儲油柜油位是電力變壓器的重要運(yùn)行參數(shù)之一，及時發(fā)現(xiàn)油位異常并采取相應(yīng)措施對于確保電力變壓器安全運(yùn)行具有重要意義。當(dāng)油位過高時，可能造成變壓器內(nèi)部油壓增大，同時還會造成溢油；當(dāng)油位過低、遇到變壓器低負(fù)荷運(yùn)行或氣溫驟降時，可能造成本體油箱內(nèi)少油，引起絕緣故障；當(dāng)油面低于變壓器大蓋以下時，會使繞組和鐵心暴露在空氣中，有造成內(nèi)部閃絡(luò)的危險，同時還會使油與空氣接觸面增大，使絕緣油的絕緣性能迅速下降。

國網(wǎng)上海市南供電公司所管轄的133座35kV變電站和110kV變電站已經(jīng)全部實現(xiàn)無人值守。在這些變電站中，油浸式變壓器約占變壓器總數(shù)的98%。隨著變電站自動化和智能化的快速發(fā)展，遠(yuǎn)程遙信功能日益完善，35kV變壓器的各種電量（電壓、電流、頻率、功率）、非電量（溫度）信號可在遠(yuǎn)程后臺實時獲取，但儲油柜油位這一關(guān)鍵數(shù)據(jù)還未實現(xiàn)在線監(jiān)測，只能通過運(yùn)維人員巡視中從現(xiàn)場目測觀察獲取。

這種主變壓器油位的獲取方法存在以下問題：①當(dāng)變壓器由于氣溫驟降、出現(xiàn)嚴(yán)重滲漏油等原因造成油位快速下降時，運(yùn)維人員無法及時獲知；②當(dāng)變壓器存在滲漏油而又無法及時停運(yùn)處理時，需運(yùn)維人員進(jìn)行高頻率特巡跟蹤觀察油位變化，工作量大；③由于油位計較高、戶內(nèi)變壓器光線暗，通過肉眼觀察記錄油位往往存在一定偏差。

為了實時了解變壓器儲油柜油位的變化情況，減少巡檢人員工作量和巡視成本，本文設(shè)計研發(fā)了油位在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)遙測和遙信告警。

1 系統(tǒng)整體方案

采用集中式在線監(jiān)測系統(tǒng)，將傳感器端裝設(shè)在油標(biāo)管處，控制器裝設(shè)于控制室內(nèi)，輸出相關(guān)測量值和信號至站端中心管理單元。

系統(tǒng)整體方案如圖1所示。每臺變壓器儲油柜處均裝設(shè)一個油位傳感器，輸出4～20mA電流信號，指示其油標(biāo)管內(nèi)的油位數(shù)據(jù)。油位數(shù)據(jù)傳輸至在線監(jiān)測告警裝置后，每一路的電流信號將分為兩路，一路轉(zhuǎn)換為電壓信號，供單片機(jī)（microcontroller unit, MCU）讀取，轉(zhuǎn)換為實際的油位值；另一路以同等大小的電流值輸出，后續(xù)可轉(zhuǎn)化為電壓信號供監(jiān)控后臺使用。

MCU將獲取到的油位值與設(shè)定的告警值進(jìn)行比較，滿足告警要求（如過高、過低、下降快）時，在液晶屏上輸出告警狀態(tài)，并導(dǎo)通對應(yīng)的繼電器，輸出至監(jiān)控后臺。監(jiān)控后臺將測量信號、告警信號采集處理，并遠(yuǎn)傳至調(diào)控端，實現(xiàn)遙測和遙信功能。此外，告警裝置還能判斷油位傳感器的工作狀態(tài)，若出現(xiàn)異常，則同樣發(fā)出告警。

圖1 系統(tǒng)整體方案

2 傳感器的實現(xiàn)

2.1 油位傳感

對市南供電公司管轄變壓器的儲油柜及油位指示類型進(jìn)行統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)，“膠囊式儲油柜+玻璃油標(biāo)管”的類型最為常見，占到全部變壓器的84.13%。其示意圖如圖2所示。玻璃油標(biāo)管基于連通器原理，其中的油來自于獨(dú)立油袋，具有顯示準(zhǔn)確、觀察方便的特點。

本文設(shè)計的油位傳感器直接測量油標(biāo)管內(nèi)油液高度，具有以下優(yōu)點：①便于安裝調(diào)試（可不停電安裝），不會對儲油柜原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造和破壞；②不會造成變壓器內(nèi)油質(zhì)因接觸空氣而下降；③方便維護(hù)。

圖2 儲油柜及油位指示示意圖

油位傳感器基于磁性開關(guān)電路原理，如圖3所示。磁性電路被安裝在金屬直桿內(nèi)部。套在金屬直桿上的浮子隨油液上下浮動，浮子內(nèi)的永磁體會導(dǎo)通對應(yīng)位置的磁簧開關(guān)，使內(nèi)部電路呈現(xiàn)為對應(yīng)的阻性單元。磁簧開關(guān)的軸向密度決定了油位測量的精確度。

本文采用UM2325型干簧管，每單元連接電阻后的排列間隔為1cm。對于標(biāo)準(zhǔn)80cm油標(biāo)管，這意味著油位傳感器的理論測量精度可達(dá)到98.75%。

圖3 油位傳感器基于磁性開關(guān)電路原理圖

在完成磁性開關(guān)電路設(shè)計后，封裝入不銹鋼管內(nèi)，通過螺紋結(jié)構(gòu)使不銹鋼桿頂部與油標(biāo)管端口實現(xiàn)連接固定。

2.2 信號傳輸

將傳感器裝設(shè)于變壓器儲油柜處，而將控制裝置安裝在變電站控制室內(nèi)，布線距離超過100m。因此，將液位傳感器的變送電路設(shè)計為兩線制，傳輸標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA電流，可以避免信號衰減。兩線制變送電路的信號電流同時用于供能。電路包含了調(diào)理電路和V/I變換電路部分。

調(diào)理電路將傳感器輸出的微弱或非線性的電信號進(jìn)行放大、調(diào)理、轉(zhuǎn)化為線性的電壓輸出；V/I變換電路根據(jù)信號調(diào)理電路的輸出控制總體耗電電流，同時從環(huán)路上獲得電壓并穩(wěn)壓，供調(diào)理電路和傳感器使用。變送電路如圖4所示，圖中Rs為采樣電阻。

圖4 變送電路圖

3 監(jiān)測控制裝置

3.1 硬件設(shè)計

1）傳感器電流輸入與輸出設(shè)計

本文設(shè)計的油位傳感器是二線制接線，回路中的電流在4～20mA之間變化，4mA表明液位為0，20mA表明液位為最大值，其間的電流與液位呈線性變化關(guān)系。由于硬件裝置需要采集該電流數(shù)據(jù)并具備將電流信號輸出的能力，因此，本文選擇了一種電流分配變送器，能將1路電流信號分為2路輸出。

2）告警節(jié)點輸出設(shè)計

在線監(jiān)測裝置對傳感器輸入的電流數(shù)據(jù)經(jīng)MCU進(jìn)行在線分析處理，并得到異常的告警狀態(tài)，將各路告警狀態(tài)在MCU的I/O口上進(jìn)行輸出。為了增加告警信號的傳輸距離，使用繼電器將各路告警信號進(jìn)行輸出。

每臺變壓器油標(biāo)管的油位均包含油位過高、油位過低和下降快3路告警，加上傳感器本身的異常告警，共有4路告警信號。因此，3臺變壓器共有12路告警信號?；诖?，本文選用了12路繼電器告警模塊，將I/O口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為繼電器的開斷狀態(tài)數(shù)據(jù)。

3）核心電路設(shè)計

根據(jù)硬件的實際需求，選擇XS128作為MCU主控芯片，對電流信號實施采集，并輸出相關(guān)告警狀態(tài)，充分利用其引腳及相關(guān)硬件資源，同時考慮后續(xù)的功能擴(kuò)展，最終設(shè)計了核心處理電路板。

該電路板包含MCU、16路A/D轉(zhuǎn)換、4路設(shè)置按鈕、1個128×64液晶接口、數(shù)碼管、穩(wěn)壓模塊等，實現(xiàn)油位在線監(jiān)測裝置的所有數(shù)據(jù)處理工作。主電路板下方添加了5個按鍵，所實現(xiàn)的功能分別為：①KA1：復(fù)位；②KEY1：頁面切換；③KEY2：光標(biāo)切換；④KEY3：加；⑤KEY4：減。

4）整體電路設(shè)計

在完成核心電路板設(shè)計后，其余各個模塊與核心電路板通過電纜相連接，連接示意圖如圖5所示。

圖5 整體電路示意圖

3.2 軟件設(shè)計

MCU的電壓讀取值為12位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，即0X000000000000～0X111111111111，折換成十進(jìn)制為0～4095，它所對應(yīng)的電流值為4～20mA，相應(yīng)的油位數(shù)據(jù)為0～量程。因此，假設(shè)傳感器量程為H厘米，MCU讀取到電壓數(shù)據(jù)為X，則可以得到電壓讀取值與油位Y之間的關(guān)系（公式略）。

1）濾波算法實現(xiàn)

油位處理主要通過MCU內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)，為了避免由于傳感器的抖動帶來的測量誤差，程序中加入了濾波處理。本文的濾波算法為改進(jìn)型中值濾波算法，對于某路電壓數(shù)據(jù)而言，首先將得到的電壓數(shù)據(jù)存入長度為6個數(shù)據(jù)的數(shù)組中，通過排序算法，得到最大值與最小值，將6個數(shù)據(jù)的總和減去該最大值與最小值，再取4個數(shù)據(jù)的平均，最終得到的數(shù)據(jù)即認(rèn)為是穩(wěn)定的油位數(shù)據(jù)。這種濾波算法有效剔除了傳感器自身的毛刺影響及油位的微小波動變化，實際使用證明穩(wěn)定可靠。

2）下降過快算法實現(xiàn)

下降過快主要是通過計算當(dāng)前油位數(shù)據(jù)與最近1h內(nèi)的最高油位數(shù)據(jù)比較得到的，當(dāng)這個差值超過設(shè)定的告警閾值時，輸出告警。其中，在選取歷史1h最高油位數(shù)據(jù)時，并非選取1個時間點，而是間隔選取第1、3、5、7高的4個時間點數(shù)據(jù)，這些電壓數(shù)據(jù)雖然已經(jīng)經(jīng)過濾波處理，但并不能消除如較大的晃動等因素帶來的影響，因此采用本算法，可以有效選取歷史1h的油位最高水平，盡可能降低來自外界的干擾。

4 工程應(yīng)用

將變壓器儲油柜油位在線監(jiān)測系統(tǒng)安裝于國網(wǎng)上海市南供電公司的某35kV變電站。變壓器現(xiàn)有的油標(biāo)管頂部具有螺紋接口，該螺紋為1in螺紋，內(nèi)徑約24mm。浮子式傳感器安裝螺紋同樣為1in螺紋，油標(biāo)管與傳感器的連接，可通過一個1in螺紋轉(zhuǎn)接口實現(xiàn)。

此外，由于傳感器浮子外徑為22mm，所以不需要拆卸現(xiàn)有的油標(biāo)管就可將傳感器直接從頂部插入油標(biāo)管內(nèi)。變壓器室安裝效果如圖6所示。控制室內(nèi)控制箱安裝效果如圖7所示。監(jiān)控界面如圖8所示。

圖6 變壓器室安裝效果

圖7 控制箱安裝效果

圖8 監(jiān)控界面

結(jié)論

本文設(shè)計了可安裝在膠囊式儲油柜油標(biāo)管上的基于磁性變阻式液位傳感器的油位檢測方案，利用MCU實現(xiàn)了變壓器膠囊式儲油柜油位在線監(jiān)測，對油位的狀態(tài)進(jìn)行實時判斷，并利用繼電器模塊輸出相關(guān)告警信號。此外，油位在線監(jiān)測裝置還將油位數(shù)據(jù)信息，以4～20mA電流信號輸出至廠站端監(jiān)控主機(jī)，顯示對應(yīng)的油位數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)遙測。

通過變壓器儲油柜油位在線監(jiān)測系統(tǒng)，調(diào)控及運(yùn)維人員可在后臺實時獲取主變壓器的油位數(shù)值，提高了變壓器設(shè)備狀況獲取的全面性和可靠性，減輕了人員工作量；一旦油位越限或快速變化，系統(tǒng)就可及時發(fā)出告警信號，便于調(diào)控及運(yùn)維人員及時做出響應(yīng)并采取措施，降低故障發(fā)生的概率，保障設(shè)備和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高供電可靠性。