一種配電變壓器非電量監(jiān)測裝置

沈劍韜，劉 偉，劉 毅

（上海置信電氣有限公司，上海 200050）

配電變壓器作為配電系統(tǒng)的核心設(shè)備，其安全平穩(wěn)運(yùn)行直接影響配電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，進(jìn)而及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，并且對(duì)可能發(fā)生的故障進(jìn)行預(yù)警，這對(duì)于延長變壓器使用壽命、提高電網(wǎng)運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性有著重要意義[1-2]。而配電變壓器各類非電量可以有效反映其運(yùn)行工況和健康狀態(tài)，本文針對(duì)配電變壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了深度集成微功耗傳感器的非電量監(jiān)測裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)配電變壓器油溫、油位、油壓、樁頭溫度和局放等非電量的實(shí)時(shí)監(jiān)測。并且在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，各類非電量監(jiān)測功能可以根據(jù)不同需求靈活組合。

1 總體設(shè)計(jì)方案

非電量監(jiān)測裝置的設(shè)計(jì)方案包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)。裝置在原有管狀油位計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，集成了油位、壓力、油溫和局放等非電量測量功能。裝置的整體結(jié)構(gòu)基本保持原有的管狀油位計(jì)結(jié)構(gòu)，溫度傳感器PT100 鉑電阻從金屬連桿和浮子中穿過，壓力、油位、局放和樁頭溫度等傳感器集成于PCB 板上安裝于裝置的最頂部，壓力釋放閥安裝于側(cè)面，裝置頂部的太陽能電池板可作為備用供電電源，裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖1 所示。

圖1 非電量監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

裝置的硬件設(shè)計(jì)主要包括MCU 最小系統(tǒng)、電源、傳感器信號(hào)的處理和串口通信等，設(shè)計(jì)框圖如圖2 所示。其中MCU 選用兆易創(chuàng)新GD32F330 系列芯片，相比于同類型國外芯片，國產(chǎn)芯MCU 具有成本低、技術(shù)自主可控等優(yōu)勢。該MCU 基于ARM 架構(gòu)的Cortex-M4內(nèi)核，最高主頻可到84 MHz，存儲(chǔ)方面集成了64 KB嵌入式FLASH 與8 KB 的RAM，具備各類通用總線以及豐富的模擬、數(shù)字外設(shè)。

圖2 非電量監(jiān)測裝置硬件設(shè)計(jì)框圖

2 非電量傳感器的應(yīng)用

裝置監(jiān)測的非電量類型包括油溫、油位、壓力、環(huán)境溫度、樁頭溫度和局放等，在本裝置設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定油溫、油位、壓力為必選項(xiàng)，其他為選配項(xiàng)，可根據(jù)實(shí)際需要靈活組合。油位傳感器選用某型號(hào)紅外傳感器，測距范圍2～15 cm，分辨率1 mm，利用紅外線反射原理將傳感器和被測物體間的距離轉(zhuǎn)換為模擬電壓輸出。傳感器將測量的擋板移動(dòng)距離等效為油位變化的距離，傳感器輸出的電壓信號(hào)需進(jìn)行調(diào)理后再輸入到MCU 的ADC 通道（圖3）。

溫度傳感器選用常用的PT100 鉑電阻[3-4]，溫度傳感器信號(hào)接入TPS02R 測溫模塊，該測溫模塊可用于配合溫度傳感器PT100 進(jìn)行溫度測試，可同時(shí)進(jìn)行2 通道溫度檢測（兼容油溫和環(huán)境溫度），模塊通過IIC通信接口與MCU 通信。測溫范圍-200～850 ℃，測溫分辨率0.01 ℃（圖4）。

圖4 油溫測量模塊應(yīng)用電路原理圖

壓力傳感器選用某型號(hào)壓力測量芯片，內(nèi)有封裝的壓力傳感器與信號(hào)調(diào)理芯片，對(duì)傳感器的偏移、靈敏度、溫漂和非線性進(jìn)行數(shù)字補(bǔ)償。并且調(diào)理芯片內(nèi)置溫度傳感器，可以輸出高精度的壓力值和溫度值。壓力測量范圍0～200 kPa，測量精度±4 kPa，傳感器也通過IIC通信接口與MCU 通信。樁頭（電纜接頭）溫度測量采用無線測溫傳感器[5-6]，傳感器為捆綁式結(jié)構(gòu)，使用時(shí)安裝于電纜接頭位置，配套接收模塊集成與裝置內(nèi)部的PCB 板中。測溫傳感器與接收模塊之間利用無線通信方式連接，通信頻率433 MHz，傳輸距離約200 m，溫度數(shù)據(jù)最終通過裝置MCU 利用串口通信方式讀取。

3 軟件設(shè)計(jì)原理

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)流程主要包括系統(tǒng)初始化、傳感器參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集及濾波處理、數(shù)據(jù)校驗(yàn)和上傳等。初始化包括括系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、I/O 口初始化、IIC初始化、A/D 轉(zhuǎn)換初始化和相關(guān)傳感器設(shè)置的初始化，在初始化成功后需設(shè)置當(dāng)前傳感器的使用參數(shù)。傳感器在采集數(shù)據(jù)的過程中會(huì)先與設(shè)置的條件參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，對(duì)不符合要求的數(shù)據(jù)則重新采集，同時(shí)為了濾除相關(guān)的干擾信號(hào)，在程序中加入數(shù)字信號(hào)濾波算法，再對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)分析，根據(jù)當(dāng)前的通信狀態(tài)按協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。最后，對(duì)各個(gè)非電量測量值設(shè)置相應(yīng)的閾值，用于可能出現(xiàn)異常情況的預(yù)警，后續(xù)在搜集大量現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上可建議評(píng)估模型對(duì)變壓器的工作狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估[7]，軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5 所示。

圖5 非電量監(jiān)測裝置軟件設(shè)計(jì)流程圖

油位傳感器直接輸入模擬電壓信號(hào)，通過MCU 的I/O 口進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，在程序設(shè)計(jì)中加入濾波算法，確保讀取油位數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。油溫及壓力數(shù)據(jù)均IIC 方式與MCU 通信，在程序設(shè)計(jì)時(shí)首先配置MCU 的IIC 讀寫功能函數(shù)，然后在傳感器配置參數(shù)時(shí)正確調(diào)用即可。由于2 個(gè)傳感器共用一組IIC 通信，因此還需在程序中配置相應(yīng)的延時(shí)。樁頭測溫傳感器通過UART 接口與MCU 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，最后配置Modbus 通信協(xié)議將各類監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至臺(tái)區(qū)融合終端。實(shí)際應(yīng)用時(shí)用Modbus Poll 讀取數(shù)據(jù)如圖6 所示。

圖6 實(shí)際應(yīng)用時(shí)非電量監(jiān)測數(shù)據(jù)的讀取

各非電量監(jiān)測數(shù)據(jù)從上到下依次為油溫、油位、壓力、裝置內(nèi)部溫度、環(huán)境溫度、樁頭溫度，其中環(huán)境溫度傳感器暫時(shí)未安裝，樁頭溫度因傳感器本身的采樣間隔未能在同一時(shí)刻顯示數(shù)值。另外，對(duì)于油溫、油位、樁頭溫度都設(shè)定相應(yīng)的閾值，在超出閾值的情況下裝置可以發(fā)出告警信息。

4 非電量監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸

基于變壓器非電量在線監(jiān)測技術(shù)，利用相關(guān)的通信技術(shù)對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)傳，確保通信方式的可靠和便利性。在配電臺(tái)區(qū)不具備融合終端的條件下，監(jiān)測裝置通過4G 通信模塊與后臺(tái)主站通信。用4G 通信模塊和變壓器測溫裝置通過RS-485 進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，將變壓器的非電量數(shù)據(jù)傳送至通信模塊，再由通信模塊通過透傳上送至云端進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及展示，其原理框圖如圖7 所示。

圖7 4G 通信方式傳輸原理框圖

監(jiān)測裝置通過RS-485 連接通信模塊，利用4G 通信模塊的專用配置軟件，按照產(chǎn)品說明書或技術(shù)手冊(cè)將模塊配置為可聯(lián)網(wǎng)透傳的狀態(tài)。打開瀏覽器進(jìn)入4G模塊云控制臺(tái)，在圖8 所示網(wǎng)頁界面，通過“添加設(shè)備”將需要聯(lián)網(wǎng)透傳的4G 通信模塊配置完成后進(jìn)入“編輯設(shè)備”。

圖8 添加聯(lián)網(wǎng)設(shè)備

進(jìn)入“編輯設(shè)備”界面填寫設(shè)備的基本信息，配置好設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和4G 模塊的透傳方式。修改保存好設(shè)備信息和配置后，返回圖9 界面，進(jìn)入“數(shù)據(jù)查看”，即可在此界面獲取到所需的非電量數(shù)據(jù)。

圖9 非電量監(jiān)測數(shù)據(jù)查看

在配電臺(tái)區(qū)具備融合終端的條件下，監(jiān)測裝置通過RS-485 方式與融合終端通信。配電臺(tái)區(qū)作為電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)單元，對(duì)未來電網(wǎng)的數(shù)字化和智能化建設(shè)具有重要意義。未來的配電臺(tái)區(qū)將以配電變壓器為主體，以智能終端為核心，融合各類一二次設(shè)備。具有電能分配、電能計(jì)量、用電安全、電能質(zhì)量治理、信息采集、統(tǒng)計(jì)分析、狀態(tài)監(jiān)測、安全防護(hù)、配網(wǎng)相關(guān)信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入、用戶互動(dòng)、電氣結(jié)構(gòu)感知以及設(shè)備自動(dòng)管理等諸多功能，成為新型電力系統(tǒng)中的重要一環(huán)，配電臺(tái)區(qū)的總體架構(gòu)如圖10 所示。

圖10 配電臺(tái)區(qū)架構(gòu)示意圖

而非電量監(jiān)測裝置未來會(huì)在配電臺(tái)區(qū)中體現(xiàn)其重要意義，根據(jù)裝置測量的油溫、油位、壓力及臺(tái)區(qū)終端測量的電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)，可以進(jìn)一步建立相關(guān)評(píng)估模型[8]，然后將所有的數(shù)據(jù)匯集到融合終端進(jìn)行計(jì)算。例如，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)分析，變壓器油溫、環(huán)境溫度、負(fù)荷情況存在明顯的相關(guān)性，則可以進(jìn)一步建立評(píng)價(jià)模型對(duì)以上指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，對(duì)異常情況進(jìn)行預(yù)判。另外，根據(jù)監(jiān)測裝置測得的油溫、油位、壓力數(shù)據(jù)可以對(duì)變壓器運(yùn)行時(shí)的健康狀態(tài)做出評(píng)估[9]。

非電量監(jiān)測裝置本身預(yù)留的多種傳感器接口可以作為未來的功能拓展，例如可以增加微水傳感器、環(huán)境溫濕度傳感器等，則相應(yīng)的狀態(tài)評(píng)估模型也會(huì)得到拓展。微水、油溫、環(huán)境溫濕度可以用于評(píng)估變壓器油的絕緣性能，還可以根據(jù)變壓器油溫、環(huán)境溫度、負(fù)荷情況評(píng)估變壓器的老化速率。因此，未來非電量監(jiān)測裝置的功能會(huì)有更大的拓展和提升，在推進(jìn)配電臺(tái)區(qū)的數(shù)字化和智能化方面有著重要意義。

5 結(jié)論

從未來電力系統(tǒng)的發(fā)展看，對(duì)變壓器等一次設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測及狀態(tài)評(píng)估是未來的重要趨勢。配電變壓器非電量監(jiān)測裝置可以實(shí)時(shí)監(jiān)測配電變壓器的運(yùn)行工況并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并且可以對(duì)異常情況進(jìn)行預(yù)警。監(jiān)測裝置后續(xù)會(huì)進(jìn)一步完善相關(guān)的評(píng)估模型，更好地評(píng)估配電變壓器的工作狀態(tài)以及確保配電變壓器運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，最終有力地推動(dòng)配電網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)字化和智能化建設(shè)進(jìn)程。