基于單片機(jī)的變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測供電故障報(bào)警裝置研制

王云飛 劉少輝 劉昊 吳焯軍 張殷

摘要：本文為解決變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測（以下簡稱油色譜在線監(jiān)測裝置）斷電后無法遠(yuǎn)程指示具體故障原因的問題，設(shè)計(jì)了一種基于ARM單片機(jī)的斷電故障報(bào)警的裝置，該裝置包括了電源切換、信號采集及調(diào)理，無線傳輸?shù)裙δ苣K。能夠?qū)崟r(shí)油色譜裝置的供電電壓斷電故障報(bào)警，并實(shí)時(shí)發(fā)出斷電故障報(bào)警信息，提高在線監(jiān)測設(shè)備智能化運(yùn)維水平，提高運(yùn)維工作效率。

關(guān)鍵詞：油色譜;斷電報(bào)警;在線監(jiān)測;單片機(jī)

引言

變壓器作為電網(wǎng)系統(tǒng)中的核心設(shè)備，其運(yùn)行可靠性對電網(wǎng)系統(tǒng)的至關(guān)重要。油色譜在線監(jiān)測設(shè)備以其自動化、少維護(hù)和安全可靠等特點(diǎn)，近十年來，已經(jīng)逐步成為保障變壓器安全的可靠技術(shù)監(jiān)督手段。

大量在役設(shè)備在降低了主變壓器的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)也帶來了新的問題。首先，在增加運(yùn)維人員工作量。根據(jù)統(tǒng)計(jì)某供電局整體裝置數(shù)量有逐年增多的趨勢。在役裝置存量的增加，必然導(dǎo)致故障數(shù)量的增多。其次，增加了運(yùn)維的難度和風(fēng)險(xiǎn)，人員在對在線監(jiān)測裝置運(yùn)維時(shí)始終存在誤觸碰帶電設(shè)備和誤操作的風(fēng)險(xiǎn)，而造成該風(fēng)險(xiǎn)的原因之一就是對油色譜在線監(jiān)測裝置故障原因的不明確。而在油色譜在線監(jiān)測裝置的各類故障中，供電系統(tǒng)故障占據(jù)了較高比例。因此，研制一種能夠有效指示油色譜在線監(jiān)測裝置斷電故障的的裝置有其現(xiàn)實(shí)必要性。

1、油色譜在線監(jiān)測裝置供電結(jié)構(gòu)

油色譜在線監(jiān)測裝置是利用氣相色譜分析技術(shù)，分析變壓器油中溶解氣體含量的技術(shù)。該技術(shù)因其準(zhǔn)確程度高、可重復(fù)等特點(diǎn)，獲得過諾貝爾化學(xué)獎。裝置主要包括了油氣分離模塊、氣體組分分離模塊（色譜柱）、氣體組分檢測模塊以及數(shù)據(jù)處理及通信模塊和附屬元件[1]。而油色譜在線監(jiān)測裝置在工作中各組成元件需要消耗電能，例如：油泵需將變壓器油從本體泵入油氣分離模塊，油氣分離模塊在油氣分離過程中需要使用氣泵進(jìn)行頂空脫氣，載氣進(jìn)入色譜柱需要啟動電磁閥門，色譜柱進(jìn)行特征氣體分離過程中需要保持色譜箱中的溫度恒定，以上過程均需要消耗電能。因此，油色譜在線監(jiān)測裝置中的供電可靠性至關(guān)重要[2]。

油色譜在線監(jiān)測的供電系統(tǒng)的核心部件是交流-直流AC-DC整流電路，從上級交流220V電源整流后轉(zhuǎn)換成不同直流電壓，向油色譜在線監(jiān)測裝置中的油泵、氣體循環(huán)泵、恒溫箱、閥組控制電路、溫度控制器、載氣泵等部分供能，筆者根據(jù)多種型號油色譜在線監(jiān)測裝置的設(shè)計(jì)圖和實(shí)物裝置情況，梳理出油色譜在線監(jiān)測裝置中主要的監(jiān)測對象如表1所示。

根據(jù)表1所列的監(jiān)測對象，斷電報(bào)警裝置的監(jiān)測電壓通道包括：1路220V交流電壓、3路24V直流電壓、3路12V直流電壓以及1路5V直流電壓。因此，該斷電報(bào)警裝置根據(jù)電壓等級和監(jiān)測對象分為4類，即交流電壓（220V）、直流電壓（24V、12V和5V）。

2、基于ARM單片機(jī)供電故障報(bào)警裝置結(jié)構(gòu)和功能

斷電報(bào)警裝置的檢測對象是油色譜在線監(jiān)測裝置的整流轉(zhuǎn)換模塊，該模塊負(fù)責(zé)向油色譜在線監(jiān)測裝置中的耗能元件提供不同電壓等級的直流電或交流電，更具體是將220V交流電轉(zhuǎn)化為24V、12V和5V的直流電，不同的油色譜在線監(jiān)測裝置生產(chǎn)商所采用的設(shè)計(jì)方案可能不同。本發(fā)明裝置利用ARM單片機(jī)（具體型號STM32F407）的內(nèi)置電壓比較器，以油色譜在線監(jiān)測裝置整流轉(zhuǎn)換模塊的輸入側(cè)的交流220V電壓整流和輸出側(cè)24V、12V和5V的直流電作為具體的參考電壓值，通過設(shè)置的軟件邏輯，判斷各個(gè)參考電壓值是否降為零，最后通過軟件報(bào)警程序遠(yuǎn)程傳輸報(bào)警信息。具體的實(shí)現(xiàn)過程是：

首先將輸入側(cè)交流220V通過電源切換電路中的整流部分變?yōu)?V直流電后，與備用電池組相連。電源切換電路輸出的5V直流電升壓后接入12VDC直流模塊，經(jīng)直流模塊降壓至3.3V直流電壓，最后以該3.3V直流電壓作為參考值，接入STM32F407主控芯片的電壓比較器引腳。經(jīng)比較器判斷后，決定是否啟動斷電報(bào)警程序。一旦斷定交流220V電壓判斷為零，則啟動電源切換電路，此時(shí)油色譜在線監(jiān)測裝置以備用的鋰電池組作為供電電源，保障斷電報(bào)警裝置正常運(yùn)行，最后通過4G模塊將斷電報(bào)警信息傳輸?shù)胶笈_管理人員處。具體硬件圖如圖1所示。

圖1中，AC-DC是交流整流模塊，負(fù)責(zé)將油色譜在線監(jiān)測裝置輸入的220V交流電轉(zhuǎn)化為直流5V直流，并將5V電壓作為電源切換模塊的輸入。

電源切換模塊負(fù)責(zé)判斷是否需啟動磷酸鐵鋰電池組，判斷的條件是交流220V電壓是否降為0.

12V DC-DC模塊負(fù)責(zé)將5V輸入直流電壓升壓到12V直流電壓，以此作為4G無線傳送模塊的電源。

3.3V DC穩(wěn)壓模塊負(fù)責(zé)將5V輸入直流電壓變換到3.3V作為STM32處理器芯片的電源。

電流互感器和電壓互感器負(fù)責(zé)將220V交流電源轉(zhuǎn)化為STM32芯片引腳能夠承受的直流電壓和電流，作為判斷是否斷電的評判依據(jù)。

4G模塊負(fù)責(zé)將STM32主控芯片判斷后得到的斷電指令，轉(zhuǎn)化為4G信號向軟件后臺傳送。

DC采集通道1～4分別為24V、12V和5V電壓采集點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)采集油色譜在線監(jiān)測裝置中的直流電壓信號，作為判斷油色譜在線監(jiān)測裝置整流模塊直流輸出側(cè)的電壓是否為零的依據(jù)。

2.1主控電路設(shè)計(jì)

主控電路基于ARMSTM32F407型控制芯片，該部分的功能包括：晶振負(fù)責(zé)產(chǎn)生時(shí)序時(shí)鐘、信號采集及解調(diào)、PWM輸出控制，以及過電流保護(hù)功能。主芯片的VCC引腳接3.3V。系統(tǒng)的晶振分別接入ARM芯片的PH0和PH1引腳。系統(tǒng)的ADC IN0-ADC IN7腳作為電壓采集，其中ADC IN0-ADC IN1作為交流電壓采集，ADC IN2-ADC IN3作為三路直流電壓采集。斷電報(bào)警結(jié)果通過USART1和USART2引腳輸出。

2.2采集電路設(shè)計(jì)

采集電路分為交流電壓采集和直流電壓采集兩部分，根據(jù)圖3和圖4所示，R24為取樣電阻，R25和R26分壓，形成1/2VCC分壓，中點(diǎn)直接過互感器副邊，接運(yùn)放同相端。運(yùn)放輸出經(jīng)過R29和R32放大后，接入主控芯片的內(nèi)置比較器。

2.3無線通信電路設(shè)計(jì)

本斷電保護(hù)裝置采集到斷電故障并生成報(bào)警信息后，通過采用4G數(shù)據(jù)網(wǎng)向后臺管理人員，在斷電報(bào)警信號中涵蓋了故障點(diǎn)的位置信息，為保證通信信號的運(yùn)行穩(wěn)定性，本模塊采用WH-LTE-7S5 作為通信芯片，該芯片是一款插針式4G模塊，實(shí)現(xiàn)UART轉(zhuǎn)4G雙向透傳功能，具有高速率、低時(shí)延的特點(diǎn)。在芯片的VCC腳與3.3V電壓相連接。傳輸數(shù)據(jù)經(jīng)TX、RX兩腳，與主控制芯片PA9 和 PA10腳相連接。

2.4裝置供電以及電源切換電路

斷電報(bào)警系統(tǒng)的供電部分主要有兩個(gè)部分：一是AC220V電源，二是由鋰電池組成的備用電源。在正常情況下，斷電報(bào)警裝置通過AC220V電源供電。油色譜裝置發(fā)生斷電故障后，通過電源切換電路，切換至備用鋰電池供電，進(jìn)行故障的判斷和報(bào)警信號傳輸。但因?yàn)?20V電源為交流信號，所以需要通過AC-DC整流為直流信號，作為電源切換的參考信號（VCC_SW）。因此，在具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上，電源切換電路（如圖6所示）通過比較VCC_SW引腳電壓和VBAT引腳（鋰電池輸出）電壓，在檢測到VCC_SW引腳電壓為零時(shí)，切換至鋰電池供電。

3、軟件設(shè)計(jì)功能

該斷電故障報(bào)警裝置的主要檢測流程包括：斷電報(bào)警裝置上電初始化、采集數(shù)據(jù)、邏輯判斷條件輸入電壓是否為零、斷電報(bào)警信息上傳流程以及判斷斷電報(bào)警裝置本身的“定時(shí)上傳數(shù)據(jù)”流程。

該斷電故障報(bào)警裝置的檢測對象分為交流和直流電壓兩種，對交流220V電壓信號斷電報(bào)警裝置在檢測到電源切換模塊動作信號后，直接啟動斷電報(bào)警程序。同時(shí)，對直流電壓信號，斷電故障報(bào)警裝置采用輪巡的方式，以固定時(shí)間間隔采集直流電壓信號，當(dāng)檢測到某個(gè)電壓的下降至0時(shí)，裝置斷定在線監(jiān)測系統(tǒng)出于斷電狀態(tài)，以遠(yuǎn)程通信方式告知管理者相關(guān)設(shè)備斷電故障信息。

4、斷電報(bào)警裝置的應(yīng)用

該斷電故障報(bào)警裝置應(yīng)用于某型油色譜在線監(jiān)測裝置上，經(jīng)現(xiàn)場多次通斷電測試，后臺軟件均接受到斷電報(bào)警短信（如圖8所示），證明了該設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)斷電報(bào)警的功能。

具體實(shí)驗(yàn)接線如圖：將斷電報(bào)警裝置的AC1端子接入外部220V電源，AC2端子接入變壓器油色譜在線監(jiān)測裝置的整流模塊輸入端。DC1～DC4直流電壓監(jiān)測端子并聯(lián)接入變壓器油色譜在線監(jiān)測裝置的整流模塊的直流電輸出側(cè)。斷開外部220V交流電源，裝置通過短信向指定手機(jī)發(fā)送報(bào)警短信。在系統(tǒng)重新接通后，報(bào)警裝置發(fā)送短信提示外部電源恢復(fù)正常。

5、結(jié)論

綜上所述，本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的斷電故障報(bào)警自動檢測裝置，裝置以ARMSTM32作為主控制芯片，能夠分別采集油色譜在線監(jiān)測裝置整流模塊的交流電壓和直流電壓，并依據(jù)程序判斷，通過4G遠(yuǎn)程通信實(shí)現(xiàn)斷電報(bào)警功能。為保障裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，本文同時(shí)設(shè)計(jì)了備用電池電源和電源切換電路，能夠裝置在突發(fā)斷電情況下的遠(yuǎn)程報(bào)警。

參考文獻(xiàn)

[1]變電設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)工程應(yīng)用[M]中國電力出版社，2014.

[2]變電設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷[M]中國電力出版社，2010.