農(nóng)村野外變壓器風(fēng)冷系統(tǒng)自動(dòng)節(jié)能及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙方等

摘要：針對(duì)當(dāng)前農(nóng)村野外變壓器采用模擬溫度傳感器測(cè)溫，利用有線傳輸優(yōu)化遠(yuǎn)程監(jiān)控存在的電路復(fù)雜、數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率高、傳輸距離有限以及風(fēng)冷系統(tǒng)普遍不具備節(jié)能功能等不足，設(shè)計(jì)了以MSP430單片機(jī)和DS18B20數(shù)字溫度傳感器為主要控制器件，以變壓器油面溫度和變壓器負(fù)荷結(jié)合作為控制標(biāo)準(zhǔn)，采用模糊控制算法對(duì)變壓器的風(fēng)冷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)節(jié)能控制。利用GSM網(wǎng)絡(luò)，將變壓器的溫度、風(fēng)機(jī)及溫度傳感器等的運(yùn)行情況以短信息的形式實(shí)時(shí)傳送至管理員手機(jī)和監(jiān)控中心上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)村野外變壓器溫度的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控及自動(dòng)節(jié)能。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能使變壓器溫度在不同負(fù)荷、不同環(huán)境溫度下，保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，利于延長變壓器和風(fēng)機(jī)的壽命和安全運(yùn)行，方便農(nóng)村野外變壓器的集中管理。

關(guān)鍵詞：DS18B20數(shù)字溫度傳感器；MSP430單片機(jī)；GSM遠(yuǎn)程監(jiān)控；節(jié)能

中圖分類號(hào)：TM403.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）17-4304-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.17.052

目前，油浸式變壓器容量大于8 000 kVA的都采用風(fēng)冷裝置，容量在63 MVA以上的變壓器一般均采用強(qiáng)油風(fēng)冷或強(qiáng)油水冷的冷卻方式[1]。引起變壓器運(yùn)行溫度變化的原因主要有變壓器的損耗和環(huán)境氣溫的影響，由于油浸式變壓器易燃、不防火，因此對(duì)于油浸式變壓器的溫度控制至關(guān)重要。變壓器的風(fēng)冷控制設(shè)備大都采用傳統(tǒng)的繼電器控制模式，通過溫度控制器機(jī)械觸點(diǎn)的開閉來控制交流接觸器的線圈，從而接通風(fēng)機(jī)的工作回路。這種模式線路復(fù)雜、器件故障率高，并且變壓器風(fēng)冷系統(tǒng)的工作情況主要靠值班員的不斷巡視來檢測(cè)，尤其對(duì)于農(nóng)村野外農(nóng)用變壓器的管理則需要花費(fèi)大量的人力資源。

為方便農(nóng)村野外分散在不同地區(qū)變壓器的集中管理，設(shè)計(jì)了基于GSM網(wǎng)絡(luò)的變壓器風(fēng)冷系統(tǒng)的節(jié)能及集中管理控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用MSP430單片機(jī)作為控制核心，控制器功耗低、處理速度快、抗干擾能力強(qiáng)，能適應(yīng)復(fù)雜的電磁環(huán)境。風(fēng)冷自動(dòng)控制系統(tǒng)中溫度的檢測(cè)是很重要的環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)采用單總線結(jié)構(gòu)的數(shù)字溫度傳感器DS18B20對(duì)油浸式變壓器上層油面的溫度進(jìn)行測(cè)量，目前變壓器的集中監(jiān)控都是通過無線發(fā)射模塊或RS-485通訊或光纖傳輸?shù)确绞竭M(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳的，變電站電磁干擾很強(qiáng)，所以傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程傳輸方式容易引起數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或丟失。設(shè)計(jì)采用TC35i GSM通信模塊，不需要增加額外的線路就可以實(shí)時(shí)將現(xiàn)場溫度信息經(jīng)由GSM無線通信網(wǎng)絡(luò)以短信息的形式發(fā)送到管理員手機(jī)和監(jiān)控中心上位機(jī)，管理員不需要巡視就可實(shí)時(shí)掌握自己管轄范圍內(nèi)的每臺(tái)變壓器的風(fēng)冷系統(tǒng)的工作情況，而且GSM網(wǎng)絡(luò)傳輸距離不受限制，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)村野外分散使用的變壓器風(fēng)冷系統(tǒng)的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控，有效地延長了變壓器及其風(fēng)冷系統(tǒng)的壽命。

1 整體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的油浸式變壓器溫度自動(dòng)控制及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由3部分組成：一是以MSP430單片機(jī)和數(shù)字溫度傳感器DS18B20為核心的控制終端，設(shè)計(jì)了針對(duì)6個(gè)風(fēng)機(jī)的風(fēng)冷變壓器，具有6個(gè)上層油面溫度取樣點(diǎn)，6個(gè)DS18B20可以掛在一條總線上，測(cè)量電路結(jié)構(gòu)簡單、方便，能夠完成溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)。風(fēng)機(jī)控制電路控制風(fēng)機(jī)的自動(dòng)啟/停，還有溫度顯示、溫度設(shè)定、故障報(bào)警等功能。二是以TC35i通訊模塊和GSM網(wǎng)絡(luò)為核心的變壓器溫度信息及風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)信息的遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)，完成對(duì)變壓器溫度、風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等信息的遠(yuǎn)程傳輸功能。三是用戶手機(jī)終端和監(jiān)控中心上位機(jī)終端，用以接收控制終端的實(shí)時(shí)信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)所管理的變壓器風(fēng)冷系統(tǒng)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制器的選擇

變壓器工作環(huán)境比較復(fù)雜、電磁干擾強(qiáng)，主控制器選擇TI公司的MSP430單片機(jī)，該單片機(jī)具有超低功耗、工作速度快、工作電壓低、抗干擾能力極強(qiáng)[2，3]。MSP430單片機(jī)最小系統(tǒng)由電源電路、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路組成，電源電路采用二極管全波整流、濾波和固定穩(wěn)壓電路和可調(diào)穩(wěn)壓電路組成，可得到系統(tǒng)需要的各種等級(jí)的直流電壓。復(fù)位電路采用專用復(fù)位芯片IMP809以保證可靠復(fù)位，時(shí)鐘采用高頻晶振電路。

2.2 溫度檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

目前，變壓器油浸測(cè)溫方式大都是對(duì)變壓器的頂層油溫通過鉑電阻測(cè)量，電阻信號(hào)通過變送電路轉(zhuǎn)換成4～20 mA電流信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)，這種通過遠(yuǎn)距離傳輸后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的方式，測(cè)量誤差大、抗干擾能力弱。本研究采用了DALLAS公司的數(shù)字溫度傳感器DS18B20，參考ZDGC 1103《110（66）～500 kV油浸式變壓器（電抗器）運(yùn)行規(guī)范》采用強(qiáng)迫風(fēng)冷方式的變壓器最高頂層油溫的允許極限溫度為85 ℃，而DS18B20的測(cè)溫范圍是55～125 ℃，完全可以滿足測(cè)溫要求。該傳感器共3個(gè)引腳——地信號(hào)、數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳和可選擇的VDD引腳，具有低功耗、微型化、高性能、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其獨(dú)特的單總線接口方式，只需一個(gè)引腳即可通信，大大簡化了電路。工作電壓范圍為3.0～5.5 V，可用數(shù)據(jù)線供電，不需要額外電源接入。每一個(gè)DS18B20都有一個(gè)惟一的64位ROM序列碼，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫且不增加額外電路；通過編程可設(shè)置分辨率為9～12位，溫度分辨率可達(dá)0.062 5 ℃，完全可以滿足精度要求。測(cè)量結(jié)果直接以數(shù)字信號(hào)形式輸出，具有很強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力，還可方便于遠(yuǎn)程傳輸。

溫度控制器一般在變壓器的工作現(xiàn)場，本設(shè)計(jì)采用DS18B20本身的數(shù)據(jù)線供電以簡化電路。系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了6個(gè)變壓器上層油溫的取樣點(diǎn)，6個(gè)油溫取樣點(diǎn)的溫度傳感器掛在一條數(shù)據(jù)線上，通過單片機(jī)的P2.2口送給單片機(jī)處理，單片機(jī)根據(jù)每個(gè)DS18B20的ROM序列碼查詢是哪個(gè)取樣點(diǎn)的溫度。溫度檢測(cè)電路如圖2所示。

2.3 鍵盤、顯示、時(shí)鐘及報(bào)警控制電路endprint

顯示及按鍵控制電路的功能是在主控電路的控制下，設(shè)定變壓器的溫度、顯示變壓器的溫度及風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況等信息。該設(shè)計(jì)采用獨(dú)立式鍵盤，共設(shè)置了4個(gè)按鍵：設(shè)置鍵、加鍵、減鍵以及確認(rèn)鍵，通過鍵盤的加鍵、減鍵設(shè)定變壓器在不同時(shí)間所允許的上層油面的溫度。系統(tǒng)選用LCD12864作為顯示器件，以實(shí)時(shí)顯示變壓器的溫度以及風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況和各種報(bào)警信息，LCD12864具有低電壓、低功耗、顯示程序和硬件電路結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)。

系統(tǒng)時(shí)鐘采用美國DALLAS公司的DS1302時(shí)鐘芯片，該芯片具有低功耗、高性能、價(jià)格低廉、使用方便等特點(diǎn)，該芯片自帶RAM可以對(duì)年、月、日、周、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，系統(tǒng)時(shí)鐘的功能是作為整個(gè)控制系統(tǒng)的時(shí)鐘，以記憶故障具體時(shí)間等[3]。系統(tǒng)的報(bào)警電路采用聲光報(bào)警，設(shè)有超溫報(bào)警和風(fēng)機(jī)故障報(bào)警等，通過聲光報(bào)警及時(shí)提醒管理人員及時(shí)做出處理。這些功能分別占據(jù)了MSP430的P1、P2、P4、P5部分I/O端口，其電路圖如圖3所示。

2.4 GSM通訊電路

選用TC35i通訊模塊，TC35i是西門子工業(yè)GSM模塊，支持中文短信息，TC35i由供電模塊、閃存、ZIF連接器、天線接口、射頻模塊等5部分組成，通過接口連接器和天線連接器分別連接SIM卡讀卡器和天線。TC35i的數(shù)據(jù)接口（CMOS電平）通過AT命令可雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)，支持Text和PDU格式的短消息（Short message service，SMS），可通過AT命令或關(guān)斷信號(hào)實(shí)現(xiàn)重啟和故障恢復(fù)[4，5]。

TC35i模塊共有40個(gè)引腳，通過一個(gè)零阻力插座（Zero Insertion Force，ZIF）連接器引出，與單片機(jī)以及PC機(jī)的連接電路圖如圖4所示，TC35i和單片機(jī)之間通過串口P3.6和P3.7連接，由于TC35i的數(shù)據(jù)接口是CMOS電平，MSP430單片機(jī)的I/O口是TTL電平，因此在MSP430單片機(jī)驅(qū)動(dòng)TC35i時(shí)在電路中加了集電極開路的高壓驅(qū)動(dòng)器7407以提供足夠大的電流[6-9]。

GSM模塊與監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)的連接采用串口完成。GSM模塊供電電源采用PC機(jī)內(nèi)部的5 V電源，不用外接電源，方便簡單。PC機(jī)與GSM模塊的通信僅利用了串行口的RXD、TXD和地線三線制完成，串口的DTR和RTS和模塊的控制接口連接，從而既降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度[6，7]，也方便于實(shí)現(xiàn)PC機(jī)和GSM收發(fā)模塊的數(shù)據(jù)交換，降低了系統(tǒng)成本，提高了系統(tǒng)的靈活性。單片機(jī)檢測(cè)到的溫度信息，通過驅(qū)動(dòng)TC35i使之與所連接的SIM卡1發(fā)送至管理員手機(jī)和上位機(jī)管理中心計(jì)算機(jī)（連接SIM卡2），從而實(shí)現(xiàn)了利用免費(fèi)的GSM網(wǎng)絡(luò)對(duì)變壓器的溫度進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和實(shí)時(shí)監(jiān)控（即隨身攜帶的手機(jī)），實(shí)現(xiàn)了雙重保險(xiǎn)。

3 算法及軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)溫算法及指標(biāo)

變壓器油的頂層油溫由DS18B20傳感器測(cè)得，繞組溫度通過對(duì)線圈電流采樣、A/D轉(zhuǎn)換后計(jì)算送到控制器的P2.3端口，變壓器溫度的計(jì)算公式如下：

示值溫度=油溫（傳感器溫度）+繞組溫度

其中，繞組溫度=20 ℃×i2，i為繞組電流，繞組電流由電流傳感器測(cè)得，繞組電流范圍是0～2 A，對(duì)應(yīng)的線圈溫度范圍是0～80 ℃。

性能指標(biāo)：①溫度測(cè)量范圍為0～100 ℃，繞組電流對(duì)應(yīng)的溫度范圍0～80 ℃。②分辨力：溫度傳感器0.062 5 ℃，繞組電流對(duì)應(yīng)溫度0.75 ℃。③精度：溫度傳感器±0.5 ℃，線圈電流對(duì)應(yīng)溫度±2.0 ℃。

3.2 控制算法及軟件流程圖

本設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際情況把油浸式變壓器的風(fēng)冷系統(tǒng)的6個(gè)風(fēng)機(jī)分成3組，溫度劃分為4個(gè)區(qū)間，當(dāng)溫度低于45 ℃時(shí)，全部風(fēng)機(jī)不工作；當(dāng)溫度達(dá)到45 ℃時(shí)，啟動(dòng)1組風(fēng)機(jī)工作；當(dāng)溫度達(dá)到55 ℃時(shí)，啟動(dòng)2組風(fēng)機(jī)工作；當(dāng)溫度達(dá)到65 ℃時(shí)，啟動(dòng)3組風(fēng)機(jī)工作；當(dāng)油溫下降到65、55、45 ℃時(shí)，分別切除1組、2組、3組風(fēng)機(jī)，當(dāng)溫度超過75 ℃時(shí)報(bào)警，同時(shí)將報(bào)警信息及時(shí)傳送到上位機(jī)監(jiān)控中心，據(jù)此采用模糊控制算法設(shè)計(jì)軟件程序。同時(shí)單片機(jī)記錄每組風(fēng)機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，運(yùn)行時(shí)間長的風(fēng)機(jī)在被測(cè)溫度低時(shí)停止工作，以保證各組風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間相等，避免其中一組風(fēng)機(jī)工作時(shí)間過長提前損壞，并且掉電后數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)保存以保證記錄的風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間不丟失，也實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)的節(jié)能運(yùn)行。

以單片機(jī)為核心的控制終端程序設(shè)計(jì)主要包括主程序和各個(gè)子程序，主程序主要完成對(duì)MSP430單片機(jī)各個(gè)端口進(jìn)行初始化設(shè)置，子程序有顯示子程序、鍵盤子程序、故障報(bào)警子程序、GSM無線通訊子程序、溫度控制子程序等。

其主程序流程圖和溫度控制子程序流程圖如圖5和圖6所示。

3.3 上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控軟件采用VC++作為開發(fā)語言，上位機(jī)監(jiān)控軟件系統(tǒng)中設(shè)有系統(tǒng)配置、幫助、遠(yuǎn)程溫度設(shè)定、故障顯示、查詢等功能。系統(tǒng)配置中可以設(shè)置通訊端口號(hào)、波特率等參數(shù)。通過配置GSM模塊TC35i的工作模式使其與上位機(jī)之間實(shí)現(xiàn)信息的交互，軟件中還設(shè)有數(shù)據(jù)庫，管理員可隨時(shí)查看每個(gè)變壓器溫度的實(shí)時(shí)信息及歷史信息。上位機(jī)監(jiān)控界面如圖7所示。

本軟件在測(cè)試中監(jiān)控了野外兩臺(tái)變壓器，可以通過軟件系統(tǒng)菜單中的添加功能添加更多的被監(jiān)控變壓器。

4 樣機(jī)試驗(yàn)情況

本設(shè)計(jì)做出了試驗(yàn)樣機(jī)，并在某村進(jìn)行了試運(yùn)行，結(jié)果表明，當(dāng)油溫低于45 ℃時(shí)，無風(fēng)機(jī)運(yùn)行，當(dāng)油溫在45～55 ℃時(shí)，一組風(fēng)機(jī)投入運(yùn)行；當(dāng)油溫在55～65 ℃時(shí)，兩組風(fēng)機(jī)投入運(yùn)行；當(dāng)油溫在65～75 ℃時(shí)，三組風(fēng)機(jī)投入運(yùn)行；超過75 ℃時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，手機(jī)和上位機(jī)均收到了詳細(xì)的報(bào)警信息，并按照三組風(fēng)機(jī)的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間自動(dòng)進(jìn)行循環(huán)切換。裝置運(yùn)行情況良好，達(dá)到了預(yù)期的目的。

5 小結(jié)

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了變壓器溫度的精確測(cè)量和風(fēng)機(jī)靈活多樣的節(jié)能控制方式，有效延長了變壓器和控制風(fēng)機(jī)的使用壽命。通過GSM網(wǎng)絡(luò)將各種信息上傳至監(jiān)控中心和管理員手機(jī)，實(shí)現(xiàn)了變壓器溫度的遠(yuǎn)程監(jiān)控，管理員可以實(shí)時(shí)監(jiān)控管轄范圍內(nèi)的變壓器溫度，降低了不必要的損失。另外，該系統(tǒng)組網(wǎng)方便，低成本的無線網(wǎng)絡(luò)的使用避免了遠(yuǎn)距離布線帶來的不便，全部系統(tǒng)可以方便地應(yīng)用到不同的變電站、農(nóng)村野外變壓器的集中管理等方面，具有良好的人機(jī)接口，在配、變電中，尤其是在農(nóng)村野外農(nóng)用變壓器的監(jiān)控中具有廣泛的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

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