基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的變壓器呼吸器在線監(jiān)測系統(tǒng)

王玉財(cái)，李志遠(yuǎn)，王振鋒，張思齊

(1.國網(wǎng)寧夏電力有公司寧東供電公司，寧夏 靈武 750411；2.國網(wǎng)寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川 750011)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,WSN)是一種分布式網(wǎng)絡(luò)[1-3]，它的末梢是各類集成化的微型傳感器，WSN中的傳感器以無線方式通訊，能對環(huán)境中的各種信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和感知，是目前用于監(jiān)測環(huán)境信息的重要方式。相較于傳統(tǒng)式的網(wǎng)絡(luò)和其他傳感器，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有組網(wǎng)方便、功耗低、覆蓋區(qū)域大等顯著優(yōu)點(diǎn)[4-6]，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代監(jiān)控系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。

呼吸器安裝于油枕與空氣連通的管道末端，當(dāng)變壓器儲油柜內(nèi)的空氣隨變壓器油的體積膨脹或縮小時(shí)，排出或吸入的空氣都經(jīng)過呼吸器，呼吸器內(nèi)的硅膠吸收空氣中的水分，對空氣起干燥、過濾作用，從而保持變壓器油箱內(nèi)絕緣油的清潔[7-8]。目前，呼吸器無在線監(jiān)測裝置，運(yùn)維人員對變壓器呼吸器采用固定周期現(xiàn)場巡視檢查，該方式下呼吸器異常時(shí)，運(yùn)維人員無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，易造成呼吸器過度使用。

本文在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)背景下，設(shè)計(jì)了1種基于LoRa技術(shù)的變壓器呼吸器在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對變電站所有呼吸器狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)呼吸器過度使用后能夠及時(shí)報(bào)警至站內(nèi)后臺及監(jiān)控主站，有效避免了呼吸器過度使用造成的變壓器絕緣油含水量超標(biāo)，該系統(tǒng)具有良好的現(xiàn)場應(yīng)用效果和推廣價(jià)值。

1 呼吸器在線監(jiān)測原理

1.1 硅膠變色原理

呼吸器內(nèi)填充的硅膠主要成分為SiO2，其外觀為藍(lán)色的球形狀顆粒，對空氣中的水分具有較強(qiáng)的吸附能力。硅膠內(nèi)部孔隙表面附著有一定的CoCl2，CoCl2會依據(jù)內(nèi)部結(jié)晶水含量的不同呈現(xiàn)不同的顏色，隨著硅膠水分含量的增加，硅膠的吸濕能力也不斷下降甚至失效，其外觀會由藍(lán)色逐漸變成粉紅色[9]。

變色失效的硅膠可采用熱脫幅的方式對其進(jìn)行再生處理。CoCl2與水分子結(jié)合形成CoCl2·6H2O，該物質(zhì)呈現(xiàn)粉紅色。對CoCl2·6H2O加熱，其所含的結(jié)晶水會失去，重新變成藍(lán)色的CoCl2[10]。

1.2 硅膠吸濕狀態(tài)判別方法

隨著硅膠不斷吸收空氣中的水分，其吸濕性能也不斷下降，相應(yīng)的呼吸器內(nèi)濕度也會發(fā)生變化，本系統(tǒng)通過在呼吸器內(nèi)部安裝濕度傳感器來判斷硅膠的狀態(tài)。為了探究呼吸器內(nèi)濕度值與呼吸器變色比例的關(guān)系，本文搭建了如圖1所示的實(shí)驗(yàn)平臺。利用該平臺得到呼吸器內(nèi)濕度值與呼吸器變色比例關(guān)系，如表1所示。

圖1 呼吸器濕度測試試驗(yàn)平臺

表1 呼吸器內(nèi)濕度值與呼吸器變色比例關(guān)系

依據(jù)表1，繪制了呼吸器內(nèi)濕度值與呼吸器變色比例關(guān)系散點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 呼吸器內(nèi)濕度值與呼吸器變色比例關(guān)系

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)總體框架

在線監(jiān)測系統(tǒng)整體框架如圖3所示。系統(tǒng)主要由濕度傳感終端及數(shù)據(jù)處理終端組成。濕度傳感終端由濕度傳感器、無線組網(wǎng)模塊、處理模塊及電源模塊組成，其主要作用是監(jiān)測呼吸器內(nèi)濕度值，并將該濕度值通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)處理終端。

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)框架

數(shù)據(jù)處理終端由數(shù)據(jù)分析及處理模塊、觸控顯示模塊及報(bào)警模塊組成，完成對濕度傳感終端上送信息的分析及處理。

2.2 濕度傳感器的選型

本系統(tǒng)濕度傳感器主要用于監(jiān)測呼吸器內(nèi)濕度值，傳感器選用高度集成的數(shù)字式溫、濕度傳感器SHT11芯片[13]。該芯片采用LCC封裝，集成溫濕度傳感器、信號放大與調(diào)理、AD轉(zhuǎn)換與接口為一體，輸出標(biāo)定的濕度相對值，相對濕度測量精度為±3.0%，測量范圍為0～100%，且功耗低(30 mW)，輸出線性，能與單片機(jī)I/O口直接連接，滿足對呼吸器內(nèi)濕度值的采集需求[14]。

2.3 濕度傳感終端

濕度傳感終端由濕度傳感器、處理模塊、無線組網(wǎng)模塊及電源模塊組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 濕度傳感終端結(jié)構(gòu)

濕度傳感器SHT11芯片負(fù)責(zé)對呼吸器內(nèi)的濕度信息進(jìn)行采集，并且將該信息轉(zhuǎn)換成特定格式的數(shù)據(jù)。

處理模塊功能處理濕度數(shù)據(jù)的采集與存儲，包括自身節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)以及其它節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)。

無線組網(wǎng)模塊的主要作用是與數(shù)據(jù)處理終端進(jìn)行無線通訊，交換信息及數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)處理器集成無線收發(fā)器，支持LoRa協(xié)議[15]?？紤]到濕度傳感終端與數(shù)據(jù)處理終端之間的通訊距離需大于1 km，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)無線通訊協(xié)議采用傳輸距離較遠(yuǎn)的LoRa技術(shù)。

電源模塊是濕度傳感終端的關(guān)鍵部分。濕度傳感終端一旦失電，將無法對呼吸器內(nèi)濕度信息進(jìn)行有效的采集。本系統(tǒng)要求濕度傳感終端放置于呼吸器內(nèi)需10年免維護(hù)。經(jīng)測算，電源模塊采用1 200 mA·h的鋰電池，且設(shè)定每2 h刷新1次濕度信息，當(dāng)濕度傳感終端進(jìn)入深度休眠時(shí)，切斷開關(guān)管，可使整個(gè)濕度傳感終端處于極低功耗狀態(tài)。

2.4 數(shù)據(jù)處理終端模塊

數(shù)據(jù)處理終端由處理器、報(bào)警模塊及顯示模塊組成：處理器負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和處理；報(bào)警模塊的功能是當(dāng)監(jiān)測到呼吸器內(nèi)濕度值超定值后，告警模塊動作，及時(shí)上送告警信息至后臺及監(jiān)控主站；顯示模塊負(fù)責(zé)告警信息及菜單的顯示，為了省去按鍵模塊，本系統(tǒng)顯示模塊采用帶按鍵功能的觸控屏。數(shù)據(jù)處理終端實(shí)物如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)處理終端

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 濕度傳感終端軟件架構(gòu)

濕度傳感終端的軟件部分主要包括濕度的采集、無線收發(fā)及濕度采集模塊與數(shù)據(jù)處理終端之間的通信等。JN5139的SDK提供了完整的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議框架和向?qū)沙绦蚩蚣?，可參照其?shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊。節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸過程如圖6所示。首先對JN5139進(jìn)行初始化配置，配置完成后按需要編寫數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收程序。

圖6 濕度傳感終端與數(shù)據(jù)處理終端的數(shù)據(jù)傳輸過程

3.2 數(shù)據(jù)處理終端軟件架構(gòu)

數(shù)據(jù)處理終端軟件架構(gòu)如圖7所示。主要包括在線監(jiān)測、報(bào)警查看、設(shè)置管理、運(yùn)行日志4個(gè)模塊。在線監(jiān)測模塊能夠看到呼吸器編號及所監(jiān)測呼吸器內(nèi)濕度值。報(bào)警查看模塊用于查看動作報(bào)警報(bào)文。在設(shè)置管理中可對濕度定值、裝置通訊參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。運(yùn)行日志模塊對系統(tǒng)運(yùn)行中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以文本文件的格式存儲在裝置內(nèi)，以便運(yùn)維人員進(jìn)行調(diào)取和查看。

圖7 數(shù)據(jù)處理終端軟件架構(gòu)

4 系統(tǒng)測試與實(shí)驗(yàn)

4.1 測試平臺的搭建

本文所開發(fā)的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的變壓器呼吸器在線監(jiān)測系統(tǒng)由濕度傳感終端及數(shù)據(jù)處理終端2部分組成，相應(yīng)的測試平臺也由2部分組成?，F(xiàn)場測試環(huán)境為1臺運(yùn)行的110 kV變壓器，現(xiàn)場接線如圖8所示。

圖8 監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場接線

4.2 測試項(xiàng)目及結(jié)果

4.2.1 通信性能測試

傳輸距離測試情況如表2所示。經(jīng)測試傳輸距離最大為1.2 km，大于1 km，滿足現(xiàn)場應(yīng)用需求。

表2 傳輸距離測試

4.2.2 濕度測量精度測試

在本文構(gòu)建的基于JN5139的呼吸器在線監(jiān)測系統(tǒng)中，濕度傳感終端和數(shù)據(jù)處理終端實(shí)現(xiàn)通訊后，打開數(shù)據(jù)處理終端，就可以讀取到各呼吸器內(nèi)濕度數(shù)據(jù)，在線監(jiān)測界面如圖9所示，濕度數(shù)據(jù)見表3。

圖9 在線監(jiān)測界面

表3 濕度測試

測試結(jié)果表明：可以得到相對濕度誤差不超過±3%的測量值，能夠滿足測量準(zhǔn)確度的要求。

5 結(jié) 論

(1)提出基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的變壓器呼吸器在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,搭建了呼吸器狀態(tài)的測試平臺，利用模擬實(shí)驗(yàn)法，探究了呼吸器濕度值與呼吸器變色比例的關(guān)系，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集和分析發(fā)現(xiàn)呼吸器內(nèi)濕度值與呼吸器變色比例正相關(guān)，并且當(dāng)硅膠有1/3變色時(shí)，呼吸器內(nèi)濕度值大約為36.8%RH，為呼吸器在線監(jiān)測的研發(fā)提供了理論依據(jù)。

(2)濕度傳感終端利用高精度濕度傳感器對呼吸器內(nèi)濕度進(jìn)行監(jiān)測，開發(fā)的濕度監(jiān)測模塊小型化封裝，抗干擾性能良好，易于安裝和維護(hù)，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜電磁環(huán)境下呼吸器狀態(tài)的有效監(jiān)控。

(3)數(shù)據(jù)處理終端能夠?qū)粑鲀?nèi)濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并且具有定值設(shè)定，遙信告警等功能，當(dāng)判斷出呼吸器內(nèi)濕度超定值后，能夠?qū)⒃摳婢畔⑸蟼髦梁笈_及監(jiān)控主站，有效地避免了變壓器呼吸器的過度使用問題。