基于某電廠油浸式變壓器油色譜數(shù)據(jù)傳輸問題解析

穆 寶

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

0 引言

大型油浸式變壓器在正常運(yùn)行過程中，由于油和絕緣裝置會(huì)逐漸老化、變質(zhì)，會(huì)逐漸分解出極少量的氣體，例如氫氣（H2）、甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）等[1，2]。當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生過熱性故障、放電性故障或由于密封老化等造成的內(nèi)部受潮時(shí)，對(duì)應(yīng)的特征氣體會(huì)呈現(xiàn)異樣的變化。而這些變化在故障早期很難通過簡(jiǎn)單的電氣試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，只有通過對(duì)變壓器油進(jìn)行油質(zhì)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，但油質(zhì)分析的周期一般為1～3個(gè)月不等，時(shí)效性較低，故油浸式變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置可以在故障早期發(fā)現(xiàn)故障隱患，針對(duì)故障問題制定相關(guān)的處理方案，有利于盡早消除故障[3]。

圖1 一號(hào)機(jī)組油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of the distribution of oil chromatography online monitoring devices in unit 1

油浸式變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置，采取氣相色譜法對(duì)變壓器油中溶解的氣體進(jìn)行組分及含量的分析。由于每個(gè)特征氣體析出的速度及時(shí)間不同，反映在后臺(tái)服務(wù)器程序中每種氣體對(duì)應(yīng)的波峰不同，即特征峰。通過峰值的大小來對(duì)特征氣體的含量進(jìn)行測(cè)量[4，5]，當(dāng)特征氣體含量超過其設(shè)定值時(shí)，會(huì)根據(jù)數(shù)值大小觸發(fā)一級(jí)告警、二級(jí)告警、警告。

某電廠兩臺(tái)機(jī)組共有12臺(tái)油浸式變壓器配備油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置，由于安裝的時(shí)間相差較大，首臺(tái)監(jiān)測(cè)裝置安裝于2011年，最后一臺(tái)安裝于2022年，設(shè)備廠家升級(jí)周期較短，12臺(tái)油色譜監(jiān)測(cè)裝置的關(guān)鍵部件也不一致。油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置中的氣體分析探頭及色譜柱分為兩種，一種為單色譜柱模式，另一種為雙色譜柱模式。單色譜柱存在于6臺(tái)主變壓器的油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置中，其余4臺(tái)廠用變壓器及兩臺(tái)輔助變壓器的油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置均為雙色譜柱模式。

1 油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置數(shù)據(jù)傳輸模式

數(shù)據(jù)的傳輸一般分為有線傳輸和無線傳輸，無線傳輸利用電磁波進(jìn)行信息的傳遞，有線傳輸是用線纜進(jìn)行信息的傳遞，例如光纖、同軸電纜、雙絞線等。

該電廠兩臺(tái)機(jī)組12臺(tái)油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置均采用有線傳輸方式，即通過RS485線纜進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，且油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置之間數(shù)據(jù)線纜均采用星型接法。

1.1 一號(hào)機(jī)組油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置分布及數(shù)據(jù)傳輸

一號(hào)機(jī)共布置了7臺(tái)油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置，分別為3臺(tái)主變壓器（主變A、主變B、主變C）油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置、兩臺(tái)廠用變壓器（廠變A、廠變B）油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置、兩臺(tái)輔助變壓器（1#輔助變、2#輔助變）油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置，各在線監(jiān)測(cè)裝置間均由RS485線纜進(jìn)行連接，數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)服務(wù)器后臺(tái)的RS485總線在主變A油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)，總線之下共有4條支路，分別為：

1）1#輔助變油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置連接到2#輔助變油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置，再由2#輔助變油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置連接到主變A油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)。

2）廠變A油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置連接到主變A油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)。

3）廠變B油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置連接到主變B油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)，主變C油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置連接到主變B油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)，再由主變B油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置連接到主變A油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)。

4）主變A油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置自身。

1.2 二號(hào)機(jī)組油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置分布及數(shù)據(jù)傳輸

二號(hào)機(jī)共安裝了5臺(tái)油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置，分別為3臺(tái)主變壓器（主變A、主變B、主變C）油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置、兩臺(tái)廠用變壓器（廠變A、廠變B）油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置，各在線監(jiān)測(cè)裝置間均由RS485線纜進(jìn)行連接，數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)服務(wù)器后臺(tái)的RS485總線在主變A油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)，總線之下共有3條支路，分別為：

1）廠變A油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置連接到主變A油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)。

2）廠變B油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置連接到主變B油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)，主變C油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置連接到主變B油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)，再由主變B連接到主變A油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)。

3）主變A油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置自身。

2 油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置數(shù)據(jù)傳輸問題及解決方案

RS485線纜有兩線制（半雙工）和四線制（全雙工）兩種接線，四線制可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式，但與雙線制接線相比，其數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性較差。當(dāng)RS485線纜的應(yīng)用環(huán)境屬于短距離、無干擾的場(chǎng)合時(shí)可以采用普通的雙絞線，在干擾惡劣的環(huán)境或者有較高使用要求時(shí)還應(yīng)采用帶有鎧裝的雙絞屏蔽線[6]。理論上，當(dāng)通信速率在100Kbps及以下時(shí)，RS485線纜數(shù)據(jù)信號(hào)的最遠(yuǎn)傳輸距離為1200m[7，8]。在RS485通信網(wǎng)絡(luò)中一般采用的是主從通信方式，即一個(gè)主機(jī)帶多個(gè)從機(jī)[9]。

該電廠兩臺(tái)機(jī)組12臺(tái)油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置數(shù)據(jù)傳輸采用的RS485線纜均為帶有鎧裝屏蔽層的雙絞四芯電纜即全雙工方式，四芯電纜分別對(duì)應(yīng)油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置的A、B、Z、Y，在接線過程中要注意區(qū)分四芯所對(duì)應(yīng)的位置，當(dāng)線芯對(duì)應(yīng)錯(cuò)誤時(shí)監(jiān)測(cè)服務(wù)器后臺(tái)將無法接收到數(shù)據(jù)信息，此時(shí)打開后臺(tái)調(diào)試工具會(huì)顯示通訊不通，數(shù)據(jù)無法上傳。

二號(hào)機(jī)組5臺(tái)油色譜監(jiān)測(cè)裝置數(shù)據(jù)傳輸采用的RS485線纜均使用四芯一一對(duì)應(yīng)的連接方式，485布線采取的為星型接法，但由于其3條支路與上傳總線之間的距離較近，未產(chǎn)生數(shù)據(jù)的影響，數(shù)據(jù)上傳較為穩(wěn)定，具體連接方式如圖3。

圖2 二號(hào)機(jī)組油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置分布示意圖Fig.2 Schematic diagram of the distribution of oil chromatography online monitoring devices in unit 2

圖3 二號(hào)機(jī)組油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置485布線方式及數(shù)據(jù)傳輸示意圖Fig.3 Schematic diagram of wiring method and data transmission of oil chromatography online monitoring device 485 in unit 2

一號(hào)機(jī)組在兩臺(tái)輔助變壓器未加裝油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置前與二號(hào)機(jī)組采取完全相同的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)上傳較為穩(wěn)定。當(dāng)兩臺(tái)輔助變壓器加裝了油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置后，連接到總線的支路由原來的3條支路增加為4條支路，如圖4。

圖4 一號(hào)機(jī)組油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置485布線方式及數(shù)據(jù)傳輸示意圖Fig.4 Schematic diagram of wiring mode and data transmission of oil chromatography online monitoring device 485 in Unit 1

且2#輔助變油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置到主變A油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置距離接近400m，在上電調(diào)試時(shí)出現(xiàn)了監(jiān)測(cè)服務(wù)器后臺(tái)無法實(shí)現(xiàn)與兩臺(tái)輔助變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)連接的情況，具體分析及解決方式如下：

首先，考慮是否為兩臺(tái)輔助變油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置自身存在問題。檢查色譜在線監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)油出油正常，裝置面板無報(bào)警信號(hào)，使用專用調(diào)試軟件對(duì)1#輔助變油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置及2#輔助變油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行單體測(cè)試，結(jié)果顯示數(shù)據(jù)分析及數(shù)據(jù)傳輸正常，排除自身存在的問題。

其次，考慮是否為2#輔助變油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置到主變A油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置新敷設(shè)的RS485線纜存在問題。使用絕緣電阻測(cè)試儀測(cè)量RS485線纜4芯之間及4芯對(duì)地的絕緣電阻，滿足使用要求，排除線纜存在問題，且使用萬(wàn)用表對(duì)線纜4芯進(jìn)行核相并標(biāo)注，進(jìn)而排除4芯對(duì)應(yīng)錯(cuò)誤問題。

再者，考慮是否為多支路數(shù)據(jù)傳輸衰減嚴(yán)重，導(dǎo)致無法連接。將4條支路轉(zhuǎn)接點(diǎn)處油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)主板上S4/S5/S6跳線帽拔掉以增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘?hào)，經(jīng)監(jiān)測(cè)服務(wù)器后臺(tái)驗(yàn)證仍無法連接，排除數(shù)據(jù)衰減導(dǎo)致無法連接。

最后，考慮是否為多支路星型接法產(chǎn)生的信號(hào)反射導(dǎo)致總線不穩(wěn)定，進(jìn)而導(dǎo)致無法連接的問題。將2#輔助變油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置數(shù)據(jù)線纜在主變A油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)與監(jiān)測(cè)服務(wù)器后臺(tái)數(shù)據(jù)線纜直接連接，經(jīng)監(jiān)測(cè)服務(wù)器后臺(tái)驗(yàn)證兩臺(tái)輔助變油色譜各項(xiàng)數(shù)據(jù)顯示正常；將另外3條支路中的兩條支路分別與監(jiān)測(cè)服務(wù)器后臺(tái)數(shù)據(jù)線纜進(jìn)行連接，此時(shí)支路為3條，經(jīng)過3次試驗(yàn)驗(yàn)證后，油色譜各項(xiàng)數(shù)據(jù)均顯示正常。因此得出結(jié)論：導(dǎo)致監(jiān)測(cè)服務(wù)器后臺(tái)無法實(shí)現(xiàn)與兩臺(tái)輔助變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)連接的原因?yàn)槎嘀沸切徒臃óa(chǎn)生的信號(hào)反射導(dǎo)致的總線不穩(wěn)。

集線器的主要功能是對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行再次放大，同時(shí)把所有節(jié)點(diǎn)集中在以集線器為中心的節(jié)點(diǎn)上。根據(jù)使用場(chǎng)景的不同，集線器所對(duì)應(yīng)的信號(hào)端口也有一定的差異，有雙端口、四端口、八端口等，還可根據(jù)需要對(duì)集線器進(jìn)行串接使用，在高可靠性的前提下最多可同時(shí)串接128個(gè)集線器。

RS-485集線器（HUB）可解決RS485線纜多支路星型接法產(chǎn)生信號(hào)反射的問題，每個(gè)輸入端口互相隔離，且均具有短路和開路保護(hù)，信號(hào)傳輸不受距離的影響。當(dāng)集線器的任一輸入端口出現(xiàn)故障時(shí)，僅會(huì)影響到自身數(shù)據(jù)傳輸而不會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸及通信的可靠性[10，11]。由于一號(hào)機(jī)組油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置使用的RS485線纜為4芯且與總線連接的為4條支路，因而選用的集線器為4支路輸入（T/R1+、T/R1-、T/R2+、T/R2-、T/R3+、T/R3-、T/R4+、T/R4-），輸 出 端 為485+、485-，24V電源正極為VCC，24V電源負(fù)極為GND，輸入端與輸出端分列集線器的兩側(cè)。

RS-485集線器每條支路的輸入端為兩個(gè)端子，一號(hào)機(jī)組油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置使用的RS485線纜均為4芯，故需要對(duì)油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置的數(shù)據(jù)線纜進(jìn)行改造，即將油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置的數(shù)據(jù)線纜的A/Y短接，B/Z短接，具體布線方式為：2#輔助變油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置數(shù)據(jù)線纜的A/Y短接后接入集線器的T/R1+，線纜的B/Z短接后接入集線器的T/R1-；廠變A油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置數(shù)據(jù)線纜A/Y短接后接入集線器的T/R2+，線纜的B/Z短接后接入集線器的T/R2-；主變B油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置數(shù)據(jù)線纜A/Y短接后接入集線器的T/R3+，線纜的B/Z短接后接入集線器的T/R3-；主變A油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置數(shù)據(jù)線纜A/Y短接后接入集線器的T/R4+，線纜的B/Z短接后接入集線器的T/R4-。監(jiān)測(cè)服務(wù)器后臺(tái)數(shù)據(jù)線纜A/Y短接后接入集線器的485+，線纜的B/Z短接后接入集線器的485-。集線器的供電電源選用的為主變A油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)直流24V電源，其中Vcc接入正極，GND接入負(fù)極。

油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置改造完成之后，數(shù)據(jù)傳輸方式如圖5。

圖5 改造后一號(hào)機(jī)組油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置485布線方式及數(shù)據(jù)傳輸示意圖Fig.5 Schematic diagram of wiring mode and data transmission of oil chromatography online monitoring device 485 in unit 1 after renovation

監(jiān)測(cè)服務(wù)器后臺(tái)主機(jī)內(nèi)有選擇器S1，其作用為匹配上傳總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，可選擇雙線模式或四線模式。由于一號(hào)機(jī)組與二號(hào)機(jī)組的數(shù)據(jù)傳輸方式不同，一號(hào)機(jī)改造后屬于雙線模式（半雙工），二號(hào)機(jī)屬于四線模式（全雙工），因而一號(hào)機(jī)組所對(duì)應(yīng)S1的1端子需要修改為雙線模式，其最終總體數(shù)據(jù)傳輸模式如圖6，二號(hào)機(jī)組所對(duì)應(yīng)S1的2端子為四線模式，其最終總體數(shù)據(jù)傳輸模式如圖7。

圖6 一號(hào)機(jī)組油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置最終數(shù)據(jù)傳輸示意圖Fig.6 Schematic diagram of the final data transmission of the oil chromatography online monitoring device of unit 1

圖7 二號(hào)機(jī)組油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置最終數(shù)據(jù)傳輸示意圖Fig.7 Schematic diagram of the final data transmission of the oil chromatography online monitoring device of unit 2

一號(hào)機(jī)組油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置經(jīng)過集線器及調(diào)整S1-1的模式后，經(jīng)監(jiān)測(cè)服務(wù)器后臺(tái)驗(yàn)證數(shù)據(jù)傳輸及通信正常，且調(diào)用數(shù)據(jù)時(shí)一號(hào)機(jī)組油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置應(yīng)答速度遠(yuǎn)超于二號(hào)機(jī)組，解決了一號(hào)機(jī)組新增加的兩臺(tái)輔助變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置無法與監(jiān)測(cè)服務(wù)器后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸及通信的難題。

3 結(jié)論

油浸式變壓器配備油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置的目的是為了能在發(fā)生突發(fā)事故之前及各種潛伏性故障未爆發(fā)前及時(shí)發(fā)現(xiàn)端倪，通過對(duì)特征氣體的分析來給出必要的警告，因此油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置的數(shù)據(jù)傳輸就顯得至關(guān)重要。

采用RS485線纜的布線來連接，可以隨意地布置成各種星型連接或樹形連接。當(dāng)由于現(xiàn)場(chǎng)各種情況的限制影響而無法按照手牽手的方式布線時(shí)，容易造成信號(hào)反射導(dǎo)致上傳總線不穩(wěn)定。該電廠油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置的布線方式為星型連接，一號(hào)機(jī)組由于前期數(shù)據(jù)線纜支路較少且距離相差較小，數(shù)據(jù)上傳較為穩(wěn)定。當(dāng)增加數(shù)據(jù)線纜支路后且距離相差較大，其信號(hào)反射情況顯現(xiàn)明顯，導(dǎo)致上傳總線無法與較遠(yuǎn)支路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸及通信。在上傳總線的前端增加485集線器后，并將數(shù)據(jù)傳輸模式改為雙線模式后，消除了RS485線纜多支路星型連接所帶來的信號(hào)反射影響，保證了上傳總線的穩(wěn)定性，提高了數(shù)據(jù)傳輸及通信的可靠性，并且改善了油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置的應(yīng)答速度，進(jìn)而保障了油浸式變壓器的可靠運(yùn)行。