赵海平1，张建学2
1.国电南京自动化股份有限公司，南京 210032；2. 国电南京自动化股份有限公司，南京 210032
摘要：油中溶解气体分析方法是发供电企业判断运行中的充油电力设备是否存在潜伏性的过热、放电等故障，以保障电网安全有效运行的有效手段。但因色谱检测器稳定性、脱气单元气密性、脱气单元设计工艺、出峰值数据读取算法等问题，导致色谱单元的稳定性、精确度不高，本文通过对这些重要部件的优化设计，大大提高了装置稳定性、可靠性及精确度，通过实验验证了改进的可行性和有效性。
关键词：电力变压器；气相色谱法；热导感应；气体组分；RTOS
0 引言
油中溶解气体分析[1]（DGA）是预防变压器故障最为有效的方法之一，油中溶解气体在线监测装置因其可在线分析油中特征气体，具有实时性良好，监测周期短等优点，可用于实时监测充油设备（换流变、主变、高抗）中特征气体变化，判断设备的运行状态，提前发现设备内部存在的潜伏性故障。
目前，220kV及以上电压等级的变压器普遍安装了变压器油中溶解气体在线监测装置，但装置整体运行情况不佳，存在装置故障率和误报率高、测量精度偏差大、需多次维护等问题，且未能及时发现变压器潜伏性故障和有效跟踪故障发展趋势。
1影响油中溶解气体在线监测装置准确性的因素[2][3]
1.1 载气流量、压力的影响
气相色谱法通过保留时间对被测气体组分定性，油中溶解气体在线监测装置通常出厂前或者安装后进行一次标定，而日常运行中并不进行标定。如载气压力、流量等发生变化时，色谱保留峰时间将发生明显变化，从而引起装置误判色谱峰（如将乙烷识别为乙炔等），引发误报、漏报。
1.2色谱柱的影响
色谱柱随着使用时间的增加而逐渐老化，色谱分离效能下降，各类特征气体在色谱柱中的保留时间及峰面积将发生变化，因此也将影响特征气体的在检测器上的定性以及定量。
1.3脱气率影响
油中溶解气体在线监测装置脱气方式主要有膜脱气、真空脱气、顶空脱气等方式。早期产品以膜脱气方式和真空脱气方式为主。脱气膜运行多年后容易老化、膜孔堵塞，造成脱气效率明显下降。真空脱气方式随着运行年限增长，真空度下降，同样造成脱气率下降。油中溶解气体在线监测装置灵敏度、最小检测限等均与脱气率有直接关系，脱气率下降，将导致测量结果出现明显误差。有研究表明油中溶解气体在线监测装置误差产生的主要原因为脱气率。
1.4 检测器性能影响
传感器性能衰减，有效物质在传感器上的响应信号将偏低。同时，由于早期装置多使用的电化学传感器多为非线性传感器或者线性范围较窄，需要多个数据点拟合定量曲线以进行定量分析。随着电化学传感器老化，产生温漂、零漂等问题，定量曲线将发生变化，原有数据点将无法准确定量，产生明显误差。此外，检测器受油雾等杂质因素影响，检测器亦将产生杂质峰，影响特征气体的定性与定量。
2系统优化设计
2.1 油气分离单元的改进设计
油气分离的多少好坏直接决定了最终监测数据的准备性，传统的一般采用双电机驱动模式，一个分离气体、另一个抽真空，双电机的最大问题是气密性、可靠性降低，本设计取消一个电机，采用真空泵抽真空，大大提高了分离单元的稳定性、可靠性，改进后的油气分离原理图如图1所示：
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其中：V1为进油阀，V2为回油阀，V4为脱气室连接阀，V9为真空泵连接阀
改进后的油气分离单元主要元器件包括脱气室、油缸、电机、真空泵B3、电磁阀。其中油缸体积为200mL，脱气室体积为200mL。简化后的油气分离部件结构简单，元器件较少，气路和油路连接简单，安装和调试方便，减少了故障点，提高了可靠性。
2.2 改进后的油气分离流程
为了提高脱气效率，需要对油样进行有效脱气，保证脱气室的气密性并尽可能减少器件数量，提高设备可靠性，以下改进后的油气分离部件流程。
2.2.1油循环环节
(1)打开V1电磁阀，油缸从左往右拉，等待脱气室油样进满油；
(2)关闭V1电磁阀，打开V2电磁阀，油缸从右往左推，等待油缸油全部排完，关闭V2电磁阀。
(3)此过程循环5次（依据现场情况可调整循环次数），实现油循环体积1L。
2.2.2脱气环节
(1)打开V4电磁阀，打开真空泵B3，利用真空泵B3对脱气室抽真空，真空度大于-90kPa，关闭真空泵B3和V4电磁阀。
(2)油缸从左往右拉，等待一段时间，油缸从右往左推，再等待一段时间，完成一次脱气，此过程连续循环5次。
2.2.3进样环节
(1)让油样静置一段时间，大约200秒。
(2)打开V4电磁阀，开始为色谱单元进样
(3)进样气完成后，关闭V4电磁阀
2.3 恒温TCD系统箱体改进设计
恒温系统箱体采用进口高级不锈钢（SUS304）板材质，绝热层采用硅酸铝石棉填充3mm，使其覆盖箱体，减小箱体内外的热交换，降低系统内部的热量损耗，也使系统内部的温度保持在 65±0.1℃。
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由于此系统需要色谱柱和检测器处于恒温条件下，且要求色谱柱所处的温度场要均匀，温度分布梯度要小，否则，将影响色谱柱的分离效果，组分的出峰时间和色谱出峰的高度，最终影响测量结果。
本装置配备改进型的性能优异的恒温控制器，升温和控温的程序使用 PID控制算法设计，PID控制策略：在温控系统中，首先需要将被控对象的温度由传感器转换成一定的信号送入处理器，然后再与预先设定的温度值进行比较，把比较得到的差值信号经过一定规律的计算后得到相应的控制值，将控制量送给控制系统进行相应的控制，不停地进行上述工作，从而达到自动调节的目的。由于在此设计了独立的专业温度控制器，从而确保了气体组分离的稳定性和色谱图的重复性。
对采取恒温控制措施前后进行了测试对比，对比效果如下图3至图4所示。
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通过采用 PID 调节的恒温控制系统，实现了65℃±0.1℃的精确快速温度控制，保持了柱箱温度分布均匀，保证了测量温度稳定，不受所处环境的影响，使得环境温度变化的情况下，出峰时间稳定、峰高恒定，确保监测装置的环境适应性能满足现场应用的各种工况要求。
2.4 气体峰值识别算法改进设计
2.4.1算法改进设计
色谱曲线的数学模型表示形式如下式所示，其原理是高斯函数。
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式中： f(t)为流出信号曲线； A 为色谱峰的面积； σ 为色谱峰的峰宽度；ｔ为信号曲线的流出时间；ｔＲ为组分的保留时间。
对上式求导，得到式如下：
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2.4.2算法设计实现步骤
具体步骤如下：
(1)为了减小数据抖动对方波周期求导的影响，采用小波变换[4]对斜率曲线进行噪声过滤，得到平滑的信号曲线，再对信号曲线进行一阶求导，从而得到斜率曲线。
(2)如果斜率值为负值，将其设置为-1；如果斜率值为 0，保持不变；如果斜率值为为正值，将其设置为 1，从而进行归一化处理得到方波曲线。
(3)对正负方波周期数组进行排序，统计方波组数，方波周期。
(4) 根据色谱峰的方波曲线来判断色谱峰的起点、保留时间和终点。色谱峰对应连续的正负方波，将不连续的正负方波认为是噪声峰并将其滤除，如果遇见连体峰需要合并为一个疑似色谱峰，避免由于基线的波动造成色谱峰识别错误。
(5)在疑似色谱峰的起点和终点之间插入一个线性值，从而得到基线，色谱峰高通过峰顶值和基线之间的差值来求取。
(6)将小于最小峰高的色谱峰进行剔除，再计算色谱峰的组数。
基于小波变换识峰改进算法应用后装置实际采样波形如下图5、图6所示
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由上面的分析结果的图例可知，利用改进小波算法可以有效的剔除干扰源，保证了系统的动态测量范围和分析精度，即使气体组分的色谱峰出峰时间发生飘移，也不会对色谱峰的准确识别有影响，因此可以确保数据的准确性。
2.5 上位机后台系统实现
变压器油中溶解气体在线监测装置软件，考虑到多用户、远程在线监测等应用特点，采用了面向对象的设计方式和嵌入式WebServer技术，使系统具有良好的扩展性和重要性，并无需安装客户端软件等特点。通过本软件，可以实时监测系统数据、浏览历史数据以及查看服务器端及本地谱图数据，并可在获得授权时对系统参数进行修改。本软件很好地满足了变压器油中溶解气体在线监测装置的需要，实现了数据分析、数据显示、实时监测、报表、参数设置等功能。本软件运行于RTOS系统VxWorks [5]下，提供了友好的用户界面，操作简单，维护方便。其特点如下：
(1)系统运行安全可靠。运行于嵌入式VxWorks操作系统，安全性能高，免受病毒感染；采用了基于权限的用户管理，使系统具有很强的针对性，同时使系统用户管理更富有人性化。
(2)强大丰富的谱图控制功能。用户能够根据自己的需要对谱图显示进行局部放大、缩小。
(3)强大的平台支持。软件运行于目前流行的嵌入式WebServer平台，安全、稳定，具有较强的可扩展性。
通过网页WEB方式访问装置软件，在装置网页地址输入IP地址，得到如下图网页：
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系统主界面说明：
主界面最左端为页面快速导航按钮，可在设备参数设置、通信参数设置、数据查询、故障诊断、在线监测之间迅速切换。
主界面的上部分区域为各组分特征气体当前测量值。下部分区域为装置运行相关遥测遥信值和诊断告警参量。
选择趋势图通过图形方式显示选定时间段内历史数据的变化趋势。选择某条历史数据时，可选择右边的立方体/大卫三角形/三比值/二比值/IEC60599等故障诊断方法[6]查看本条历史数据的诊断结果。
3 结束语
改进后的变压器油中溶解气体在线监测装置样机在现场应用结果表明该变压器油中溶解气体在线监测装置性能合格，且测量误差、测量重复性、测量周期高于A级标准（国标），由于采用了脱气机结构简化设计，使得装置的可靠性大大提高，装置所有指标完全达到了设计初期目标。
参考文献：
[1] 苏鑫;电力变压器油色谱在线监测装置的故障识别[D];福建工程学院;2019年
[2] 王澜蓉．南京地区油色谱检测技术的应用与研究[D]．南京：东南大学电气工程学院，2016．
[3] 鲁统贺. 变压器油色谱在线监测及故障诊断技术的应用[D].济南：山东大学电气学院.2017.
[4] 叶品勇。 基于油中溶解气体分析的变压器故障预测。 南京理工大学硕士学位论文. 2007.
[5] 尹鹏 .基于VxWorks嵌入式操作系统的网络数据通信研究,西安电子科技大学.2015年.
[6] 李鹏．电力变压器油相色谱在线监测技术的应用研究[D]．保定：华北电力大学电气工程学院,2015
作者简介：
赵海平(1978—)，男，汉，江苏南京人，工程师，从事电力系统在线监测产品研发工作。
张建学(1981—)，男，汉，江苏南京人，工程师，从事电力系统在线监测产品研发工作。