35kV变压器胶囊式储油柜油位在线监测系统的研发与应用
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国网上海市电力公司市南供电公司的研究人员李世龙、倪静雯、许大田、章程熙、乔亚兴，在2019年第7期《电气技术》杂志上撰文指出，电力变压器的储油柜油位是变压器重要的运行参数，也是运维人员巡视工作中的重点观察项目。
本文设计了磁性变阻电路及硬件结构，实现了35kV变压器胶囊式储油柜油位监测；基于电力物联网通信、监测技术，研发了在线监测控制系统，实现变压器油位的遥测功能。调控和运维人员可在SCADA系统中实时获取主变压器的油位数值和油位异常告警信号，提高了变压器设备状况获取的全面性和可靠性，能够减轻人员工作量，保障设备和电网的安全稳定运行，提高供电可靠性。
储油柜油位是电力变压器的重要运行参数之一，及时发现油位异常并采取相应措施对于确保电力变压器安全运行具有重要意义。当油位过高时，可能造成变压器内部油压增大，同时还会造成溢油；当油位过低、遇到变压器低负荷运行或气温骤降时，可能造成本体油箱内少油，引起绝缘故障；当油面低于变压器大盖以下时，会使绕组和铁心暴露在空气中，有造成内部闪络的危险，同时还会使油与空气接触面增大，使绝缘油的绝缘性能迅速下降。
国网上海市南供电公司所管辖的133座35kV变电站和110kV变电站已经全部实现无人值守。在这些变电站中，油浸式变压器约占变压器总数的98%。随着变电站自动化和智能化的快速发展，远程遥信功能日益完善，35kV变压器的各种电量（电压、电流、频率、功率）、非电量（温度）信号可在远程后台实时获取，但储油柜油位这一关键数据还未实现在线监测，只能通过运维人员巡视中从现场目测观察获取。
这种主变压器油位的获取方法存在以下问题：①当变压器由于气温骤降、出现严重渗漏油等原因造成油位快速下降时，运维人员无法及时获知；②当变压器存在渗漏油而又无法及时停运处理时，需运维人员进行高频率特巡跟踪观察油位变化，工作量大；③由于油位计较高、户内变压器光线暗，通过肉眼观察记录油位往往存在一定偏差。
为了实时了解变压器储油柜油位的变化情况，减少巡检人员工作量和巡视成本，本文设计研发了油位在线监测系统，实现了数据遥测和遥信告警。
1 系统整体方案
采用集中式在线监测系统，将传感器端装设在油标管处，控制器装设于控制室内，输出相关测量值和信号至站端中心管理单元。
系统整体方案如图1所示。每台变压器储油柜处均装设一个油位传感器，输出4～20mA电流信号，指示其油标管内的油位数据。油位数据传输至在线监测告警装置后，每一路的电流信号将分为两路，一路转换为电压信号，供单片机（microcontroller unit, MCU）读取，转换为实际的油位值；另一路以同等大小的电流值输出，后续可转化为电压信号供监控后台使用。
MCU将获取到的油位值与设定的告警值进行比较，满足告警要求（如过高、过低、下降快）时，在液晶屏上输出告警状态，并导通对应的继电器，输出至监控后台。监控后台将测量信号、告警信号采集处理，并远传至调控端，实现遥测和遥信功能。此外，告警装置还能判断油位传感器的工作状态，若出现异常，则同样发出告警。
图1 系统整体方案
2 传感器的实现
2.1 油位传感
对市南供电公司管辖变压器的储油柜及油位指示类型进行统计后发现，“胶囊式储油柜+玻璃油标管”的类型最为常见，占到全部变压器的84.13%。其示意图如图2所示。玻璃油标管基于连通器原理，其中的油来自于独立油袋，具有显示准确、观察方便的特点。
本文设计的油位传感器直接测量油标管内油液高度，具有以下优点：①便于安装调试（可不停电安装），不会对储油柜原有结构进行改造和破坏；②不会造成变压器内油质因接触空气而下降；③方便维护。
图2 储油柜及油位指示示意图
油位传感器基于磁性开关电路原理，如图3所示。磁性电路被安装在金属直杆内部。套在金属直杆上的浮子随油液上下浮动，浮子内的永磁体会导通对应位置的磁簧开关，使内部电路呈现为对应的阻性单元。磁簧开关的轴向密度决定了油位测量的精确度。
本文采用UM2325型干簧管，每单元连接电阻后的排列间隔为1cm。对于标准80cm油标管，这意味着油位传感器的理论测量精度可达到98.75%。
图3 油位传感器基于磁性开关电路原理图
在完成磁性开关电路设计后，封装入不锈钢管内，通过螺纹结构使不锈钢杆顶部与油标管端口实现连接固定。
2.2 信号传输
将传感器装设于变压器储油柜处，而将控制装置安装在变电站控制室内，布线距离超过100m。因此，将液位传感器的变送电路设计为两线制，传输标准的4～20mA电流，可以避免信号衰减。两线制变送电路的信号电流同时用于供能。电路包含了调理电路和V/I变换电路部分。
调理电路将传感器输出的微弱或非线性的电信号进行放大、调理、转化为线性的电压输出；V/I变换电路根据信号调理电路的输出控制总体耗电电流，同时从环路上获得电压并稳压，供调理电路和传感器使用。变送电路如图4所示，图中Rs为采样电阻。
图4 变送电路图
3 监测控制装置
3.1 硬件设计
1）传感器电流输入与输出设计
本文设计的油位传感器是二线制接线，回路中的电流在4～20mA之间变化，4mA表明液位为0，20mA表明液位为最大值，其间的电流与液位呈线性变化关系。由于硬件装置需要采集该电流数据并具备将电流信号输出的能力，因此，本文选择了一种电流分配变送器，能将1路电流信号分为2路输出。
2）告警节点输出设计
在线监测装置对传感器输入的电流数据经MCU进行在线分析处理，并得到异常的告警状态，将各路告警状态在MCU的I/O口上进行输出。为了增加告警信号的传输距离，使用继电器将各路告警信号进行输出。
每台变压器油标管的油位均包含油位过高、油位过低和下降快3路告警，加上传感器本身的异常告警，共有4路告警信号。因此，3台变压器共有12路告警信号。基于此，本文选用了12路继电器告警模块，将I/O口数据转换为继电器的开断状态数据。
3）核心电路设计
根据硬件的实际需求，选择XS128作为MCU主控芯片，对电流信号实施采集，并输出相关告警状态，充分利用其引脚及相关硬件资源，同时考虑后续的功能扩展，最终设计了核心处理电路板。
该电路板包含MCU、16路A/D转换、4路设置按钮、1个128×64液晶接口、数码管、稳压模块等，实现油位在线监测装置的所有数据处理工作。主电路板下方添加了5个按键，所实现的功能分别为：①KA1：复位；②KEY1：页面切换；③KEY2：光标切换；④KEY3：加；⑤KEY4：减。
4）整体电路设计
在完成核心电路板设计后，其余各个模块与核心电路板通过电缆相连接，连接示意图如图5所示。
图5 整体电路示意图
3.2 软件设计
MCU的电压读取值为12位二进制数据，即0X000000000000～0X111111111111，折换成十进制为0～4095，它所对应的电流值为4～20mA，相应的油位数据为0～量程。因此，假设传感器量程为H厘米，MCU读取到电压数据为X，则可以得到电压读取值与油位Y之间的关系（公式略）。
1）滤波算法实现
油位处理主要通过MCU内部的A/D转换模块实现，为了避免由于传感器的抖动带来的测量误差，程序中加入了滤波处理。本文的滤波算法为改进型中值滤波算法，对于某路电压数据而言，首先将得到的电压数据存入长度为6个数据的数组中，通过排序算法，得到最大值与最小值，将6个数据的总和减去该最大值与最小值，再取4个数据的平均，最终得到的数据即认为是稳定的油位数据。这种滤波算法有效剔除了传感器自身的毛刺影响及油位的微小波动变化，实际使用证明稳定可靠。
2）下降过快算法实现
下降过快主要是通过计算当前油位数据与最近1h内的最高油位数据比较得到的，当这个差值超过设定的告警阈值时，输出告警。其中，在选取历史1h最高油位数据时，并非选取1个时间点，而是间隔选取第1、3、5、7高的4个时间点数据，这些电压数据虽然已经经过滤波处理，但并不能消除如较大的晃动等因素带来的影响，因此采用本算法，可以有效选取历史1h的油位最高水平，尽可能降低来自外界的干扰。
4 工程应用
将变压器储油柜油位在线监测系统安装于国网上海市南供电公司的某35kV变电站。变压器现有的油标管顶部具有螺纹接口，该螺纹为1in螺纹，内径约24mm。浮子式传感器安装螺纹同样为1in螺纹，油标管与传感器的连接，可通过一个1in螺纹转接口实现。
此外，由于传感器浮子外径为22mm，所以不需要拆卸现有的油标管就可将传感器直接从顶部插入油标管内。变压器室安装效果如图6所示。控制室内控制箱安装效果如图7所示。监控界面如图8所示。
图6 变压器室安装效果
图7 控制箱安装效果
图8 监控界面
本文设计了可安装在胶囊式储油柜油标管上的基于磁性变阻式液位传感器的油位检测方案，利用MCU实现了变压器胶囊式储油柜油位在线监测，对油位的状态进行实时判断，并利用继电器模块输出相关告警信号。此外，油位在线监测装置还将油位数据信息，以4～20mA电流信号输出至厂站端监控主机，显示对应的油位数据，并实现遥测。
通过变压器储油柜油位在线监测系统，调控及运维人员可在后台实时获取主变压器的油位数值，提高了变压器设备状况获取的全面性和可靠性，减轻了人员工作量；一旦油位越限或快速变化，系统就可及时发出告警信号，便于调控及运维人员及时做出响应并采取措施，降低故障发生的概率，保障设备和电网的安全稳定运行，提高供电可靠性。