自动化专业论文大型变压器在线监控系统

目 录

摘要 ...................................................................................................................................... 1 Abstract................................................................................................................................. 2 1 绪论 ................................................................................................................................ 3

1.1 电力设备状态监测及故障诊断 ............................................................................ 3

1.1.1 状态监测故障诊断的概念 .......................................................................... 3 1.1.2 电力系统进行状态监测和故障诊断的重要意义 ...................................... 3 1.2 变压器在线监测研究现状 .................................................................................... 4 2 变压器在线状态监测工作原理 .................................................................................... 5

2.1 变压器基本结构与分类 ........................................................................................ 5 2.2 变压器在线监测原理与方法 ................................................................................ 6

2.2.1 油中气体在线监测的实现 .......................................................................... 6 2.2.2 变压器微水含量在线监测 .......................................................................... 7 2.2.3 变压器温度在线监测 .................................................................................. 7

3 大型变压器在线监控系统的硬件设计 ........................................................................ 8

3.1 大型变压器在线监控系统信号采集的实现 ........................................................ 8

3.1.1 油中溶解气体监测用传感器 ...................................................................... 8 3.2 大型变压器在线监控系统的PLC选择 .............................................................. 11

3.2.1 西门子PLC介绍 ........................................................................................ 11 3.2.2 西门子系列S7-200PLC扩展模块选择与CPU的选择 ......................... 12 3.3 传感器与EM235接线图 .................................................................................... 15

3.3.1 MQ系列气体传感器与EM235接线 ........................................................ 15 3.3.2 PT100温度传感器与EM235接线 ........................................................... 16 3.3.3 PT100微水传感器与EM277接线 ........................................................... 17 3.4 大型变压器在线监控系统电压源模块 .............................................................. 17 4 大型变压器在线监控系统的软件设计 ...................................................................... 20

4.1 组态王软件的概述 .............................................................................................. 20 4.2 组态王程序设计步骤 .......................................................................................... 20 4.3 基于组态王的监控画面设计 .............................................................................. 20

4.3.1 外部设备的定义 ........................................................................................ 20 4.3.2 定义变量 .................................................................................................... 20 4.3.3 监控主画面设计 ........................................................................................ 21 4.3.4 报警和事件画面设计 ................................................................................ 23 4.3.4 趋势曲线画面设计 .................................................................................... 25 4.3.5 报表系统画面设计 .................................................................................... 25 4.3.6 历史数据报表画面设计 ............................................................................ 27

4.3.7 登陆界面画面设计 .................................................................................... 28 4.3.8 用户名错误画面设计 ................................................................................ 28 4.4 系统运行画面 ...................................................................................................... 29 5 总结与展望 .................................................................................................................. 33

5.1 全文总结 .............................................................................................................. 33 5.2 展望 ...................................................................................................................... 33 致 谢 .................................................................................................................................. 35 参考文献 ............................................................................................................................ 36 附件 .................................................................................................................................... 37

大型变压器保护监控系统的研究与设计

摘要:随着国民经济和电力系统的发展，电力系统的安全可靠运行的越来越多，状态

监测系统已成为科学研究和工程应用的一个重要方向。电力设备在线状态监测可以实时监控，在实际运行条件下的系统健康状况为了确保安全和稳定的，但作为一种补充和综合自动化的发展，让变电站实现真正的无人值守；同时，也为维护电气设备的运行状态提供了依据基于条件的维护，是实现的前提和重要组成部分。这项工作的重点是线路变压器监控系统的研究和开发，变压器是变电站中重要的电力设备，其运行状况直接影响电网稳定性。

本文重点工作是设计并研制一种变压器在线状态监测装置，具有以下特点：在

监测功能方面，用传感器技术对变压器参数进行检测。具体内容包括：油中气体含量、微水含量、变压器温度。

可编程控制器选择了三个扩展模块，实现传感器模拟量的直接输入，避免了使

用A/D转换器进行模拟量的转换。通信模块EM277实现了可编程控制器与其它智能设备的通讯，使系统更加智能化。软件显示功能方面，采用组态王软件监控变压器各个参数。组态王能提供对变压器进行监视、控制、管理和集成等一系列的功能；同时也为用户实现这些功能的组态过程提供了丰富和易于使用的手段和工具。

关键词：在线状态监测， 变压器， 可编程控制器， 溶解气体， 油中微水含量，

组态王

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Large Transformer Design of Real-time

Monitoring System

Abstract:With the development of national economy and power system, the demand on

there liability and safe of power system have been improved.On-line condition monitoring for power system can monitor the health status of the electric equipment in real time under the real state. It provides safeguard for the safe and steady running of power system. As the supplement and development of the integrative power system automation, substation with nobody on duty in the real meaning will be realized. At the same time, it is the precondition and an important part for the electric equipment condition maintenance and offers the basis for the condition.Focus of this paper is the transformer online monitoring systems research and development work.

The transformer is an important power substation equipment, the operating

conditions directly affect grid stability. This article focus is to design and develop an on-line transformer condition monitoring device which has the following characteristics:In the monitor function, the use of sensor technology to detect the transformer parameters. Specific content includes: oil Gas content, water content, transformer temperature.

PLC chose the three expansion modules, the sensor analog input directly,

avoiding the use of A/D converter analog converter for conversion.

Software display function, using configuration software monitors various

parameters of the transformer. KingView can provide transformer monitoring, control management,integration and a series of functions; also for users to achieve this The configuration configuration process these features provide a rich and easy to use tools and instruments.

Keywords:on-line condition, monitoring,transformer, PLC, gas dissolved,water content

in oil , KingView

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1 绪论

1.1 电力设备状态监测及故障诊断

1.1.1 状态监测故障诊断的概念 状态监测：

在设备需要维护之前，利用整个设备或者设备的某些重要部件的寿命特点，开发应用一些具有特殊用途的设备,并通过数据采集以及数据分析来预测设备状态发展的趋势。其主要目的是了解和掌握设备的运行状态，结合历史和现状，考虑环境因素对设备运行状态进行评估，判别出设备是处于正常还是非正常状态，并对状态进行显示和记录；对非正常状态作出报警提示。

故障诊断：

发现故障的过程，所谓故障就是使系统不能按给定要求工作的一种性能偏离。设备的故障诊断实际上指在设备不解体的情况下，采用特定的技术手段，对设备所处的状态进行判断、对设备的故障进行诊断和估计的技术。故障诊断的任务就是要确定设备的故障性质、程度、类别和部位，并指明故障发展趋势[1]。

1.1.2 电力系统进行状态监测和故障诊断的重要意义

电力系统是一个由发电、 输电、变电、配电、用电等设备连接而成的系统，电力设备的故障，会因造成供电系统意外停电，从而导致电力企业经济效益减少和用户的重大经济损失。因此这些设备的能否可靠性运行直接决定整个系统的稳定性和安全性，也决定了电力企业的经济效益及用户用电质量和可靠性。电力系统状态监测及故障诊断能够监测出电力设备是否健康运行，态监测及故障诊断为电力系统的安全稳定运行提供了有利的条件[1]。

保证电力设备健康运行的必要手段就是检修。很长一段时间，我国高压电气设备的检修技术一直采用的是设备计划性大修的维护方式。这种检修方式有利但也有弊，优点是发现并处理设备缺陷，降低设备运行中的损坏；减少设备事故或者障碍造成的非计划性停电，保证供电的质量和可靠性。但这种维修方式不能事先掌握设备的状态，而且采用一刀切的方式：到期必修实践。这种检修方式造成了设备的过度检修，浪费了大量人力和检修费用；增加检修停电时间和停电次数，造成频繁的运行操作，增加了误操作的事故率；过度检修造成设备频繁拆装难免在检修过程中

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产生新的设备隐患；检修后按要求对设备应进行的耐压等试验也会对设备造成不可逆损伤，使设备总体寿命下降。由此可以看出过去的设备计划性检修方式已与现在的电力生产不相适应，有必要采用新的设备维修方式，因此产生了设备状态检修的新思路[2]。

综上所述，电力设备状态监测是状态检修和故障诊断的基础和重要组成部分。

1.2 变压器在线监测研究现状

电力变压器是电网中最重要的设备之一 ，它的可靠性级直接关系到电网能否正常、高效、经济的运行。据统计，220kV 及以上的发电厂、变电站全停运和局部电网解列事故发生的次数较多，其中变压器故障造成的电网故障所占比例较大。减少变压器故障，意味着提高电网的经济效益。因此，变压器在线监测研究对电力设备在线监测体系具有重要意义。

目前国内外变压器在线监测的范围很广，包括：1)监测特征气体含量，包括H2 、CH4 、C2H4、 C2H6 、C2H2 、CO 、CO2特征气体含量；2)监测套管功率因数和电容；3)利用光纤传感器监测；4)监测冷却装置；5)在测油中湿度、温度、酸度；6)监测负载电流；7)监测绝缘纸的湿度和迁移情况；8)监测绕组顶部和底部油温；9)监测介电和动力系统的缺陷；10)监测结构件的夹紧力；11)监测铁芯接地故障和绕组缺陷；12)监测储油柜的油位提供油渗漏信息。在变压器在线监测所有项目中，最重要的是油中气体含量监测，这项目的监测对于发现变压器的故障具有很好的效果[2]。目前国内外开发的变压器油中气体在线监测装置有很多，加拿大SYPPOTEC研制的HYDRAN201型油中溶解气体在线监测装置，通过分析变压器油中H2和CO气体含量，找到变压器的绝缘故障，是目前应用最为广泛的在线监测装置之一[1]。我国中科院研制的DDG 1000型油中溶解气体在线监测装置采用一种主要成分为聚芳杂环高分子的分离膜，将油中氢气分子直接分离出来，通过燃烧氢气改变电路中测量元件的电阻值，在计算元件电压变化的基础上得出H2的含量，以此分析变压器的故障。

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2 变压器在线状态监测工作原理

2.1 变压器基本结构与分类

变压器的基本结构：

1—油箱 2—铁心及绕组 3—储油柜 4—散热筋 5—高、低压绕组 6—分接开关 7—气体继电器 8—信号温度计

图2.1 三相油浸式电力变压器的结构示意图

电力变压器的基本构成部分有： 铁心、绕组、绝缘套管、油箱及其他附件等，其中铁心和绕组是变压器的主要部件，称为器身。

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1、铁心和绕组：变压器中最主要的部件他们构成了变压器的器身。

1）铁心：构成了变压器的磁路，同时又是套装绕组的骨架。铁心由铁心柱和铁轭两部分构成。铁心柱上套绕组，铁轭将铁心柱连接起来形成闭合磁路。

2）绕组：绕组是变压器的电路部分，它由铜或铝绝缘导线绕制而成。一次绕组（原绕组）:输入电能；二次绕组（副绕组）：输出电能他们通常套装在同一个心柱上，一次和二次绕组具有不同的匝数，通过电磁感应作用，一次绕组的电能就可传递到二次绕组，且使一、二次绕组具有不同的电压和电流。

2、其他部件：除器身外，典型的油浸式电力变压器中还有油箱、变压器油、绝缘套管及继电保护装置等部件[8]。

2.2 变压器在线监测原理与方法

传统的检测方法只能提供变压器故障或延误事故发生后的信息，这是与现代维修趋势不一致的维护，在线监测的目的是实时反映变压器在运行状态，通过提前采集早期故障的信息，可将故障造成的严重后果降低到最低。同时现代微电子技术，传感器技术和信息技术的发展为在线监测提供了强大的技术支持，因此进行变压器在线监测是趋势所在。

变压器在线监测的方法有很多种，如变压器油中气体含量分析、微水含量、铁芯接地、绕组变形等等，由于变压器在线监测主要任务是通过连续监测一段时间内参数的变化趋势来判断变压器的运行状况，反映变压器故障趋势，其监测量不可能向常规故障检测那样全面。因此本文设计的在线监测系统没有必要对变压器所有量都监测到，而是选择性地监测了能够较全面反映变压器内部故障的信息：油中气体含量和油中微水含量[3]，和变压器内部温度。

2.2.1 油中气体在线监测的实现 1）气体产生原因

充油变压器内部故障模式主要是机械、热和电三种类型，而又以后两种为主，并且机械性故障常以热的或电的故障形式表现出来。

大量研究表明，对于运行中的充油电气设备，在热和电的作用下，变压器油和绝缘材料将逐渐老化和分解，产生少量的二氧化碳、一氧化碳等气体。当存在潜伏性的热或放电性故障时，会加快这些气体产生的速度。随着故障的发展，分解出的

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气体会扩散、溶解在油中；当大量气体溶解在油中时，油中气体溶解量接近饱和，这样将有一部分气体进入气体继电器。导致充油电气设备内部释放气体的主要原因为铁心、绕组、触点局部过热、局部放电等引起变压器油和有机绝缘材料分解，产生气体易燃易爆气体。对判断充油电气设备内部是否存在故障有价值的气体是氢气、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、一氧化碳、二氧化碳，则称这些气体为特征气体[1]。

2）在线监测方法

气体信号采集使用较多的是金属氧化物半导体传感器。它的检测原理是：使用二氧化锡(SnO2)作为其气敏材料，由于二氧化锡是在清洁空气中的电导率较低，随着空气中的一氧化碳浓度的升高，二氧化锡的电导率也随之升高。将电导率的变化转化为电压的变化输出并输出。在氧化锡内添加不同比例的催化剂就可以控制对不同气体的敏感度。

2.2.2 变压器微水含量在线监测

随着变压器设计结构和制造工艺的的改进， 变压器微水含量明显比过去减少，但这也是变压器常见故障之一，因此变压器油中微量含量的在线检测实现仍然具有十分重要的意义。

目前较为成熟的变压器微水在线检测原理是利用塑料薄膜电容器的吸收特性。由于一些耐高温聚合物薄膜在充分吸收水分之后，其相对介电常数由约3.0提高到4.0，利用该原理制成的传感器，其输出信号与油中的含水量成正比，且与温度的关系密切[4]。

2.2.3 变压器温度在线监测

变压器内部故障模式主要是机械、热和电三种类型，通常变压器的故障都是通过热的形式表现出来的。因此实现变压器内部温度在线的监测也具有十分重要的意义。

目前较为成熟的变压器温度在线检测是通过红外传感器，PT100温度等传感器来实现的。

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3 大型变压器在线监控系统的硬件设计

3.1 大型变压器在线监控系统信号采集的实现

从第二章我们了解到了变压器常见的故障类型和引起这些故障的原因，所以我们需要采集到引起变压器故障的信号。本文设计的在线监测系统并不要求对变压器所有量都监测到，而是有选择地监测了能够较全面反映变压器内部故障的参量：油中气体含量和油中微水含量，和变压器内部温度。其中油中气体的监测主要是以一氧化碳、甲烷、乙炔、氢气为主。

3.1.1 油中溶解气体监测用传感器

油中溶解气体的浓度均可以使用汉威电子有限公司的MQ系列的气敏传器。

这类传感器的监测原理是：MQ-7气体传感器使用二氧化锡(SnO2)作为其气敏材料，由于二氧化锡是在清洁空气中的电导率较低，随着空气中的一氧化碳浓度的升高，二氧化锡的电导率也随之升高。利用图3.1的测量电路，将电导率的变化转化为电压的变化输出并输出，且气体浓度和电压近视线性关系。通过在二氧化锡里添加不同比例的催化剂就可以控制对不同气体的敏感度。 其结构原理图如3.1所示：

Vc

VRL

VH

RL

GND

图3.1 MQ系列气敏传感器原理图

MQ-7的基本测量回路如图3.1所示，其中VC是传感器的测试电压，为一个5V的

直流电压，VH是传感器的加热器电压，是一个高低压循环加热的方法，高电压为5V，低电压为1.5V。RL为一个与传感器串联的负载电阻，RL两端的电压的上的电压即为输出电压。在满足传感器电性能要求的前提下，VC 和VH 可以共用同一个电源电路。

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为更好利用传感器的性能，需要选择恰当的RL值使输出电压在0-5V范围内。 这类传感器的基本工作条件见表3.1：

表3.1 基本工作条件

回路电压Vc 加热电压Vh 负载电阻RL 加热电阻 加热时间 探测浓度范围 5V 5.0V（高) 1.5V（低) 可调 31Ω±3Ω 60s（高) 90s1.5V（低) 100-10000ppm 因为只要在氧化锡(SnO2)添加不同的催化剂就可以控制不同气体的灵敏度，这样我们就可以选择的MQ系列不同传感器来监测不同气体的浓度。

其中MQ-7对一氧化碳气体具有较高灵敏度；MQ-8对氢气具有较高的灵敏度；MQ-4对甲烷气体具有较高的灵敏度；MQ-12对乙炔气体具有较高的灵敏度。

3.1.2微水含量在线监测所用传感器 水活度(aw)：

水活度(aw)是指某种油液中水分含量,读数在0...1之间(0是指完全干燥, 1是指完全饱和)。就像空气中含水一样，任何一种油液都能容纳饱和度以下的溶解水。一旦油液达到饱和点,任何额外进入的水分将被分离为一层游离水通常位于油下。 微水含量采集采用油微水检测传感器GY-HTW306G。

油微水检测传感器专用于工业、变压器、大卡车和汽车等领域涉及到的精确在线油中的水分含量分析检测。油液水分含量传感器的微控制器直接接口可以实现RS485数字信号输出。

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油微水检测传感器具体参数如表3.2所示:

表3.2 油微水检测传感器具体参数

供电电源 测量标准 水分活性 测量范围 精度 0.9-1 ±0.05 0-0.9 ±0.03 反应时间 工作环境 工作温度 油温 压强范围 油流 金属外壳 -40-60 -40-80 最高10atm 建议流动 G1/2ISO 0-1aw 测量范围 精度 at +20°C ±0.3 -20-85 ±0.5 <1min 温度 -40-85°C DC 14-28V 油微水检测传感器接线图如3.2所示： 214314RS48523

图3.2 油微水检测传感器接线图

接线图： 1---VDC 2---RS485-/B 3---GND 4---RS485+/B

24V电源接PLC主机的L+，M端

3.1.3 温度在线监测所用传感器

变压器温度测量采用PT100温度传感器。

热电阻温度测量原理：热电阻（如Pt100）是利用其电阻值随温度的变化而变化这一原理制成的将温度量转换成电阻量的温度传感器。温度变送器通过给热电阻施加一已知激励电流测量其两端电压的方法得到电阻值（电压/电流），再将电阻值转换成温度值，从而实现温度测量。 温度测量范围：-60℃----400℃

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热电阻和温度变送器之间采用四线制接线方法。通过导线L1、L2给热电阻施加激励电流I，测得电势V3、V4。导线L3、L4接入高输入阻抗电路，IL3=0，IL4=0，因此V4-V3等于热电阻两端电压。如图3.3所示：

RL1RL4恒流IRpt100RL3RL2L2L1L4L3V1RL1:导线L1等效电阻V4RL4:导线L4等效电阻RL3:导线L3等效电阻V3RL2:导线L2等效V2电阻

图3.3 热电阻转电压信号原理图

通过上述施加恒流I将热电阻变化的电阻信号转为电压信号。PT100在0C时电阻为100欧姆，随着温度的变化电组成线性变化，大约是每摄氏度0.4欧姆，那么此传感器电阻输出范围是76Ω-220Ω。为了产生5mV/C的电压系数，需要提供12.5mA的电流。

如何找到合适的电流源将是温度监测的重点之一，这点将会在下面的章节具体介绍。

3.2大型变压器在线监控系统的PLC选择

3.2.1 西门子PLC介绍

按控制规模可以分为大型机、中型机和小型机。

西门子PLCS7-200系列小型机: 小型机的控制点一般在256点之内,适合于单机控制或小型系统的控制。西门子小型机有S7-200：处理速度0.8-1.2ms ；存贮器2k 数字量248点；模拟量35路。

中型机:中型机的控制点一般不大于2048点,可用于对设备进行直接控制，还可以对多个下一级的可编程序控制器进行监控，它适合中型或大型控制系统的控制。 西门子PLCS7-300系列西门子中型机有S7-300：处理速度0.8-1.2ms ；存贮器2k ；数字

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量1024点；模拟量128路 ；网络PROFIBUS；工业以太网；MPI。

大型机：大型机的控制点一般大于2048点,不仅能完成较复杂的算术运算还能进行复杂的矩阵运算。它不仅可用于对设备进行直接控制，还可以对多个下一级的可编程序控制器进行监控。西门子大型机有S7-400 ：处理速度0.3ms / 1k字；西门子PLCS7-400系列存贮器512k ；I/O点12672[5] 。

3.2.2 西门子系列S7-200PLC扩展模块选择与CPU的选择

S7-200PLC由主机（基本单元）加扩展单元构成。S7-200PLC提供多种具有不同I/O点数的CPU模块和数字量、模拟量I/O扩展模块。 一、EM235介绍：

EM235是S7-200PLC实现模拟量输入模拟量输出的扩展模块之一。EM235具有4个模拟量输入和一个模拟量输出，它的输入信号可以是不同量程的电压或电流。其电压、电流的量程由SW1-SW6设定。EM235有一路模拟量输出，其输出可以是电压，也可以是电流。

1)EM235模拟量输入模块

模拟量的输入模块的分辨率通常以A/D转换后的二进制数数字量的位数来表示，模拟量输入模块的输入信号经过A/D转换后的数字量数据值是以12位二进制。数据值的12位在CPU中的存放格式如表 所示。最高有效位是符号位：0表示正值数据,1表示负值数据[3]。

单极性数据格式：对于单极性数据，其两个字节的存储单元的低3位均为0，数据值的12位是存在3-14位区域。这12位数据的最大值是215-8=32760。EM235模拟输入模块A/D转换后的单极性数据格式的全量程设置为0-32000。差值32760-32000=760则用于偏置/增益，有系统自动完成。第15位0,表示正值数据[6]。见表3.3所示：

表3.3 单极性数据格式

MBS LBS 15 14 2 1 0 0 数据值的12位 0 0 0 单极性数据

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表3.4 双极性数据格式

MBS LBS 15 3 2 1 0

数据值的12位 3 0 0 0 双极性数据

双极性数据格式：对于双极性数据，存储单元的低四位均为0，数据值的12位是存放在4-15位区域。最高有效位是符号位，双极性数据格式的全量程范围设置为-32000 -- +32000。见表3.4所示： 2)EM235模拟量输出模块

模拟量输出模块具有一个模拟量输出通道。其输出数据的格式是和输入数据格式是一致的，每个输出通道占用存储器AQ区域两个字节。该模块的输出可以是电压信号，也可以是电流信号。

EM235的技术性能如表3.5所示。

表3.5 EM235技术性能表

型号 总体特性 输入特性 EM235模拟量混合模块 外形尺寸：71.2mm*80mm*62mm 功耗：3w 本机输入：四路模拟量输入 电压电压：标准DC 24V/4mA 输入类型：0-50mV、0-100mV、0-500 mV、0-1V、0-5V、0-10V、 0-20mA、±25mV、±25mV、±50mV、±100mV、±250mV、±500mV、±1V、±2.5V、±5V、±10V 分辨率：12bit 转换速度：250us 隔离：有 本机输出：一路模拟量输出 电源电压：标准DC24V/4Ma 输出类型: ±10V、0-20mA 分辨率：12bit 转换速度：100us（电压输出），2ms（电流输出） 隔离：有 从CPU DC 5V 耗电10mA M为DC24V电源负极端，L+为电源正极端 M0、V0、I0为模拟量输出端 电压输出时，V0为电压正端，M0为电压负端 输出特性 耗电 接线端子

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电流输出时，“IO”为电流流入端，“MO”为电流流出端 RA、A+、A-；RB、B+、B-；RC、C+、C-；RD、D+、D-分别为第1-4路模拟量输入端 电压输入时，“+”为电压正端，“-”为电压负端 电流输入时，需要将“R”与“+”短接后作为电流的流入端，“-”为电流流出端。 开关设置 SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 输出类型 ON OFF OFF ON OFF ON 0-50mV OFF ON OFF ON OFF ON 0-100mV ON OFF OFF OFF ON ON 0-500mV OFF ON OFF OFF ON ON 0-1V ON OFF OFF OFF OFF ON 0-5V ON OFF OFF OFF OFF ON 0-20mA OFF ON OFF OFF OFF ON 0-10V ON OFF OFF ON OFF OFF ±25mV OFF ON OFF ON OFF OFF ±50mV OFF OFF ON ON OFF OFF ±100mV ON OFF OFF OFF ON OFF ±250mV OFF ON OFF OFF ON OFF ±500mV OFF OFF ON OFF ON OFF ±1V ON OFF OFF OFF OFF OFF ±2.5V OFF ON OFF OFF OFF OFF ±5V OFF OFF ON OFF OFF OFF ±10V 二、S7-200PLC除了CPU226本机集成了两个通讯口以外，其他均在其内部集成了一个通信口，通信口采用了RS-485总线。此外，各PLC还可以接入通信模块，以扩展其接口数量和联网能力。 EM277介绍：

EM277是S7-200的一个智能扩展模块。通常，S7-200需要进行PROFIBUS-DP通信时，就需要使用此模块。PROFIBUS总线是和PPI、MPI总线不同的一种总线形式。S7-200CPU不能通过本体集成的通信接口进行PROFIBUS-DP通信，而只能通过EM277模块。最多可以将六台设备连接到EM277上，其中为编程器和操作面板保留一个连接口，其余四个可以通过任何MPI主站使用。为了使EM277模块可以与多个主站通信，各个主站必须使用相同的波特率。 三、CPU的选择

CPU224：最多可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O 。16K字节程序和数据存储空间。具有1个RS485通讯口；多种通讯能力；较强控制能力的控制器。

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本系统需要扩展3个模块，在满足系统硬件条件，考虑系统性价比的情况下，可以使用CPU224。

3.3 传感器与EM235接线图

本系统需要监测6个量，可采用6个传感器，其中有4个（甲烷、氢气、一氧化碳、乙炔）是模拟量电压（0-5V）输出；一个（微水含量)是RS485标准数字信号输出；另一个是电阻值（76Ω-220Ω），所以需要两个EM235扩展模块。

在本章“3.1 大型变压器在线监控系统信号采集的实现”中介绍了采集气体量的传感器为MQ-4甲烷传感器、MQ-7一氧化碳传感器、MQ-8氢气传感器、MQ-12乙炔传感器、GY-HTW306G油微水检测传感器、PT100温度传感器。 3.3.1 MQ系列气体传感器与EM235接线

MQ-4甲烷传感器、MQ-7一氧化碳传感器、MQ-8氢气传感器、MQ-12乙炔传感器的输出为0-5V模拟量电压输出，SW1-SW6分别设置为：ON、OFF、OFF、OFF、OFF、ON。这样就可以直接连接PLC S7/200的扩展模块EM235的输入端。其接线图如3.4所示:

EM235RAA+A-RBB+B-RCC+C-RDD+D-VRLGNDVHVCVRLGNDVHVCVRLGNDVHVCVRLGNDVHVC甲烷传感器MQ-4氢气传感器MQ-8一氧化碳传感器MQ-7乙炔传感器MQ-12

图3.4 MQ-4、MQ-7、MQ-8、MQ-12与EM235接线图

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3.3.2 PT100温度传感器与EM235接线

该传感器的输出是76Ω-220Ω电阻信号。电阻信号无法直接接入EM235的输入模块，所以要施加电流源把电阻信号转化为电压信号。下面重点介绍电流源的来源和幅值

来源：EM235的一个模拟量输出模块可以输出0-20mA模拟信号，此电流信号可以作为恒流源使用。

幅值：PT100在0℃时电阻为100欧姆，随着温度的变化电组成线性变化，大约是每摄氏度0.4欧姆，为了产生5mV/C的电压系数，需要提供12.5mA电流。

电压输出范围：1.250V-1.965V（0--150℃）

SW1-SW6分别设置为：ON、OFF、OFF、OFF、OFF、ON

每个输入通道占用存储器AI区域两个字节，地址分配为AIW0，AIW2，AIW4，AIW6；输出通道占用存储器AQ区域两个字节，地址分配为AQW0。EM235模拟输出模块的单极性数据格式的全量程设置为0-32000，可以将AQW0中设置“20000”输出数，使EM235强制输出12.5mA的电流。(32000/20mA*12.5mA=20000) PT100温度传感器与EM235接线图如图3.6所示：

AQW0：20000EM235RAA+A-RBB+B-RCC+C-RDD+D-V1L1V4L4L3V3V2L2RL1RL4RL3Rpt100RL2

1 6

图3.6 PT100温度传感器与EM235接线图

3.3.3 PT100微水传感器与EM277接线

GY-HTW306G油微水检测传感器的输出是RS485标准数字信号，可以直接与EM277通信模块相连接。其接线图如图3.7所示：

14DP从站RS48523MEM277L+

图3.7 油微水检测传感器与EM277接线图

3.4 大型变压器在线监控系统电压源模块

本系统需要的电压源有DC24V、DC5V、DC1.5V这三个等级电源。其中24V电源可以从PLC的M和L+的两端引出来；5V的直接购买5V的电源适配器即可；1.5V的电源可以用DC5V转换。转换电路如图3.8所示：

限流电阻1.5V稳压管5V电源

图3.8 1.5V转换电路

Q-7一氧化碳传感器、MQ-8氢气氢气传感器、MQ-4甲烷传感器、MQ-12乙炔传感器的高（5V)低(1.5V)压循环加热设计PLC控制方案如下：

1 7

表3.6 循环加热节点设置表

I区（输入区） Q区（输出区） I0.0 Q0.0 Q0.1 启动按钮 高压加热 低压加热 T区(定时器区） T37 T38 高压加热定时器 低压加热定时器 上面的软元件地址分配编写出控制程序如图3.9所示：

启动按钮：I0.0T37Q0.0：高压加热Q0.0DNT37EN计时器60sDNT38DNQO.1T38DNT37计时器90sQ0.1：低压加热T38ENDNDN

图3.9 高低压循环加热控制程序图

PLC（继电器输出）控制高低压循环加热系统控制回路路接线如图3.10所示：

1 8

KA1KA2ML+0.00.1ML+DC1M0.00.10.20.3启动按钮2M0.40.50.60.7ML+24V

图3.10 控制回路接线图

其中KA1、KA2是DC 24V中间继电器线包。

1 9

4 大型变压器在线监控系统的软件设计

4.1 组态王软件的概述

组态软件是一种面向工业自动化的通用数据采集和监控软件，即SCADA软件，亦称人机界面或HMI/MMI软件，俗称“组态软件”。作为通用的监控软件，组态软件都能提供对工业自动化系统进行监视、控制、管理和集成等一系列的功能。同时也为用户实现这些功能的组态过程提供了丰富和易于使用的手段和工具[8]。

4.2 组态王程序设计步骤

1）创建新工程

2）定义硬件设备并添加工程变量 3）制作图形画面并定义动画连接 4）编写命令语言 5）进行运行系统的配置 6）保存工程并运行

4.3 基于组态王的监控画面设计

4.3.1 外部设备的定义

外部设备指的就是下位机网络上的其他计算机。它们一般通过某种通信方式和上位机交换数据，在定义了外部设备之后，组态王就通过I/O变量和它们实现数据的相互交换。

4.3.2 定义变量

在组态王中，变量的集合称为数据词典,数据词典中存放的是应用工程中定义的

变量以及系统变量。变量大致可以分为内存变量和I/O变量两种。I/O变量指的是组态王与外部设备或其他应用程序交换的变量，这种数据交换是双向的、动态的。所以，那些从下位机采集来的数据就是“I/O变量”类型。那些不需要和外部设备只在组态王内使用的变量，就可以设置成“中间变量”。[9]

本系统需要定义15个变量，6个“I/O变量”9个“中间变量”：具体见下表4.1、4.2所

2 0

示：

表4.1 I/O变量及具体参数

变量名 类型 连接设备 寄存器 数据类型 读写属性 甲烷浓度 I/O实数 PLC DECREA100 SHORT 只读 一氧化碳浓度 I/O实数 PLC INCREA101 SHORT 只读 乙炔浓度 I/O实数 PLC INCREA102 SHORT 只读 氢气浓度 I/O实数 PLC INCREA103 SHORT 只读 微水含量 I/O实数 PLC INCREA104 SHORT 只读 温度 I/O实数 PLC INCREA105 SHORT 只读 表4.2 中间变量及具体参数 变量名 报表路径 报表查询变量 内存字符串 存表结果 内存离散 报警指示灯1 内存离散 报警指示灯2 内存离散 报警指示灯3 内存离散 报警指示灯4 内存离散 报警指示灯5 内存离散 报警指示灯6 内存离散 类型 内存字符串 6个“I/O变量”变化范围均设定在0-100。 4.3.3 监控主画面设计 1.绘制图形画面

在建好的“大型变压器在线监控”开发系统中，插入点位图“大型变压器”，充分利用组态王中提供的图库进行各种仪表绘制。而甲烷、一氧化碳、乙炔、氢气、温度、微水含量以及各种文字按钮则是运用工具箱进行绘制的。

下图为大型变压器在线监控系统的监控主界面如图4.1所示：

2 1

图4.1 监控主界面

2.建立动画连接

●下面以甲烷传感器为例进行动画连接：双击仪表图标进行仪表向导设置,变量名为“\\\\本站点\\甲烷浓度”；同理双击“XXXX”图标，弹出窗口可完成输入输出的动态连接。如图4.2、4.3所示：

图4.2 模拟值输出动态连接图

2 2

图4.3 模拟值输入动态连接图

动画连接对话框中还包含其它属性的设置，这里不做详细介绍！

●“报警和事件”按钮：利用工具箱中的“按钮”在开发系统中画个文本框，右击文本框，选择“字符串替换”，输入“报警和事件”。双击显示“动画连接”对话框，勾选“弹起时”；单击“弹起时”，出现“命令语言”对话框，输入“ShowPicture(\"报警和事件\");”，单击确定，完成连接。在系统运行时，单击此按钮可使页面跳转到大型变压器在线监控系统的报警和事件画面

同理可以完成“趋势曲线”、“实时报表”、“历史报表”等按钮的动画连接。 ●新建“退出系统”按钮，在“命令语言”对话框输入“Exit( 0 );”。 4.3.4 报警和事件画面设计

1.定义报警组

在工程浏览器窗口左侧“工程目录显示区”中双击选择“数据库”中的“报警组”选项，弹出“报警组定义”对话框，定义报警组和子报警组。

2.设置报警变量

在数据词典中选择“甲烷浓度”变量，双击此变量，在弹出的“定义变量”对话框中单击“报警定义”选项卡，当甲烷浓度高于10是系统报警。同理定义其它5个“I/O”变量。

3.新建“报警和事件画面”如图4.4所示：

2 3

图4.4 报警和事件画面

●建立报警窗口

报警窗口是用来显示系统中发生的实时（历史）报警信息和时间信息的。建立过程如下：

1）新建一个画面，名称为报警和事件画面，类型为覆盖式。

2）运用工具箱中的“文本”、“报警和事件”、“按钮”工具在画面上进行绘制。

3）双击报警窗口对象，弹出报警窗口配置属性页。报警窗口分为5个属性页，即通用属性咧、列属性页、操作属性页、条件属性页、颜色和字体属性页[11]。 ●指示灯 XXXX 动态连接

按上述方法完成6个报警指示灯和XXXX的动态连接

●“主界面”利用工具箱中的“按钮”在开发系统中画个文本框，右击文本框，选择“字符串替换”，输入“报警和事件”。双击显示“动画连接”对话框，勾选“弹起时”，如图3.33；单击“弹起时”，出现“命令语言”对话框，输入“ShowPicture(\"大型变压器在线监控\");”，单击确定，完成连接。在系统运行时，单击此按钮可使页面跳转到大型变压器在线监控系统的主界面。

●“报警确认”利用工具箱中的“按钮”在开发系统中画个文本框，右击文本框，选择“字符串替换”，输入“报警事件”。双击显示“动画连接”对话框，勾选“弹起时”，如图3.33；单击“弹起时”，出现“命令语言”对话框，输入Ack(\\\\本站点\\甲烷浓度);\\\\本站点\\报警指示灯1=1;，单击确定，完成连接。在系统运行时，单击此按钮可使页面跳

2 4

转到大型变压器在线监控系统的主界面[11]。

其它“报警确认”可按上述方法设置 4.3.5 趋势曲线画面设计

1.新建“趋势曲线”如图4.5所示

图4.5 趋势曲线

●实时曲线

1）利用工具箱中的“实时趋势曲线”“文本”“按钮”等工具绘制“实时趋势曲线”曲线图。

2）双击“实时趋势曲线”框，对实时趋势曲线进行属性设置。 ●利用工具箱中的“插入通用控件”工具绘制“历史趋势曲线”曲线图。

●右击控件，选择“控件属性”分别对曲线、坐标系、预置打印选项、报警区域选项、游标配置选项进行设置。

该画面的其它部分可以按上文提到的方法进行设置 4.3.6 报表系统画面设计

新建“报表系统”如图4.6所示：

2 5

图4.6 实时数据报表

●利用工具箱中的“报表窗口”绘制报表窗口如图5.1所示；双击灰色区域，弹出“表格设计”窗口进行修改， 表格名称为Repot2。

●表格中的静态数据可以直接输入，而动态变量例如：报表时间，可以输入“=\\\\本站点\\$日期”、“=\\\\本站点\\时间”，运行时这些变量会反映出当前状态。

●在“实时报表”画面中添加一个按钮，按钮文本为“报表打印”。在弹起时输入命令语言: ReportPrint2 (\"report2\

●在“实时报表”画面中添加一个按钮，按钮文本为“页面设置”。在弹起时输入命令语言:ReportPageSetup (\"report2\");

●在“实时报表”画面中添加一个按钮，按钮文本为“报表预览”。在弹起时输入命令语言:ReportPrintSetup (\"report2\");

●在“实时报表”画面中添加一个按钮，按钮文本为“保存报表”。在弹起时输入如下命令语言:

string filename ;

filename=InfoAppDir()+\"\\实时数据文件夹\\\"+ StrFromReal(\\\\本站点\\$年,0 ,\"f\")+ StrFromReal(\\\\本站点\\$月,0 ,\"f\")+ StrFromReal(\\\\本站点\\$日,0 ,\"f\")+

2 6

StrFromReal(\\\\本站点\\$时,0 ,\"f\")+ StrFromReal(\\\\本站点\\$分,0 ,\"f\")+ StrFromReal(\\\\本站点\\$秒,0 ,\"f\")+\".rtl\"; ReportSaveAs(\"Report2\

●在“实时报表”画面中添加一个按钮，按钮文本为“刷新列表”。在弹起时输入如下命令语言: string filename1 ;

filename1=InfoAppDir()+\"实时数据文件夹\\*.rtl\"; listClear(\"List\");

ListLoadFileName(\"List\

●在“实时报表”画面中添加一个按钮，按钮文本为“报表查询”。在弹起时输入如下命令语言:

string filename ;

filename=InfoAppDir()+\"实时数据文件夹\\\"+报表查询变量; ReportLoad(\"Report3\[12]

实时报表查询时需要新建一个报表窗口（Report3）和一个下拉组合框。

4.3.7 历史数据报表画面设计 新建“历史数据报表”如图4.7所示:

图4.7 历史数据报表

2 7

●在“历史数据报表”画面中添加一个按钮，按钮文本为“查询”，在弹起时命令语

言中输入历史查询函数：ReportSetHistData2（）。使用该函数，不需要任何参数，系统会自动弹出历史数据查询对话框。 4.3.8 登陆界面画面设计

新建“登陆界面”如图4.8所示:

图4.8 登陆界面

●文本输入“XXXX”,双击 “XXXX”,在弹出窗口中选择字符串输入、输出，“变量名”和“表达式”均选择“\\\\本站点\\$用户名”。

●在“登陆界面”画面中添加一个按钮，按钮文本为“登陆”，在弹起时命令语言中输入如下命令语言：

if(\\\\本站点\\$用户名==\"20091985\")

{showpicture(\"大型变压器在线监控\");closepicture(\"20091985\");} else showpicture(\"用户名错误\"); 4.3.9 用户名错误画面设计 新建“用户名错误”如图4.9所示：

2 8

图4.9 用户名错误画面

●文本输入“对不起，您输入的用户名错误！！！”

●在“用户名错误”画面中添加一个按钮，按钮文本为“重新输入”，在弹起时命令语言中输入命令语言：showpicture(\"20091985\");

4.4 系统运行画面

完成上述任务后，全部保存。点击“运行”，选择主画面配置，将“20091985”设置

唯一主画面，切换到VIEW,开始运行系统。进入“登录界面”，输入用户名“20091985”，进入系统主界面,如图4.10所示：

2 9

图4.10 主界面运行画面

点击主界面“报警和事件画面”，进入该界面，如图4.11所示：

图4.11 报警和事件运行画面

红灯亮表示浓度过高，在实时报警窗显示，绿灯表示浓度正常。在历史报警窗口中显示历史报警情况。点击“报警确认,可以完成对报警事件的确认。点击“主界面”按钮回到系统主界面画面。然后点击“趋势曲线”、“实时报表”、“历史报表”。

3 0

运行画面分别如4.12、4.13、4.14所示：

图4.12 趋势曲线运行画面

图4.13 实时数据报表运行画面

3 1

图4.14 历史数据运行画面

以上为本次以大型变压器在线监控系统为背景，基于组态王的控制软件的设计

所实现的各项功能。

3 2

5 总结与展望

5.1 全文总结

随着国民经济和电力系统的发展，电力系统的安全可靠运行的越来越多，状 态监测系统已成为科学研究和工程应用的一个重要方向。电力设备在线状态 监测可以实时监控，在实际运行条件下的系统健康状况为了确保安全和稳定的，但作为一种补充和综合自动化的发展，让变电站实现真正的无人值守；同时，也为维护电气设备的运行状态提供了依据基于条件的维护，是实现的前提和重要组成部分。这项工作的重点是线路变压器监控系统的研究和开发。 变压器是变电站中重要的电力设备，其运行状况直接影响电网稳定性。

1、基于在线监测的观点设计了大型变压器在线状态监测的系统结构。本文分析并设计了对变电站中的变压器的油中溶解性可燃性气体，油中微水含量温度等各方面运行状态进行全面监测的系统。这样做便于各种信息量的共享和建立故障诊断系统有利于实现变压器的无人值守。

2、鉴于现代科学技术的发展，本文利用六种传感器将变压器中的待检测量准确、快速的传入可编程控制器中，实现模拟量、数字量的快速处理。PLC选择了三个扩展模块，实现传感器模拟量的直接输入，避免了使用A/D转换器进行模拟量的转换。通信模块EM277实现了PLC与其它智能设备的通讯，使系统更加智能化。

3、在大型变压器在线监控系统控制软件开发过程中，以组态王作为开发平台，充分利用了组态软件的资源，合理规划，明显缩短设计周期，提高了工作效率。系统界面直观友好，对工作流程进行提示及各种警戒与处理齐全，确保了系统的安全稳定性。

5.2 展望

1、本系统采用的PLC实现变压器的监控，实际上由于PLC处理数据的时间相对变压器出现故障动作时间要长，所以本系统只能实现真正意义的监测。所以这是本系统不足之处，有待改进！

2、状态监测量传感器选择及测量方法方面要做更深入的研究选择能更准确测量

3 3

监测量的传感器和更合适的测量方法

3、通过查阅各种期刊、文献以及书籍了解并掌握了组态王软件的主要功能和设计步骤。掌该控制系统也有不足的地方需要改进，比如：在做毕业设计时不可能会和工控机连接，因此没有数据传进来，组态王中的历史数据库中就没有数据记录，如果自己能创建一个数据库，使得运行结果更直观。

3 4

致 谢

回首在工大度过的四年时光，我找不到更好、更恰当的语言来表达我对那些一直

关心帮助我成长的良师益友们深深的敬意和无限的感激。

首先要感谢我的导师陈梅陈老师，她敏锐的的学术眼光、严谨务实的治学态度给我留下了深刻的印象，从她身上我学到了很多做人做事的道理。我课题研究的每一个进步都凝聚着陈老师的心血，她平易近人的教导方式，时刻激励着我克服困难、不断前进。

在课题的研究和过程中李鑫老师、郑涛老师、陈薇老师在学术给了我很多无私的帮助，他们对科研工作的严谨、执着使我受益非浅，在这里我衷心的说一句谢谢了。

几年的学习生活中与付恒哲、朱学俊、汪昕、海亮、王嘉成、王叶文、胡鹏、陈兴凯、柴会武、陈睿、杨凡奇、刘小勇等同学进行了愉快的合作。从他们身上我学到了很多东西，本论文的能够顺利完成正是源于他们的支持与合作。在此我要衷心说一声谢谢，感谢他们的真诚帮助。我想说我永远不会忘记与他们一起度过的美好时光。

感谢我的父母，在我十几年的求学生涯中，是他们物质上的支持和精神上的鼓励让我能够在求学的道路上不断前行；他们在一直是我不断进取的力量源泉。

谨以此文献给所有关心、帮助和支持我的亲人和朋友们！

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[参考文献]

[1]巍. 输电线路状态在线监测系统终端—数据采集处理平台的设计及实现[D].上海：上海交通大学，2007.

[2]李岩. 变压器在线状态监测系统研究[D]. 武汉：华中科技大学，2005. [3]龙意忠. 高速电磁阀试验台设计[D]. 贵州：贵州大学，2006.

[4]HarrisD.M.P. Condition monitoring in power transformers condition monitoring of large nachines and power transformers[M]. Canada.Moseg Ke Press,2001.7-8.

[5]朱立鹏. 采矿面局部风机不间断备用电源的设计[D]. 河北：河北工业大学，2008. [6]林勇. 组态王在工业锅炉吹灰系统中的应用[D]. 西安：西安电子科技大学，2004. [7] Jean-Luc Scharbarg, Marc Boyer, Christian Fraboul. CAN-Ethernet Architectures for Real-Time Applications[C]. 10th IEEE Conference,2005.

[8]杨春华. 基于嵌入式的有载分接开关在线监测系统设计与开发[D]. 西安： 西安电子科技大学，2011.

[9]刘美俊. 西门子S7系列PLC的应用和维护[M]. 北京：机械工业出版社，2008.14-25. [10]潘高峰，谢勇，薛军. 基于组态王的标校远程监控系统软件设计[M]. 北京：机械工业出版社，2005.5-8.

[11]严盈富. 监控组态软件与PLC入门[M]. 北京:人民邮电出版社，2006.6-9. [12]刘志峰，张军，王建华. 工控组态软件实例教程[M]. 北京：电子工业出版社，2008.32-37.

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RS485EM27714DP从站RS48523MKA1KA2RS485ML+0.00.1ML+DCL+DP从站RS232/RS485PCM0I0V0系统硬件电路图

AQW0：20000EM235EM235

1M启动按钮0.00.10.20.32M0.40.50.60.7ML+RAA+A-RBB+B-RCC+C-RDD+24VD-RAA+A-RBB+B-RCC+C-RDD+D-V1V4V3V2L1VRLGNDVHVCVRLGNDVHVCVRLGNDVHVCL4L3L2Rpt100VRL甲烷传感器MQ-4氢气传感器MQ-8一氧化碳传感器MQ-7GNDVHVC乙炔传感器MQ-12 3 7

RL1RL4RL3RL2