了系统开发、生产的技术风险。LabVIEW强大的数据采集和信号处理功能极大地节省了采集终端软件的开发时间，在LabVIEW RT和LabVIEW FPGA模块的配合下使得采集终端能够实时高质量地完成数据采集、信号处理、数据传输和数据存储的工作，为变压器以及整个变电站的安全监测提供灵活、强大的技术支撑。同时，恶劣的现场监测环境以及变电站中的各种电、磁环境干扰，对NI CompactRIO系统的环境适应性也提出了极高的要求。事实证明，NI CompactRIO系统设计精巧而坚固，满足苛刻的工业级指标，完全适用于对可靠性有严格要求的复杂恶劣环境中应用。

图7 变压器直流偏磁监测系统的主界面

目前，国网上海电科院已在国内首次将LabVIEW和NI CompactRIO引入到变压器的直流偏磁监测分析中应用，结合先进的数据处理和信号分析技术，为大型变压器的直流偏磁监测与分析提供了一套有关数据采集、传输、处理、存储、控制的完备而系统的方案，在变压器直流偏磁监测的若干问题研究中取得的一些创新性成果，对特高压直流输电的发展有着重要的意义。

3.总结

NI CompactRIO通过结合LabVIEW图形化系统设计方法，为电力系统在线监测领域带来新技术与革新，并且产生了很好的实际效果与应用价值。NI为客户提供模块化、灵活的高性能硬件平台和支持高级处理、可自定制的软件平台，符合国际标准、协议和参数需求，且支持行业最新的标准与规范，目前已被广泛用于智能电网和新能源领域核心关键设备的设计、研发以及现场应用，为数字化变电站、分布式电源接入、智能用电和电力电子等领域提供技术基础，同时也为电力和新能源领域中的检定、计量与测试提供了灵活高效的解决方案。

（作者：美国国家仪器技术市场工程师 崔鹏）