基于3G通信和LabVIEW的配電變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)

【摘要】本文采用TD-SCDMA（3G）通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對配電變壓器監(jiān)測參數(shù)的遠(yuǎn)程在線傳輸，并利用LabVIEW虛擬儀器技術(shù)開發(fā)監(jiān)測主站（上位機(jī)）軟件，對配電變壓器運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行分析、處理與顯示，實(shí)現(xiàn)資源共享和遠(yuǎn)程監(jiān)測。

【關(guān)鍵詞】TD-SCDMA（3G）；LabVIEW；配電變壓器；在線監(jiān)測

引言

配電變壓器在電力系統(tǒng)中具有設(shè)備數(shù)量多、需監(jiān)控范圍廣、監(jiān)控數(shù)據(jù)量大、配置分散的特點(diǎn)，需要采集和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很大，基于GPRS/GSM等2G網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測系統(tǒng)因數(shù)據(jù)傳輸速率較低已無法滿足對配變進(jìn)行高質(zhì)量實(shí)時監(jiān)測的要求。

本文針對電力系統(tǒng)對配電變壓器的監(jiān)測要求，設(shè)計(jì)了基于中國移動的TD–SCDMA（3G）通信網(wǎng)絡(luò)的配變遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)，借助3G網(wǎng)絡(luò)的高速率、高抗干擾性、高頻譜利用率、高靈活性和低成本等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，可全面實(shí)現(xiàn)對配電變壓器的運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時采集和高速傳輸。同時，為滿足對大量的配變運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和信息管理的要求，在上位機(jī)中利用美國國家儀器（NI）公司的LabVIEW軟件開發(fā)了配變運(yùn)行參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、波形顯示和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

1、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由配變監(jiān)測終端和監(jiān)測主站（上位機(jī)）兩大部分組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。監(jiān)測終端安裝在配電變壓器現(xiàn)場，實(shí)現(xiàn)對配電變壓器的三相電參量、變壓器油溫等信號的采集、上傳和就地監(jiān)測功能，配置于不同地理位置的多個監(jiān)測終端通過3G通信網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)測主站；監(jiān)測主站利用LabVIEW軟件完成人機(jī)操作、信號分析、數(shù)據(jù)顯示、系統(tǒng)管理和給各監(jiān)測終端發(fā)送命令的功能，并兼有數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控、資源共享等功能。

2、配變監(jiān)測終端

綜合考慮系統(tǒng)對配電變壓器在線監(jiān)測的精度、速率、穩(wěn)定性、可靠性、成本等指標(biāo)要求，以ATmega128單片機(jī)為核心，結(jié)合三相電參量測量模塊、3G模塊和溫度變送器，設(shè)計(jì)綜合性能優(yōu)良的配電遠(yuǎn)程監(jiān)測終端，負(fù)責(zé)對配電變壓器的三相電參量運(yùn)行數(shù)據(jù)以及油溫數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過3G網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測主站進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信。

2.1 三相電參量測量

電參量測量選用山東力創(chuàng)科技有限公司的EDA9033D智能型三相電參數(shù)綜合采集模塊，配變二次側(cè)的三相電信號經(jīng)PT、CT進(jìn)行信號調(diào)理后接入EDA9033D模塊，該模塊以ARM7嵌入式處理器為核心，可實(shí)現(xiàn)對三相電壓、三相電流、有功/無功功率、功率因數(shù)、基波有功/無功、諧波有功、基波無功、頻率、正反向有功電量、正反向無功電量等電參數(shù)的高精度計(jì)量和存儲，電量測量精度達(dá)0.5級，數(shù)據(jù)更新周期最小可達(dá)40ms，并具有超限報警和脈沖輸出功能。

EDA9033D模塊的工作由ATmega128單片機(jī)進(jìn)行控制，考慮抗電磁干擾和傳輸距離等方面的要求，二者通過RS-485總線進(jìn)行通信（圖1中ATmega128的串口0經(jīng)RS-232 TO RS-485轉(zhuǎn)換電路后與EDA9033D的二線制RS-485接口相連）。ATmega128單片機(jī)一方面將監(jiān)測主站通過3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送來的控制命令轉(zhuǎn)換成MODBUS-RTU通訊規(guī)約語句后，發(fā)送給EDA9033D模塊以設(shè)置其測量數(shù)據(jù)類型、量程、采樣周期、報警上下限、通信速率等工作參數(shù)，另一方面將EDA9033D測量到的配變運(yùn)行參數(shù)通過3G模塊上傳至監(jiān)測主站，同時，ATmega128配置有LCD觸摸屏，供工作人員在現(xiàn)場與監(jiān)測終端進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取、參數(shù)設(shè)置等人機(jī)交互操作。

2.2 變壓器油溫測量

本系統(tǒng)將Pt100熱電阻插入配變的測溫孔，通過溫度變送器將油溫轉(zhuǎn)換為1～5V DC標(biāo)準(zhǔn)電壓信號后，由ATmega128單片機(jī)使用自帶的10位ADC進(jìn)行采樣，在對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和非線性校正后計(jì)算出配變油溫，并根據(jù)監(jiān)測主站的控制命令將油溫數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)測主站，以反映運(yùn)行負(fù)荷和環(huán)境溫度等參數(shù)。

2.3 3G通信系統(tǒng)的選擇

本系統(tǒng)采用中國移動TD-SCDMA（3G）標(biāo)準(zhǔn)的CM8250P模塊（廈門才茂通信科技有限公司產(chǎn)品）作為連接監(jiān)測終端和監(jiān)測主站的通信節(jié)點(diǎn)。

在設(shè)計(jì)中采用了配變監(jiān)測終端與監(jiān)測中心（上位機(jī)）間通過TD-SCDMA（3G）網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)結(jié)合的組網(wǎng)方案。配變監(jiān)測終端中的ATmega128主控制器通過RS-232串口（圖1中的串口1）與CM8250P（3G）模塊連接，利用CM8250P登陸3G網(wǎng)絡(luò)，再與連接在Internet的網(wǎng)上監(jiān)測主站建立連接，然后將采集到的配變?nèi)嚯妳⒘亢陀蜏財?shù)據(jù)經(jīng)3G網(wǎng)絡(luò)上傳至監(jiān)測中心。為提高通信的可靠性和穩(wěn)定性，監(jiān)測中心配置為公網(wǎng)固定IP，同時，為簡化軟件設(shè)計(jì)，監(jiān)測主站使用TCP2COM軟件將CM8250P模塊上傳的TCP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為虛擬串口COM數(shù)據(jù)，在LabVIEW虛擬儀器軟件應(yīng)用VISA串口讀寫工具進(jìn)行串口讀寫。監(jiān)測主站下發(fā)的控制命令也是利用TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)經(jīng)CM8250P模塊發(fā)送給監(jiān)測終端。

3、監(jiān)測主站設(shè)計(jì)

LabVIEW是美國NI公司推出的一款基于PC平臺的圖形化編程開發(fā)環(huán)境，擁有豐富的函數(shù)庫和工具包，支持常用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、信號處理、可視化分析和網(wǎng)絡(luò)化測控功能。利用LabVIEW開發(fā)虛擬儀器，具有開發(fā)時間短、成本低、功能靈活、可移植性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已在電力系統(tǒng)測控領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[4-6]。本系統(tǒng)基于LabVIEW開發(fā)配電變壓器監(jiān)測主站軟件，主要完成配變數(shù)據(jù)的讀取與顯示、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)庫管理等功能

3.1 配電變壓器監(jiān)測數(shù)據(jù)的讀取與波形顯示

利用LabVIEW的VISA工具模板中的VISA configure Serial Port.vi配置好串口參數(shù)后，即可利用VISA 讀取.vi獲取經(jīng)虛擬串口COM中上傳的配變監(jiān)測數(shù)據(jù)。監(jiān)控終端上傳的數(shù)據(jù)幀格式為“01 03 00 gg hh ii jj kk An data1 data2 data3 data4 data5 data6”，共15個字節(jié)，其中g(shù)g、hh、ii、jj、kk等5個字節(jié)根據(jù)讀取的三相電參量的通訊規(guī)約來確定。An中的n范圍為1～C，對應(yīng)需監(jiān)測的十二組數(shù)據(jù)，上位機(jī)能根據(jù)該字節(jié)判斷本數(shù)據(jù)幀對應(yīng)哪組參數(shù)，data1～data6則為真正要處理和顯示的數(shù)據(jù)，配變?nèi)嚯妳⒘康臄?shù)據(jù)是以補(bǔ)碼形式上傳的，需要轉(zhuǎn)換為原碼之后才能進(jìn)行顯示，例如，三相有功功率數(shù)據(jù)讀取和處理顯示的程序框圖如圖2所示。

在監(jiān)控界面中使用9個波形圖表模板顯示三相電參量曲線，界面如圖3所示。

監(jiān)測主站還通過自定義的通信協(xié)議，向監(jiān)測終端發(fā)送控制命令，設(shè)置監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)采集與上傳周期、數(shù)據(jù)類型等參數(shù)，控制命令數(shù)據(jù)幀格式為“EB 0B x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 91”共11個字節(jié)，其中EB為起始字節(jié)，0B為幀長度，x1為數(shù)據(jù)上傳與否的控制位，x2為數(shù)據(jù)采集的周期設(shè)定參數(shù)，當(dāng)x2為00、01、02、03時，數(shù)據(jù)采集上傳周期分別為1s、2s、5s、10s；x8為通信協(xié)議的校驗(yàn)和，監(jiān)測終端命令幀的x8=0B+x1+x2+x3+x4+x5+x6+x7，則說明接收到的命令數(shù)據(jù)無誤。

監(jiān)測主站不僅能對變壓器運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，還可以利用LabVIEW的數(shù)據(jù)分析模板，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析實(shí)現(xiàn)故障報警、異常事件診斷與處理等功能。

配變監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢界面如圖4所示。

4、結(jié)束語

本系統(tǒng)基于3G通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對配變電壓器的運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時在線監(jiān)測，并利用功能強(qiáng)大的LabVIEW虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建監(jiān)測主站，相對于傳統(tǒng)的配變監(jiān)測儀器具有成本低、功能靈活的優(yōu)點(diǎn)，能隨時監(jiān)測變壓器的工作狀況和相應(yīng)地分析實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)對突發(fā)事故進(jìn)行預(yù)測，避免惡性事故發(fā)生。

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