配電變壓器失壓主動報警裝置研究

石 燕 ，劉航航 ，張 霖 ，孫德達 ，孫金燕

（1.國網(wǎng)山東省電力公司東營市東營區(qū)供電公司，山東 東營 257091；2.國網(wǎng)山東省電力公司東營供電公司，山東 東營 257091）

0 引言

目前，一些老舊小區(qū)、物業(yè)代管小區(qū)及用戶廠站，配網(wǎng)設備非智能且老化嚴重，極易發(fā)生故障停電或在受到線路波動干擾的情況下失壓脫扣。針對上述情況，配網(wǎng)搶修人員無法及時、有效獲取相關信息，造成故障查找困難，用戶停電時間過長。為此，需要研制一種配電變壓器失壓主動報警裝置，及時解決用戶停電時間過長等問題。

目前國內(nèi)對配電變壓器監(jiān)測的研究，僅限于在線遠程監(jiān)測［1-2］配電變壓器的運行參數(shù)，無法精確定位故障位置［3］，研制一種低成本、高性能的配電變壓器失壓主動報警裝置。該裝置通過MSP430F5438A微控制器對信號進行處理，并基于SIM900短信模塊發(fā)送告警信息，變被動搶修為主動搶修，提高了供電可靠性，提升了用戶滿意度。

1 設計原理

設計的配電變壓器失壓主動報警裝置按照功能可分為電源部分、MCU （Microcontroller Unit微控制單元）部分、告警部分、固定部分，如圖1所示。

圖1 失電主動報警裝置設計原理

裝置以配電變壓器出線側電壓、電流作為監(jiān)測參數(shù)，通過微控制器將出線側電壓進行數(shù)字化處理，對采集到的數(shù)據(jù)進行分析、處理，定位失壓配電變壓器具體位置，并進行失壓過流判斷，生成報警信息，送入GPRS無線傳輸組件，GPRS無線傳輸組件主要由SIM900通信模塊組成，可以將事故告警信息迅速準確編輯，發(fā)送至運維人員手機，確保故障第一時間通知到運維人員。

2 系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)

2.1 電源

配電變壓器失壓主動報警裝置的電源部分取自線路低壓側電源，內(nèi)部配置鋰電池。線路正常時，電源取自線路低壓側，當系統(tǒng)斷電后，可依靠自身鋰電池放電將信號正常發(fā)出。由于電路需要準確可靠地判斷停電狀態(tài)，及時切換至后備電源供電，鋰電池必須滿足續(xù)航條件，為此選取型號為TF803040（容量1000 mAh）的鋰電池，循環(huán)次數(shù)大于500次。

電源電路的設計對配電變壓器失壓主動報警裝置的性能尤為重要，為整個設計提供動力支持。電源電路需要一個可以保持固定電壓同時又能向負載提供充足的驅(qū)動電流的直流電源［4］。由于系統(tǒng)各個功能模塊和所使用芯片對電源的要求不同，系統(tǒng)需要5 V、12 V、3.3 V 3種不同電壓大小的電源，設計電路如圖2所示。

圖2 電源電路設計

輸入220 V電壓經(jīng)電源變壓器降壓、整流、濾波后得到12 V電壓，12 V電壓再經(jīng)過2塊LM1085芯片得到兩路5 V電源：Vcc和5V-I。12 V電源主要用于輸出控制，5V-I主要用于通信電路的供電，而Vcc是作為輸入電壓經(jīng)過SPX111M穩(wěn)壓芯片得到3.3 V輸出電壓，3.3 V電源主要為CPU部分供電。

2.2 MCU

MCU部分承擔整個系統(tǒng)的信號處理、邏輯分析及輸出控制工作。裝置選用具有高性能、低功耗、抗干擾能力強、質(zhì)優(yōu)價廉等特點的單片機——MSP430F5438A微控制器。

若配電變壓器發(fā)生故障，采集到的電壓電流信號經(jīng)過信號處理電路發(fā)送至MCU。MCU內(nèi)嵌模數(shù)轉換模塊，且轉換精度為12位，完成模擬信號轉換為12位數(shù)據(jù)并存入轉換存儲器。MCU對提取的電壓、電流信號進行預置判斷分析處理，并記錄故障發(fā)生時間及位置。若出現(xiàn)失壓過流，則觸發(fā)本裝置的短信告警模塊發(fā)出故障報警信息。若出現(xiàn)失壓不過流，則觸發(fā)本裝置的短信告警模塊發(fā)出停電報警信息。

2.3 報警

10 kV架空線路輸送距離長、條次多，當配電變壓器失壓時，需要將告警信號統(tǒng)一發(fā)出分級接收。裝置采用SIM900短信模塊的報警方式，具有成本低、可靠性高和實用性強等優(yōu)點。當裝置檢測到異常時，通過短信模塊將異常用戶的編號位置發(fā)送給運維人員，使其可以第一時間接收告警報警信息，快速定位巡線位置，及時恢復用戶供電。報警執(zhí)行部分如圖3所示。

圖3 報警執(zhí)行部分硬件

3 系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

以IAR作為軟件開發(fā)平臺，采用C語言進行數(shù)據(jù)編程。軟件設計部分主要由單片機數(shù)據(jù)處理單元和報警發(fā)送單元組成。

3.1 數(shù)據(jù)處理單元

該單元的主要功能是采集配電變壓器失壓數(shù)據(jù)并做出分析判斷。檢測判斷軟件采用匯編語言，把程序編寫固化在微型單片機MSP430F5438A存儲器內(nèi)，單片機初始化后，對采集到的電壓信號進行判斷，程序流程如圖4所示。

3.2 報警發(fā)送程序

微控單片機通過串口與SIM900實現(xiàn)GPRS通信［5］，當程序判斷出配電變壓器失壓時，將立即執(zhí)行報警程序，發(fā)送對應的報警短信信息至相關運行人員手機。軟件流程如圖5所示。

圖4 邏輯判斷流程

圖5 發(fā)送程序軟件流程

4 終端測試

經(jīng)過對失壓主動報警裝置的軟測試及硬件組裝，配電變壓器失壓主動報警裝置整體實物如圖6所示。

圖6 配電變壓器失壓主動報警裝置

為了測試所研制的用戶變失壓主動報警裝置的性能，將產(chǎn)品安裝到某小區(qū)，模擬發(fā)生故障時的工作情況，如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場模擬工況

通過對系統(tǒng)的整體調(diào)試，實現(xiàn)各功能模塊的正常工作。中央處理器將信號采集模塊所采集的信號進行處理，用戶變壓器失壓立即告警，并將告警信號發(fā)送至運維人員手機終端。應用該裝置后，由以往被動處理故障恢復用戶供電變?yōu)樵O備失電2 s內(nèi)自動發(fā)送停電信息的主動搶修。

5 結語

配電變壓器失壓主動報警裝置簡單易用，高可靠性，造價低廉，獨立運行，具有推廣價值。裝置應用后，避免了老舊小區(qū)及非智能用戶線路發(fā)生故障時，線路巡視人員的盲目巡視、難以發(fā)現(xiàn)故障點、巡視時間長以及用戶失壓后無法及時有效恢復供電等問題，變被動搶修為主動搶修，提高了供電可靠性。