CC BY
63
Программные продукты и системы / Software & Systems
№ 1 (109), 2015
УДК 621.314.222.6:004 Дата подачи статьи: 06.03.14
DOI: 10.15827/0236-235X.109.149-155
ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА
О.В. Васильева, к.т.н., доцент, vasileva.o.v@mail.ru (Национальный исследовательский Томский политехнический университет, просп. Ленина, 30, г. Томск, 634050, Россия);
А.В. Лавринович, инженер, lavrinovich86@yandex.ru (Институт сильноточной электроники СО РАН, просп. Академический, 2/3, г. Томск, 624055, Россия)
Работа посвящена программной реализации цифровой обработки данных с расширением *.csv, получаемых с современных цифровых осциллографов типа Tektronix, Agilent, Aktakom и аналогичных им. Программа создана в среде разработки Lab View. Представлена блок-схема программы с наименованиями отдельных блоков и описанием блока сохранения цифровых данных в отдельном документе. Ограничением для разработанной программы является требование одинакового шага дискретизации по времени исходных сигналов. Показаны преимущества созданной программы: уменьшение времени обработки осциллограмм, упрощение процедуры работы с большими массивами данных, отсутствие ручной обработки. Обработка осциллограмм позволяет уравнивать начальное время обрабатываемых импульсов, имеющих произвольный сдвиг относительно друг друга, и получать разность обработанных осциллограмм в отдельном окне. Для сдвига осциллограмм предлагается использовать курсоры с наименованием координат. Эффективность разработанной программы продемонстрирована при обследовании силового трансформатора методом наносекундных импульсов с целью объективного выявления отличий между импульсом-нормо-граммой «здорового» трансформатора и импульсом-откликом дефектного трансформатора. Показан порядок обработки осциллограмм с нахождением необходимых величин. Представлены визуализация исходных импульсов и их разности, а также порядок сохранения графика в протоке испытаний.
Ключевые слова: программная реализация, цифровая обработка, силовой трансформатор, Lab View, осциллограф, блок-схема, сохранение данных, формат, разность.
Выход из строя такого агрегата, как мощный трансформатор, происходит внезапно и часто приводит к аварии с тяжелыми техническими и экономическими последствиями. В связи с этим в высоковольтных лабораториях регулярно ведется интенсивный поиск надежных и достоверных методов диагностики [1-3]. Среди причин дефектов обмоток основная - электродинамическое воздействие токов короткого замыкания, приводящее к смещению витков в обмотках [4]. По этой причине актуальна задача поиска новых методов диагностики механического состояния обмоток [5].
Наиболее важным и эффективным методом диагностики активной части силового трансформаторного оборудования является метод низковольтных импульсов (НВИ), впервые разработанный в 1966 г. польскими учеными-электротехни-ками В. Лехом и Л. Тымински [6]. При различной степени деформаций изменяются емкости и иногда индуктивности деформированных элементов.
Это приводит к изменению собственных частот колебаний, что проявляется в осциллограммах импульсных токов и напряжений. Характер изменений осциллограмм зависит от величины и характера деформаций [7, 8]. Поэтому для объективного сравнения осциллограмм требуется разработать программу, позволяющую оперативно исследовать состояние обмоток силового трансформатора с учетом различных видов и степеней повреждений.
Была поставлена основная задача, заключающаяся в программной реализации цифровой обра-
ботки данных, полученных в результате диагностики состояния обмоток силового трансформатора методом наносекундных импульсов с целью эффективного контроля состояния трансформаторного оборудования. Контроль состояния будет осуществляться путем сравнения амплитудно-временных характеристик исследуемой обмотки при наличии дефектов с так называемой нормограммой, снятой на «здоровом» трансформаторе.
Методы исследования
Для программной реализации цифровой обработки данных была применена среда Lab View [9-11]. Внешний вид интерфейса программы приведен на рисунке 1.
Окно интерфейса включает следующие элементы:
- окна для выбора версии оцифровки осциллограмм, полученных с осциллографа;
- окна для ввода обрабатываемой и эталонной осциллограмм;
- окна для отображения исходных и обработанных амплитудных и временных численных данных осциллограмм;
- окна для обработки осциллограмм, необходимой для уравнивания начального времени обрабатываемой осциллограммы относительно эталонной;
- окна для внесения пути сохранения осциллограмм;
- окна для работы с курсорами.
149
Программные продукты и системы / Software & Systems
№ 1 (109), 2015
Рис. 1. Вид интерфейса программы «Цифровая обработка данных» Fig. 1. An interface of "Digital data processing" program
Обрабатываемые импульсы представляют собой сигналы-отклики, соответствующие переходному процессу, которые возникают в обмотках трансформатора как реакция на внешнее зондирующее воздействие.
На рисунке 2 представлена блок-схема разработанной программы в виде отдельных, связанных между собой блоков.
Блок-схема включает в себя блоки: открытия и считывания файла, очищения текста от ненужной части, замены символов в строке, считывания файла в виде массива, разделения массива на строки, применения разности координат курсоров, обработки данных, объединения графиков, разности графиков, визуализации графиков, сохранения данных в формате *.txt (рис. 3).
На рисунке 3 отдельно представлен блок, позволяющий сохранить данные в текстовый файл с расширением *.txt. Если пользователю требуется дополнительная справочная информация об элементах блок-схемы, ему необходимо выбрать Help - Show Context Help. Затем курсор мыши подвести к необходимому элементу.
Результаты исследования
Рассмотрим высоковольтную обмотку, изготовленную из медного круглого проводника сечением 1,5 мм2, намотанного на изоляционный цилиндр диаметром 155 мм. Общее число витков катушки высоковольтной обмотки - 120, количество отпаек - 23 (рис. 4).
150
Программные продукты и системы / Software & Systems
№ 1 (109), 2015
«Цифровая обработка»
Рис. 2. Блок-схема программы Fig. 2. Program flowgraph
Эффективность разработанной программы продемонстрирована на примере двух импульсов, полученных на согласованной нагрузке [8].
Импульс бездефектного трансформатора, полученный при подключении на выходе генератора R=50 Ом, приведен на рисунке 5а (кривая 1). Данный импульс сравнивается с импульсом, получен-
ным при коротком замыкании между собой отпаек 00-01-02-03-04-05 (15 витков) (рис. 5) и представленным на том же рисунке (кривая 2). Рассмотрим обработку импульса, полученного на «здоровом» трансформаторе (обрабатываемый импульс), относительно импульса, полученного на дефектном трансформаторе (эталонный импульс), так как
151
Программные продукты и системы / Software & Systems
№ 1 (109), 2015
Рис. 3. Блок для сохранения данных в формате *.txt Fig. 3. *.txt data saving block
осциллограмма 1 появляется позже, чем осциллограмма 2. Необходимо добавить строки (промежуток времени от начального времени осциллограммы 2 до начального времени осциллограммы 1) к обрабатываемой осциллограмме, чтобы уравнять
начальное время обоих сигналов, а недостающие значения напряжения осциллограммы 1 принять равными «0».
Приведем описание работы с программой в среде разработки Lab View (рис. 5).
Исходные данные 2
0,00000077200 0,80000 -0,000000121200 -1,60000
0,00000076800 0,80000 -0,000000120800 -0,80000
Количество
Шаг, с строк Сдвиг, нс
| 4E-10 | 110 1 44 I
б)
Рис. 5. Обработка осциллограмм бездефектного трансформатора (кривая 1) и при коротком замыкании между собой отпаек 00-01-02-03-04-05 (кривая 2): а) осциллограммы для обработки; б) параметры для обработки; в) результат разности двух импульсов
Fig. 5. Processing waveforms defect-free transformer (curve 1) and in case of short circuit between the tap positions 00-01-02-03-04-05 (curve 2): a) waveforms for processing; б) processing parameters; в) a result of the difference of two impulses
152
Программные продукты и системы / Software & Systems
№ 1 (109), 2015
Условием работы программы, разработанной в этой среде, является одинаковый шаг дискретизации по времени обрабатываемых сигналов [12, 13]. В нашем случае он равен 4-10-10 нс (рис. 5б). Подсчитать шаг можно по формуле h = tu - t12, где tu - первый столбец первой строки исходных данных 1 (цифра 1, рис. 5б); t12 - первый столбец второй строки исходных данных 1 (цифра 2, рис. 5б). Аналогично осуществляются подсчеты для исходных данных 2. Необходимо внести коэффициент в окно «Шаг, с».
Для построения сигналов в среде Lab View требуется ввести исходные файлы с расширением *.csv в соответствующие окна программы и нажать кнопку пуск <»» (рис. 5а).
Далее можно приступать к обработке сигналов, чтобы сопоставить два сигнала между собой и получить разность импульсов (рис. 5в). Например, требуется из одной осциллограммы вычесть другую, совместив начала резкого подъема на обеих осциллограммах. Корректно такую процедуру для
приведенного примера можно провести только после уравнивания начальных значений осциллограмм, имеющих произвольный сдвиг относительно друг друга, и получать разность импульсов обработанных осциллограмм в отдельном окне.
Из рисунка 5б видно, что начальное время импульсов не совпадает (цифры 1 и 3). Чтобы уравнять начальное время, необходимо посчитать количество строк К, на которое требуется уравнять обрабатываемую осциллограмму относительно эталонной, и внести коэффициент в окно «Кол-во
(t11 — ^21 )
строк», рассчитанный по формуле K = -
h
где tu - первый столбец первой строки исходных данных 1; t21 - первый столбец первой строки исходных данных 2; h - шаг.
В нашем случае K = 110 (рис. 5б). Таким образом, сдвиг времени t0 = 44 нс.
В нашем случае из эталонного импульса вычли обрабатываемый импульс. Разность двух импульсов представлена на рисунке 5в.
Рис. 6. Обработка осциллограмм на 3-м (кривая 2) и 6-м (кривая 1) витках от отпайки 00: а) осциллограммы для обработки; б) результат разности двух импульсов
Fig. 6. Processing waveforms 3 (curve 2) and 6 (curve 1) turns on the tap 00: a) waveforms for processing; б) a result of the difference of two impulses
153
Программные продукты и системы / Software & Systems
№ 1 (109), 2015
Импульсы сигналов значительно отличались друг от друга визуально. На рисунке 5в видно, что амплитуда напряжений колеблется в пределах от -30 до 120 В.
Рассмотрим случай, когда визуальное отличие сигналов не так ощутимо, как в предыдущем примере. В качестве эталонного импульса (кривая 2, рис. 6а) примем осциллограмму, снятую на 3-м витке от отпайки № 00, а в качестве обрабатываемого импульса (кривая 1, рис. 6а) - осциллограмму, снятую на 6-м витке от отпайки № 00 (рис. 4). Начальное время обоих сигналов совпадало, поэтому можем приступить к исследованию разности импульсов (рис. 6б).
В результате получили, что амплитуда напряжений колеблется в пределах от -60 до 60 В.
Обработанные цифровые данные автоматически сохраняются после введения пути в соответствующие окна для сохранения осциллограмм.
Для сохранения графиков в протоколе испытаний необходимо подвести курсор мыши к графику «Сравнение импульсов» или «Разность импульсов» и правой кнопкой мыши выбрать Export -Export Simplified Image... В появившемся окне поставить галочку Save to file, выбрать путь для сохранения и назвать график, далее нажать Save.
Таким образом, в данной работе предложена программная реализация цифровой обработки осциллограмм в среде Lab View, позволяющая быстро обрабатывать экспериментальные данные, полученные с помощью осциллографов типа Tektronix, Agilent, Aktakom и аналогичных им. Разработанная программа позволит существенно повысить скорость обработки и сравнения осциллограмм при обследовании трансформаторов методом наносекундных импульсов. Представлена блок-схема программы с блоком для сохранения данных в формате *.txt.
Следует отметить, что программная реализация цифровой обработки данных силового
трансформатора может послужить основой для создания универсальной программы с целью оперативного исследования различных режимов диагностики электротехнического оборудования.
Литература
1. Souahlia S., Bacha K., Chaari A. MLP neural network-based decision for power transformers fault diagnosis using an improved combination of Rogers and Doernenburg ratios DGA // Electrical Power and Energy Systems. 2012, vol. 43, is. 1, pp.1346-1353.
2. Газивода С., Микулецки А. Диагностика силовых трансформаторов на месте // Энерго Info. 2011. № 1. C. 68-72.
3. Chistyakov Yu., Kholodova E., Minin A., Zimmer-mann H., Knoll A. Modeling of Electric Power Transformer Using Complex-Valued Neural Networks. Energy Procedia. 2011, vol. 12, pp. 638-647.
4. Ching Sun H., Chang Huang Y., Ming Huang C. Fault Diagnosis of Power Transformers Using Computational Intelligence: A Review. Energy Procedia. 2012, vol. 14, pp. 1226-1231.
5. Васильева О.В., Лавринович А.В. Исследование коммутаторов для низковольтных наносекундных импульсов генератора с целью диагностики силовых трансформаторов // Фундаментальные исследования. 2013. № 8-4. C. 813-817.
6. Lech W., Tyminski L. Detecting transformer winding damage by the Low Voltage Impulse method // Electrical Review (ERA Translation). 1966, vol. 179, no. 21, pp. 19-23.
7. Лавринович В.А., Пичугина М.Т., Рамазанова А.Р. Применение наносекундных низковольтных импульсов для диагностики состояния обмоток силовых трансформаторов // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2011. № 2. C. 292-294.
8. Введенский Ю.В. Тиратронный генератор наносекундных импульсов с универсальным выходом // Изв. вузов СССР. Радиотехника. 1959. № 2. С. 249-251.
9. Вавилов К.В., Шалыто А.А. Lab VIEW и SWITCH-технология // Промышленные АСУ и контроллеры. 2006. № 6. С. 43-45.
10. Розкиданый М.С. Применение Lab View при реализации виртуальных измерительных устройств для обучения студентов дисциплине «Основы метрологии» // Молодой ученый. 2012. № 5. С. 60-62.
11. Блюм П. Lab VIEW. Стиль программирования. М.: ДМК Пресс, 2008. 400 с.
12. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. М.: Наука, 1987. 600 с.
13. Демидович Б.П., Марон И.А. Основы вычислительной математики. М.: Наука, 1970. 664 с.
DOI: 10.15827/0236-235X.109.149-155 Received 06.03.14
SOFTWARE IMPLEMENTATION OF A POWER TRANSFORMER DIGITAL DATA PROCESSING Vasileva O. V, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, vasileva.o.v@mail.ru (National Research Tomsk Polytechnic University, Lenin Ave. 30, Tomsk, 634050, Russian Federation);
Lavrinovich A V., Engineer, lavrinovich86@yandex.ru (Institute of High-Current Electronics of RAS,
Akademichesky Av. 2/3, Tomsk, 624055, Russian Federation)
Abstract. The work is devoted to software implementation of digital data processing with the *.csv expansion. The data is received from modern digital oscillographs such as Tektronix, Agilent, Aktakom and so on.
The program is created in the Lab View environment. The article presents a program flowgraph with separate blocks naming and the description of a block for digital data saving in the separate document. A restriction of the developed program is a requirement of an identical step sampling of initial signals. The paper describes the advantages of the created program: oscillograms processing time decreases, work procedure with big data files becomes simpler, manual processing is excluded. Processing of oscillograms allows equalizing initial time of processed impulses that have a spontaneous shift from each other. It also allows receiving a difference of the processed oscillograms in a separate window. The authors offer using cursors with naming of coordinates for shifting oscillograms.
154
Программные продукты и системы / Software & Systems
№ 1 (109), 2015
The efficiency of the developed program is shown at inspection of the power transformer using a method of nanosecond impulses to reveal the differences between an impulse-norm gram of a “healthy” transformer and an impulse response of a defective transformer.
The paper shows the order of processing oscillograms with finding necessary sizes. It also presents visualization of initial impulses and their difference, as well as an order of schedule saving in a channel of tests.
Keywords: software implementation, digital processing, power transformer, Lab View, oscillograph, flowgraph, data saving, format, difference.
References
1. Souahlia S., Bacha K., Chaari A. MLP neural network-based decision for power transformers fault diagnosis using an improved combination of Rogers and Doernenburg ratios DGA. Electrical Power and Energy Systems. 2012, vol. 43, iss. 1, pp. 1346-1353.
2. Gazivoda S., Mikuletski A. Diagnostics of power transformers on a place. Energo Info [Power Info]. 2011, no. 1, pp. 68-72 (in Russ.).
3. Chistyakov Yu., Kholodova E., Minin A., Zimmermann H., Knoll A. Modeling of Electric Power Transformer Using Complex-Valued Neural Networks. Energy Procedia. 2011, vol. 12, pp. 638-647.
4. Sun H.Ch., Huang Y.Ch., Huang C.M. Fault Diagnosis of Power Transformers Using Computational Intelligence: A Review. Energy Procedia. 2012, vol. 14, pp. 1226-1231.
5. Vasilyeva O.V., Lavrinovich A.V. Research of switchboards for low-voltage nanosecond generator impulses to diagnose power transformers. Fundamentalnye issledovaniya [Basic researches]. 2013, no. 8-4, pp. 813-817 (in Russ.).
6. Lech W., Tyminski L. Detecting transformer winding damage by the Low Voltage Impulse method. Electrical Review (ERA Translation). 1966, vol. 179, no. 21, pp. 19-23.
7. Lavrinovich V.A., Pichugina М.Т., Ramazanova A.R. The use of low-voltage nanosecond pulse diagnostics of power transformer windings. Nauchnye problemy transporta Sibiri i Dalnego Vostoka [Scientific Problems of Transport in Siberia and the Far East]. 2011, no. 2, pp. 292-294 (in Russ.).
8. Vvedensky Yu.V. Thyratron nanosecond pulse generator with universal output. Izvestiya vuzov SSSR. Radiotekhnika [News of USSR Universities. Radio engineering]. 1959, no. 2, pp. 249-251 (in Russ.).
9. Vavilov K.V., Shalyto A.A. Lab VIEW and SWITCH-technology. Promyshlennye ASUi kontrollery [Industrial ACS and Controllers]. 2006, no. 6, pp. 43-45 (in Russ.).
10. Rozkidany M.S. Lab View application at realization of virtual measuring devices, for students training in “Fundamentals of metrology”. Molodoy ucheny [Young Scientist]. 2012, no. 5, pp. 60-62 (in Russ.).
11. Blyum P. Lab VIEW. Stil programmirovaniya [Lab VIEW. Style of Programming]. Moscow, DMK Press, 2008, 400 p.
12. Bakhvalov N.S., Zhidkov N.P., Kobelkov G.M. Chislennye metody [Numerical Methods]. Moscow, Nauka Publ., 1987, 600 p.
13. Demidovich B.P., Maron I.A. Osnovy vychislitelnoy matematiki [Foundations of Computational Mathematics]. Moscow, Nauka Publ., 1970, 664 p.
Реклама
НИИ «ЦЕНТРПРОГРАММСИСТЕМ»
Разработка тренажеров, тренажерных комплексов и автоматизированных систем обучения
Разрабатываем и поставляем
- системы моделирования тактической обстановки и боевых действий;
- средства планирования и контроля учебного процесса;
- средства автоматизации для руководства тренировочными занятиями;
- специализированные тренажеры по управлению техническими средствами и подготовке к борьбе за живучесть на различных подвижных объектах;
- системы теоретической подготовки специалистов;
- имитаторы технических средств;
- учебно-действующие образцы.
Системы обучения и тренажеры могут быть как установлены на одном рабочем месте, так и развернуты в рамках локальной сети и сети Интернет с использованием современных презентационных средств и средств коллективного вещания.
Решение может быть и программным, и программно-аппаратным, с использованием реальных приборов, на вход которых подаются сигналы с модели.
Подробности на сайте www.cps.tver.ru Телефон: (4822) 44-32-44 Электронная почта: info@cps.tver.ru
155
