配電變壓器運行參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)研究與設(shè)計

祝 賀，李映橋

(東北電力大學(xué) 建筑工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

在日常的電力生產(chǎn)及運行維護中，為保證配電變壓器能夠正常穩(wěn)定運行，需要對其內(nèi)部的電壓、電流等重要的運行參數(shù)進行監(jiān)測并記錄，設(shè)定其在正常運行時的參數(shù)范圍區(qū)間，實時監(jiān)測了解配電變壓器的運行狀態(tài).一旦運行數(shù)據(jù)發(fā)生異常，超出設(shè)定的范圍值，監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)該能夠及時發(fā)出報警消息，提醒相關(guān)技術(shù)人員采取措施，才能避免電力安全事故發(fā)生[2].但由于配電變壓器的安裝位置相對較為分散，其柱上變壓器所占的比例較大，傳統(tǒng)的配電變壓器運行參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)存在很多實質(zhì)性問題，例如實時性差、安全性差，而且全面監(jiān)測運行狀態(tài)所需勞動量較大，這樣使得很多異常情況難以及時發(fā)現(xiàn)，容易造成事故的發(fā)生[3～4].通過研究分析傳統(tǒng)配電變壓器監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)缺點，對優(yōu)點加以優(yōu)化、對缺點加以改進，設(shè)計新型的配電變壓器運行參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，通過利用數(shù)據(jù)采集技術(shù)和信息傳輸技術(shù)，對配電變壓器的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，同時采集一定周期下的電壓、電流等重要參數(shù)，通過整合處理將數(shù)據(jù)存儲到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，定期上傳至遠(yuǎn)程PC終端；如果參數(shù)超過限定的正常范圍值，報警裝置會及時將報警信息以短消息的形式發(fā)送給遠(yuǎn)程操作員.本文通過分析國內(nèi)外配電自動化的發(fā)展現(xiàn)狀，從配電變壓器運行參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能、基本組成以及通信方式加以研究，結(jié)合計算機技術(shù)、單片機技術(shù)和通信技術(shù)，對新型配電變壓器運行參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)進行設(shè)計研究[5～6].

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

發(fā)達(dá)國家對于配電網(wǎng)自動化的應(yīng)用開始較早，發(fā)展較為成熟.從20世紀(jì)70年代開始，一些發(fā)達(dá)國家就開始了配電網(wǎng)自動化的試點工作[7].國外一些非常著名的電力系統(tǒng)設(shè)備的大型制造廠家如：美國的COOPER公司和摩托羅拉公司、日本的東芝公司、德國的西門子公司等均推出了各具特色的配電網(wǎng)自動化產(chǎn)品[8].

我國的配電自動化發(fā)展起步較晚，較一些發(fā)達(dá)國家滯后約30年.我國早期研發(fā)的配電變壓器運行參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)功能單一、通信能力方式簡單，只能完成一些基本的參數(shù)監(jiān)測且實時性較差[9].近年來我國各領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，各學(xué)科領(lǐng)域間相互融合，網(wǎng)絡(luò)通信和計算機等技術(shù)相繼運用到配電網(wǎng)的優(yōu)化運行上，使配電網(wǎng)實現(xiàn)自動化成為必然趨勢，進一步向更高程度的智能化邁進.如今研制出的智能化、小型化、多功能化并具備多種通信方式的配電變壓器運行參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，進一步提高了我國配電系統(tǒng)自動化的發(fā)展進程[10～11].

2 系統(tǒng)整體設(shè)計

在對硬件的選擇上，通過研究比對大量的單片機結(jié)構(gòu)和功能，最終選用了型號為MSP430F149單片機.該單片機在滿足系統(tǒng)設(shè)計要求的前提下，有著能耗低，性價比高，安全性和穩(wěn)定性好，抗干擾能力強等優(yōu)良性能[12].GSM通信模塊TC35i利用無線傳輸可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與存儲、判斷配電變壓器運行狀態(tài)是否正常，以及將故障信息及時發(fā)送給遠(yuǎn)程操作員.硬件部分還包括：傳感器、信號與調(diào)理電路、電源模塊、液晶顯示模塊、報警器等其他輔助電路的配合.軟件部分設(shè)計時應(yīng)注意軟件應(yīng)該具備容錯功能和相應(yīng)的保護措施.系統(tǒng)應(yīng)自帶檢測程序，例如狀態(tài)檢測和診斷程序等，以便在系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生故障時，系統(tǒng)通過自身判斷很快查找到故障部位.系統(tǒng)還需設(shè)置固定的周期定時存儲運行參數(shù)等重要數(shù)據(jù)，防止因發(fā)生故障或斷電等情況造成數(shù)據(jù)的丟失.軟件部分選用了Keil C語言匯編程序，該軟件編程簡便且運行速度較快，主要針對上位機的主程序和發(fā)送與接收中斷程序進行編程調(diào)試[13].

配電變壓器運行參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)，如圖1所示.

圖1 配電變壓器運行參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)原理框圖

3 單片機選取與介紹

MSP430F149是一種16位超低功耗的FLASH單片機，它擁有16位精簡指令集、16級中斷和高效的尋址方式，將強大的功能和超低功耗相結(jié)合，實用性強，性價比高，是作為系統(tǒng)硬件的最好選擇之一[14～15].MSP430系列單片機系統(tǒng)性能上具有強大的處理能力，工作系統(tǒng)相對穩(wěn)定、片內(nèi)外資源豐富、具有方便高效的開發(fā)環(huán)境，廣闊的應(yīng)用范圍和發(fā)展前景.這些優(yōu)良性能成為本次設(shè)計系統(tǒng)的最佳硬件選擇.

4 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計

4.1 控制核心模塊

控制核心模塊對單片機的功能要求較高，計算任務(wù)較為繁重[16].通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，對大量型號的單片機進行分類并分析比較，最終選用了型號為MSP430F149的單片機作為該系統(tǒng)的控制核心模塊.配電變壓器運行參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)功能框圖，如圖2所示.

圖2 配電變壓器運行參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)功能框圖

4.2 交流采集與調(diào)理模塊

為了監(jiān)測配電變壓器運行狀態(tài)下的各種參數(shù)，需要將配電變壓器中的三相電壓信號和電流信號等信號進行采集整合.在配電網(wǎng)中，諧波信號的出現(xiàn)會干擾了設(shè)備的正常運行.在A/D轉(zhuǎn)換之前加入低通濾波電路的作用是為了降低諧波信號對A/D轉(zhuǎn)換的影響.模擬信號調(diào)理電路為了方便A/D轉(zhuǎn)換，需要對傳感器進行放大信號、限定幅值、過濾諧波等處理方式.本系統(tǒng)采用帶反饋的二階有源的低通濾波電路，能明顯提高系統(tǒng)抗干擾能力[17～18].信號調(diào)理電路,如圖3所示.

圖3 信號調(diào)理電路

4.3 單片機模塊

MSP430F149主要完成以下任務(wù)：

(1)控制整個數(shù)據(jù)采集過程；

(2)接收A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，并進行處理；

(3)在收到相應(yīng)的操作指令后，自帶的串口會將數(shù)據(jù)自動發(fā)送到控制終端.

本系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)分類編排，對每個模塊又細(xì)分研究，分塊改進，整個過程目標(biāo)明確、思路清晰、簡便快捷.

4.4 GSM模塊TC35i

本系統(tǒng)采用GSM網(wǎng)絡(luò)模塊TC35i，利用無線電傳輸技術(shù)，使操作員在遠(yuǎn)程利用能上網(wǎng)的電腦或電話對一臺或多臺配電變壓器進行實時監(jiān)測，對異常情況及時報警.該系統(tǒng)的主要工作原理是：能夠?qū)崟r監(jiān)測配電變壓器的運行狀況，采集和記錄運行參數(shù)數(shù)據(jù)，定期存儲到數(shù)據(jù)庫里，若運行參數(shù)超出設(shè)定的正常參數(shù)范圍，該系統(tǒng)的報警裝置能夠迅速將報警信息發(fā)送至遠(yuǎn)程操作員.

4.5 輔助電路

除去以上主要模塊外，該監(jiān)測系統(tǒng)的主體部分還需要以下輔助電路來完成：

(1)電源模塊：使用7805穩(wěn)壓芯片給系統(tǒng)穩(wěn)壓，提供5 V電源；

(2)液晶顯示模塊：監(jiān)測終端現(xiàn)場的主要顯示模塊，本系統(tǒng)采用點陣式液晶顯示器；

(3)鍵盤：作為人機交互界面里最常用的輸入設(shè)備，通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)或簡單命令來實現(xiàn)正常的人機通信；

(4)報警器：選用一個5V的有源蜂鳴器，通過PNP三極管的開關(guān)作用，用單片機I/O口控制電路的通斷，控制蜂鳴器的報警發(fā)音；

(5)溫度傳感器：測量溫度選用最常用的DS18B20溫度傳感器.

5 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計

5.1 系統(tǒng)設(shè)計特點

變壓器參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，每個部分的程序被編寫成獨立的模塊，這樣的設(shè)計優(yōu)點在于[19]：

(1)便于獨立模塊的編寫容易調(diào)試；

(2)程序移植性好，在需要更換類似功能芯片時程序不需要較大改動；

(3)方便功能擴展，添加程序.

5.2 程序設(shè)計

本文設(shè)計主程序的職責(zé)是將所有功能模塊構(gòu)成一個整體，以此實現(xiàn)各功能模塊之間的調(diào)度和相互聯(lián)系.主程序的工作流程，如圖4所示.TC35i規(guī)定由命令接口定義的AT命令接口，它為移動平臺和數(shù)據(jù)終端設(shè)備提供了通用接口.數(shù)據(jù)終端設(shè)備進行通信的前提是通過標(biāo)準(zhǔn)的AT命令與GSM網(wǎng)絡(luò)引擎交換數(shù)據(jù)[20].為了降低功耗，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收是在中斷模式處理后進行的.發(fā)送與接收中斷程序，如圖5所示.

圖4 主程序工作流程圖圖2 發(fā)送與接收中斷程序流程圖

5.3 功能實現(xiàn)

變壓器參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的軟件部分負(fù)責(zé)實時監(jiān)測配電變壓器運行狀態(tài)，采集運行參數(shù)，通過整合處理，將得到的實時數(shù)據(jù)保存到存儲器中，同時可以顯示在液晶屏上；遠(yuǎn)程操作人員通過鍵盤操作，可以看到任何時段的配電變壓器參數(shù)，并且可以修改系統(tǒng)設(shè)置，設(shè)定系統(tǒng)功能，定時休眠和喚醒[21].

6 結(jié) 論

本文以配電自動化及配電變壓器監(jiān)測系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀為研究背景，分析比較了現(xiàn)有的配電監(jiān)測終端的優(yōu)點與不足，最終選用了型號為MSP430F149的單片機作為控制核心，結(jié)合GSM模塊TC35i的無線傳輸技術(shù)，研究和設(shè)計了集實時監(jiān)測、記錄存儲、及時報警為一體的配電變壓器運行參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng).

該配電變壓器運行參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)\行參數(shù)進行實時監(jiān)測并及時采集、定期儲存數(shù)據(jù)、及時發(fā)送報警信息，且該系統(tǒng)運算精度高、功能完善、實時性好[22].基于GSM網(wǎng)絡(luò)TC35i模塊的配電變壓器運行參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，具有功能豐富、價格低廉、系統(tǒng)控制靈活，控制參數(shù)可以根據(jù)用戶需求通過鍵盤進行調(diào)整[23].系統(tǒng)可在設(shè)定時間范圍內(nèi)連續(xù)記錄數(shù)據(jù)，由工作人員設(shè)定每種參數(shù)的正常值范圍，系統(tǒng)負(fù)責(zé)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、定期累計數(shù)據(jù)、采集存儲數(shù)據(jù)等.系統(tǒng)的數(shù)據(jù)會定期傳送至遠(yuǎn)程的PC終端，對于各項參數(shù)的統(tǒng)計分析結(jié)果可為電力系統(tǒng)管理人員提供參考數(shù)據(jù).