預裝式變電站主設備智能化監(jiān)測終端設計與實現(xiàn)

作者/陳華山、劉憲成，河海大學常州校區(qū)信息中心

預裝式變電站主設備智能化監(jiān)測終端設計與實現(xiàn)

作者/陳華山、劉憲成，河海大學常州校區(qū)信息中心

預裝式變電站主設備智能化監(jiān)測終端采用模塊化設計，主要涵蓋了主電量數(shù)據(jù)采樣模塊、CPU 模塊、環(huán)境參數(shù)采樣模塊、高低壓開關驅動模塊以及風機驅動模塊。設計與實現(xiàn)各模塊硬件電路的同時，對各模塊中核心元器件進行了詳細的選型闡述。

預裝式變電站；智能化監(jiān)測；物聯(lián)網(wǎng)技術；變壓器

近年來，我國國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，帶動了經(jīng)濟發(fā)展基礎產(chǎn)業(yè)電力行業(yè)的迅速崛起。國家電網(wǎng)公司順應發(fā)展需求，提出“建設堅強智能電網(wǎng)”的建設目標，旨在建立“三集五大”的全國大電網(wǎng)體系構架，以此來實現(xiàn)電力供應的高效與可靠。在這樣一張“電力大網(wǎng)”中，樞紐變電站的核心設備—電力變壓器當仁不讓的成為了關鍵之一，直接影響著電網(wǎng)供電的安全和可靠。雖然現(xiàn)代電力變壓器配備有數(shù)量眾多、功能已較為全面的繼電保護裝置和運行控制設備，但隨著其在電網(wǎng)中運行時間的不斷增加，變壓器部件故障進而導致局部事故并不能完全避免。一旦發(fā)生故障或事故，即便有提前的相關預案應急，也不能保證供電中斷完全不影響居民的正常生活與企業(yè)的正常生產(chǎn)。因此，針對變壓器運行的特殊性與復雜性，如何多方位、多角度、有效監(jiān)測變壓器，分析判斷是否處于異常狀態(tài)、是否存在潛在故障，以此為依據(jù)制定相應的設備壽命管理方案與設備檢修策略，提高電力變壓器運行可靠性，以確保電網(wǎng)安全運行，一直都是國內(nèi)外電力行業(yè)探索解決的重要課題之一，有著重要的現(xiàn)實意義。

1. 預裝式變電站系統(tǒng)組成及原理

預裝式變電站是一種戶外成套變電站的新型變電設備，采用標準化和模塊化集成設計技術，整個設備包括五大模塊如圖1所示。

圖1 預裝式變電站系統(tǒng)組成模塊

將上述五大模塊在工廠內(nèi)預制，艙式組合，模塊化運送，現(xiàn)場土建完成后一次性吊裝，整體聯(lián)調(diào)，即可快速建成變電站，對現(xiàn)有預裝式變電站監(jiān)測系統(tǒng)升級，拓展物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控功能。

智能預裝式變電站能實現(xiàn)在運行智能系統(tǒng)的基礎上，通過通信網(wǎng)絡方式與其他設備進行實時交互的功能。內(nèi)部集成各種無線傳感器和執(zhí)行單元，實現(xiàn)智能化監(jiān)測，從而保證設備的穩(wěn)定和安全運行。將預裝式變電站各設備的運行參數(shù)和結構信息輸入到智能執(zhí)行單元中，工作時各無線傳感器實時采集信息，進行運行狀態(tài)的分析和評估，同時根據(jù)與其他設備通信接收到的指令，不斷的調(diào)整運行狀態(tài)。

變壓器是預裝式變電站的核心組成部分。變壓器的智能化程度對電力系統(tǒng)有著深遠的影響。智能變壓器的組成部分包括變壓器、監(jiān)測運行狀態(tài)的傳感器單元、執(zhí)行器、標準化通信網(wǎng)絡、智能組件和智能輔助設施。其中，智能組件包括變壓器智能化單元TIED，計量單元，監(jiān)測單元，保護單元，控制單元，通訊單元和電源管理系統(tǒng)。智能化預裝式變電站在模塊集成組合、綜合體設計技術與導向散熱技術、智能化程度等方面具有獨特性和創(chuàng)新性，與傳統(tǒng)產(chǎn)品比較，有著較強的競爭力和實用性。

2. 預裝式變電站主設備監(jiān)測終端設計與實現(xiàn)

預裝式變電站主設備智能化監(jiān)測終端由主電量數(shù)據(jù)采樣模塊、CPU模塊、電力設備開關驅動模塊，環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊、RS—485接口等組成。在預裝式變電站主設備智能化監(jiān)測系統(tǒng)中，本文所設計的主電量數(shù)據(jù)采樣硬件采集的是變壓器部分輸出的三相電流和三相電壓，轉化為小電壓信號給微處理器的A/D轉換模塊；電力設備開關驅動模塊則采用光電隔離法，當出現(xiàn)異常情況時，驅動電力設備各組件，本文中驅動電路有風機驅動電路、高壓開關和低壓開關驅動電路；環(huán)境監(jiān)測終端中，溫濕度傳感器分別采集預裝式變電站環(huán)境溫度和濕度，并轉化為數(shù)字量傳輸給微處理器，微處理器對傳輸來的數(shù)據(jù)進行進一步處理后傳送至Zigbee終端節(jié)點。終端節(jié)點通過有線等形式與協(xié)調(diào)器節(jié)點進行連接與通信。協(xié)調(diào)器通過485—RS通信方式與無線通信模塊進行連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收/發(fā)送功能，無線傳送到系統(tǒng)應用軟件端。

2.1 主電量數(shù)據(jù)采集模塊硬件設計

主電量數(shù)據(jù)采樣硬件設計中選用高性能、測量多相位電能計量芯片IDT90E36，各方面參數(shù)與性能均能符合本系統(tǒng)設計要求。該模塊核心作用是采集預裝式變電站變壓器的三相電量參數(shù)。主電量數(shù)據(jù)采集模塊包括了電量信號采集電路、信號數(shù)據(jù)處理、接口電路等部分。通過將高壓電能信號轉化為弱電壓信號后，經(jīng)過電量芯片IDT90E36的采樣與信息數(shù)據(jù)處理，從而得到一系列電量參數(shù)，包括三相電流有效值、三相電壓有效值、對應的視在功率等。以IDT90E36為處理芯片的主電量采集模塊通過SPI接口與CPU模塊進行數(shù)據(jù)通信。

圖2

2.2 電壓、電流采樣硬件電路

電壓通道有效值測量范圍為5mV～720mV,而預裝式變電站實際運行時的電壓信號不能直接進行測量，需要進行降壓處理。在所設計的電路中接入110K/1W功率的電阻，實現(xiàn)將220V交流信號轉換為系統(tǒng)所需的2mA交流信號。所采用的互感器規(guī)格為2mA/2mA，其作用是將高壓與低壓進行隔離。信號數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波處理后進入IDT90E36電壓輸入通道，得出所采樣電壓信號的有效值。實際預裝式變電站變壓器各相電壓有效值計算方式為：樣本電壓信號有效值×電壓互感器電壓變比。電流采樣硬件電路中，采用TA1005系列母線內(nèi)置式交流電流互感器，額定輸入/輸出電流為5A，工作頻率范圍為20 Hz —20 kHz，常態(tài)時絕緣電阻大于1000M，可承受工頻2000V 50 Hz /1 Min抗電強度，工作溫度為—55℃～85℃。

2.3 CPU模塊硬件設計

硬件電路微處理器采用的是三星公司的S3C2440A芯片。基于ARM920T內(nèi)核研發(fā)，工作頻率最高為400MHz，其各方面性能均能滿足本系統(tǒng)設計需求。CPU模塊分為存儲電路、LCD 接口電路和JTAG接口電路等部分，為核心組成部分。另外還包括了通信接口（串口Uart 、SPI 、USB）和網(wǎng)卡接口等外圍電路。PIO擴展接口用于高低壓開關控制與風機控制，存儲電路包括SDRAM以及Flash存儲器，網(wǎng)卡接口電路功能在于實現(xiàn)網(wǎng)絡應用。

2.4 環(huán)境溫濕度、煙霧采樣模塊

環(huán)境溫濕度采樣模塊使用AM2306型傳感器作為采樣終端。AM2306型傳感器內(nèi)集成溫度、濕度傳感與數(shù)字采集技術，在實際應用中有著極高的精確性。其電路中含電容式感濕器件和各個高精度集成測溫器件，連接至單片機系統(tǒng)，集成標準單總線接口，可以應用于不同環(huán)境中。環(huán)境煙霧采樣模塊使用WT—828—2PL聯(lián)網(wǎng)型傳感器。WT—828—2PL傳感器為光電型感煙探測器，其采用煙霧中顆粒折射紅外光原理從而探測煙霧。此煙霧傳感器內(nèi)部含紅外發(fā)射模塊和接收模塊，通過設置光學迷宮，在不影響煙霧進入傳感器的條件下，過濾外界干擾光源。當有煙霧進入時，由于散射作用使得接收部分接收光信號得到增強，煙霧濃度達到限值時，此煙霧傳感器輸出報警信號。

2.5 驅動控制電路硬件設計

驅動電路是檢測裝置的重要組成部分。風機的啟停對預裝式變電站的正常運行有著深遠的影響。當異常情況發(fā)生時能及時動作，能夠有效保護電力設備。環(huán)境溫度采集模塊將數(shù)據(jù)信息傳送到CPU模塊，CPU模塊獲取到數(shù)據(jù)信息后經(jīng)過處理電路獲取到當前環(huán)境溫度值，將當前環(huán)境溫度數(shù)據(jù)信息與預先輸入溫度閾值進行比較，判斷當前運行環(huán)境是否存在超溫的情況。本系統(tǒng)設計了報警裝置，將蜂鳴器接口直接與S3C2440A芯片連接。當發(fā)生超溫或者通信故障時，CPU模塊發(fā)送信號可控制蜂鳴器工作。JOUT1和JOUT2接S3C2440A輸出端。采用TLP521型光耦隔離，可以有效防止繼電器誤動作，P7處端子外接風機。本系統(tǒng)中的風機開啟方式分為手動和自動兩種方式，且同一時刻只能處于一種模式下。所設計的風機自動模式下，當監(jiān)測到的溫度高于風機開啟溫度時，CPU模塊給JOUT1高電平從而使電路導通，繼電器閉合，風機開啟進行環(huán)境降溫;溫度降低至風機關閉溫度時，CPU模塊給JOUT1端口低電平從而使得電路不導通風機停止工作。本系統(tǒng)所設計的風機啟動手動模式，是使CPU模塊給JOUT1高低電平來控制風機的工作與停止。

高低壓開關驅動控制電路中采用松下公司的DS—P2A—DC24V型繼電器和公司TLP627型光耦作為核心部件。DSP2A—DC24V型繼電器為常開型、低功耗繼電器，其最大的觸點容量為1250VA，內(nèi)部線圈電阻1920Ω。考慮到系統(tǒng)抗干擾性問題，避免由于外界干擾而引起的設備誤操作，因此在高低壓開關驅動電路設計中接入兩個光耦。TLP627型光耦內(nèi)部提供Darlington電路，其額定工作溫度為—25℃～85℃，正向導通電流最大為25mA。所設計的驅動電路兩個輸入端連接S3C2440A的GPJ0與GPJ1。當GPJ0和GPJ1分別為1和0時，兩個光耦同時導通，DSP2A—DC24V繼電器提供驅動電流，繼電器的常開觸點閉合，實現(xiàn)對開關設備的斷開操作；與此類似，所設計的驅動電路兩個輸入端連接S3C2440A的GPJ2與GPJ3，實現(xiàn)對開關設備的閉合操作。

3. 總結與展望

本文詳細闡述了預裝式變電站主設備電量參數(shù)采集模塊、CPU模塊、環(huán)境溫濕度、煙霧采集模塊、風機驅動控制模塊和高低壓開關驅動控制模塊的設計思路，并對各模塊中核心部件進行了分析。在實際測試中，設備工作噪聲和環(huán)境噪聲會對本系統(tǒng)硬件電路造成影響。為了保證系統(tǒng)的工作可靠性，滿足系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的精確性，采取了以下的抗干擾措施：在硬件電路板設計時應當考慮應用環(huán)境的干擾源和干擾信號等問題，以及在各種干擾信號影響下設備所出現(xiàn)的誤操作。合理設計硬件電路板，元器件選擇高精度類器件，并且進行準確無誤的焊接。除此之外，I/O 電路與其它控制電路中應加隔離電路。還有在初期的系統(tǒng)設計和實現(xiàn)中，主要以預裝式變電站變壓器的三相電流、電壓為主。后期工作可以增加運行狀態(tài)監(jiān)測數(shù)量，例如：GIS 部分、油浸式變壓器中油氣色譜監(jiān)測等，形成綜合性運行狀態(tài)監(jiān)測。

＊ [1]李鑫,賴美云等.新型智能預裝式變電站狀態(tài)評價關鍵參量研究[J].變壓器,2015,52:30—35.

＊ [2]王哲,孫純軍.物聯(lián)網(wǎng)技術在智能變電站中的應用[J].電力建設,2011,32(10):41—46.

＊ [3]姜貝貝.預裝式變電站主設備智能化監(jiān)測與健康評估系統(tǒng)設計[D].河海大學,2017.

＊ [4]何金鑫.基于無線傳感網(wǎng)絡的智能變電站環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計[D].安徽理工大學,2016.