基于可視化的變壓器運(yùn)輸監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

冷傳波 郭錫文 肖毅

[摘要]大型變壓器長(zhǎng)距離運(yùn)輸存在眾多的安全風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)電網(wǎng)的健康安全運(yùn)行有重要的影響。為實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器運(yùn)輸過(guò)程監(jiān)控，保障性能，需要提高變壓器運(yùn)輸質(zhì)量管理的系統(tǒng)化和信息化水平。文章分別從監(jiān)控中心、通信中心、監(jiān)測(cè)終端和集中控制器四個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)層次出發(fā)，初步設(shè)計(jì)了基于可視化的變壓器運(yùn)輸質(zhì)量監(jiān)測(cè)監(jiān)控管理平臺(tái)。該監(jiān)控管理平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)變壓器關(guān)鍵參數(shù)運(yùn)輸狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，運(yùn)輸危險(xiǎn)狀態(tài)報(bào)警和趨勢(shì)分析，監(jiān)控變壓器運(yùn)輸?shù)膶?shí)時(shí)狀態(tài)，為保證設(shè)備運(yùn)輸質(zhì)量提供有力保障。

[關(guān)鍵詞]變壓器；運(yùn)輸；可視化；監(jiān)控平臺(tái)

[DOI]1013939/jcnkizgsc201726130

1引言

隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，西南地區(qū)將規(guī)劃建設(shè)大型變電（換流）站等基數(shù)設(shè)施。這些工程涉及大型變壓器長(zhǎng)距離運(yùn)輸。變壓器在運(yùn)輸方式有公路、鐵路、水運(yùn)以及它們之間兩種或者三種方式的組合，運(yùn)輸和換裝過(guò)程中不可避免地會(huì)受到顛簸、沖擊、傾斜等。這些風(fēng)險(xiǎn)因素如果超出規(guī)定值，就會(huì)造成變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷，給產(chǎn)品質(zhì)量和工程按期投運(yùn)帶來(lái)極大影響。

因此，需要建立可視化的變壓器運(yùn)輸質(zhì)量監(jiān)測(cè)監(jiān)控管理平臺(tái)。該管理平臺(tái)具備以下主要功能：一是影響安全的主要參數(shù)在運(yùn)輸中實(shí)時(shí)遠(yuǎn)傳監(jiān)控；二是運(yùn)輸危險(xiǎn)狀態(tài)報(bào)警，提示承運(yùn)人員準(zhǔn)備安全保障措施。

2運(yùn)輸過(guò)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代屢次出現(xiàn)變壓器受運(yùn)輸沖擊影響，致使變壓器使用壽命大幅度縮短。20世紀(jì)80年代后，我國(guó)提出的《三相油浸式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求》的方案規(guī)定：220KV變壓器運(yùn)輸需安裝封閉式?jīng)_擊震動(dòng)記錄儀。在《電氣裝置安裝工程電力變壓器、油浸電抗器、互感器施工及驗(yàn)收規(guī)范》中，規(guī)范了大型變壓器運(yùn)輸要求，提出了沖擊加速度、壓力（充氮運(yùn)輸）、傾斜度等運(yùn)輸安全參數(shù)。尤其在近年我國(guó)特高壓交直變壓器運(yùn)輸，提出了更高的安全運(yùn)輸要求。

運(yùn)輸遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在物流行業(yè)已經(jīng)進(jìn)行了初步嘗試。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”的興起，主要使用在以下領(lǐng)域：裝箱運(yùn)輸集中監(jiān)控、奶源運(yùn)輸遠(yuǎn)程監(jiān)控、危險(xiǎn)品運(yùn)輸遠(yuǎn)程監(jiān)控、危重物品運(yùn)輸監(jiān)控等。隨著我國(guó)特高壓工程快速發(fā)展，特高壓變壓器運(yùn)輸?shù)倪h(yuǎn)程監(jiān)控引起電網(wǎng)公司的重視。目前對(duì)于大型變壓器運(yùn)輸過(guò)程監(jiān)控主要是利用其他行業(yè)運(yùn)輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。但由于行業(yè)背景不同，在適用性上只能滿(mǎn)足部分變壓器運(yùn)輸?shù)男滦枨?。其他行業(yè)運(yùn)輸過(guò)程的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用的功能如表1所示。

從表1可以看出，由于行業(yè)要求不同，變壓器生產(chǎn)廠(chǎng)家和用戶(hù)很難實(shí)時(shí)掌握變壓器運(yùn)輸過(guò)程中的以下信息：一是運(yùn)輸路線(xiàn)；二是當(dāng)前地理位置；三是行駛速度；四是三軸加速度；五是雙軸傾斜角度；六是氮?dú)鈮毫Γ黄呤邱{駛員駕駛狀態(tài)；八是大型車(chē)組運(yùn)行實(shí)時(shí)路況等重要信息。這些信息對(duì)于廠(chǎng)家了解變壓器運(yùn)輸安全和用戶(hù)安排施工進(jìn)度是非常重要的。另外，在設(shè)備運(yùn)輸?shù)竭_(dá)現(xiàn)場(chǎng)后才能查看，對(duì)發(fā)現(xiàn)的設(shè)備故障，運(yùn)輸質(zhì)量無(wú)法判定，相關(guān)責(zé)任難以界定。

3系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

參考國(guó)內(nèi)類(lèi)似可視化平臺(tái)基本理論，大型變壓器運(yùn)輸質(zhì)量監(jiān)測(cè)可視化監(jiān)控管理平臺(tái)由四個(gè)部分組成，分別為監(jiān)測(cè)終端、集中控制器、通信中心和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，其總體系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)下圖。

監(jiān)控中心是整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的匯集及管理中樞；通信中心是信息傳輸公共平臺(tái)；監(jiān)視終端和集中控制器通過(guò)ZigBee技術(shù)構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)智能傳感網(wǎng)絡(luò)，共同完成運(yùn)輸技術(shù)參數(shù)采集。系統(tǒng)通過(guò)控制集中控制器，可智能識(shí)別終端設(shè)備，增減監(jiān)測(cè)終端數(shù)量，完成網(wǎng)絡(luò)組建。監(jiān)測(cè)終端主要負(fù)責(zé)采集運(yùn)輸過(guò)程中的相關(guān)參數(shù)（沖擊和振動(dòng)加速度、車(chē)體傾斜角度、充氮壓力等），并通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)郊锌刂破?。通過(guò)以上信息采集、傳輸、反饋等對(duì)大型變壓器運(yùn)輸過(guò)程中各項(xiàng)安全指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和管理，確保整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程在可控范圍內(nèi)實(shí)施。

系統(tǒng)架構(gòu)圖

31監(jiān)控中心設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心是整個(gè)系統(tǒng)的中樞，由無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)路由器、多個(gè)服務(wù)器和防火墻等設(shè)備組成。它的作用是在運(yùn)輸過(guò)程中，記錄全程線(xiàn)路、數(shù)據(jù)，并對(duì)運(yùn)輸安全狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)定；在運(yùn)輸結(jié)束后，對(duì)全程運(yùn)輸數(shù)據(jù)分析，對(duì)運(yùn)輸質(zhì)量評(píng)定，并保存完整的記錄數(shù)據(jù)。

監(jiān)控中心的設(shè)計(jì)需要結(jié)合變壓器運(yùn)輸安全管理流程和所需功能完成：一是梳理電力設(shè)備運(yùn)輸?shù)膮⑴c者和管理流程，錄入運(yùn)輸計(jì)劃和方案、運(yùn)輸安全在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和預(yù)警報(bào)警、運(yùn)輸后的狀態(tài)記錄永久追溯和運(yùn)輸質(zhì)量的量化評(píng)價(jià)等，實(shí)現(xiàn)信息維護(hù)、數(shù)據(jù)查詢(xún)等功能；二是將分散信息整合到平臺(tái)中，運(yùn)輸過(guò)程形成有效的計(jì)劃、執(zhí)行、檢查、處理管理循環(huán)；三是結(jié)合設(shè)備運(yùn)輸參與者，按照運(yùn)輸時(shí)間發(fā)生順序，實(shí)現(xiàn)大型變壓器運(yùn)輸質(zhì)量的在線(xiàn)管控。

電網(wǎng)公司、設(shè)備廠(chǎng)商、運(yùn)輸企業(yè)可通過(guò)設(shè)定專(zhuān)用通道查詢(xún)、調(diào)取相應(yīng)內(nèi)容比如運(yùn)輸計(jì)劃、運(yùn)輸信息、變壓器在途安全信息、運(yùn)輸車(chē)輛和運(yùn)輸路線(xiàn)等信息。運(yùn)輸結(jié)束后還可以調(diào)取不同時(shí)間和地點(diǎn)行車(chē)路線(xiàn)和傳感器數(shù)據(jù)等信息。

32通信中心設(shè)計(jì)

通信中心的設(shè)計(jì)主要通過(guò)變壓器本體和車(chē)輛監(jiān)測(cè)信息的匯總集中，預(yù)期實(shí)現(xiàn)的功能主要功能有：一是向隨車(chē)同行作業(yè)人員提供變壓器本體實(shí)時(shí)運(yùn)輸狀態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)危險(xiǎn)狀態(tài)實(shí)時(shí)報(bào)警，該信息可根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)短距離的可靠傳輸；二是采用GPRS 網(wǎng)絡(luò)信息傳輸技術(shù)，將狀態(tài)信息遠(yuǎn)傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心和相關(guān)負(fù)責(zé)人員；三是可采用GPS 技術(shù)，將車(chē)輛的實(shí)時(shí)地理位置信息每分鐘（根據(jù)需要調(diào)整）傳送給遠(yuǎn)方監(jiān)控中心。

利用監(jiān)測(cè)裝置和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心對(duì)變壓器的運(yùn)輸全過(guò)程進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，主要包括以下內(nèi)容：一是運(yùn)輸基本情況：運(yùn)輸路線(xiàn)、行駛速度、車(chē)輛實(shí)時(shí)地理位置定位等；二是變壓器本體內(nèi)部氣體壓力、傾斜角度、縱向和橫向及垂直加速度的實(shí)時(shí)數(shù)值；三是預(yù)警次數(shù)、超限次數(shù)、氮?dú)馄繅毫蜌馄扛鼡Q情況等。

該系統(tǒng)采取一體化設(shè)計(jì)，在生產(chǎn)廠(chǎng)家統(tǒng)一集中部署、統(tǒng)一分析和存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程、管理標(biāo)準(zhǔn)與指標(biāo)體系有機(jī)集合，實(shí)現(xiàn)變壓器臺(tái)賬信息、車(chē)輛信息、狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息、調(diào)度計(jì)劃信息的處理和信息展現(xiàn)有機(jī)融合。endprint

33監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)終端是運(yùn)輸過(guò)程中安全和技術(shù)指標(biāo)的檢測(cè)裝置，主要由各類(lèi)傳感器組成。檢測(cè)內(nèi)容包括：車(chē)輛行駛速度和變壓器沖擊加速度、傾斜角度、內(nèi)部充氮壓力等參數(shù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示分析，提醒相關(guān)人員執(zhí)行正確操作，保證大型變壓器的運(yùn)輸安全。

檢測(cè)終端檢測(cè)到數(shù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)集中控制器。目前數(shù)據(jù)傳輸采用ZigBee收發(fā)器CC2530通過(guò)遙控方式開(kāi)啟。穩(wěn)壓電路將電池的電壓轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)各部件所需的電源電壓。各種傳感器負(fù)責(zé)采集變壓器運(yùn)輸過(guò)程中的監(jiān)測(cè)狀態(tài)參數(shù)，運(yùn)輸過(guò)程中影響變壓器安全和質(zhì)量的主要因素包括：沖擊加速度值（三軸加速度）、傾斜角度、充氮壓力（充氮運(yùn)輸）、運(yùn)輸實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)和車(chē)輛行駛速度等。

331沖擊振動(dòng)傳感器

沖擊振動(dòng)傳感器是測(cè)量變壓器運(yùn)輸沖擊加速度的傳感器，要求具有性能穩(wěn)定、精度高、溫漂小、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便等特點(diǎn)；并且實(shí)現(xiàn)全程監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)預(yù)警的功能。沖擊振動(dòng)傳感器采用三線(xiàn)制數(shù)字輸出，可通過(guò)協(xié)議發(fā)送指令控制。

沖擊振動(dòng)處理器定期向傳感器發(fā)送釆集指令，然后通過(guò)電路向處理器發(fā)送沖擊振動(dòng)數(shù)據(jù)。目前，常用沖擊振動(dòng)器可測(cè)三軸±8g以?xún)?nèi)的加速度值。傳感器的釆集時(shí)間間隔可根據(jù)需求設(shè)置，傳感器可將三軸（X，Y，Z）加速度的絕對(duì)最大值記錄，并可求出最大值、最小值、平均值和三軸矢量和。變壓器運(yùn)輸過(guò)程中，水平?jīng)_擊加速度不大于3g，垂直沖擊加速度不超過(guò)2g。根據(jù)變壓器需要，在箱體內(nèi)外裝有多個(gè)沖擊記錄儀，要求每個(gè)沖擊記錄儀測(cè)定值都不超標(biāo)。

332氮?dú)鈮毫鞲衅?/p>

變壓器完成實(shí)驗(yàn)后，需放空變壓器油并在油箱內(nèi)注入高純氮?dú)猓兌葹?999%以上，露點(diǎn)為-35℃）。在運(yùn)輸過(guò)程中，由于氮?dú)庥行×啃孤?，需要隨時(shí)準(zhǔn)備補(bǔ)充注入合格氣體，以保證箱內(nèi)壓力在 20kPa～30kPa內(nèi)。

氮?dú)鈮毫鞲衅鲗?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和處理。常用的傳感器可測(cè)定0～100kPa內(nèi)氣體壓力。氮?dú)鈮毫鞲衅髋c處理器之間采用RS485串口通信，可以輸出1～5V信號(hào)，在B和A接入電阻R13，可以增強(qiáng)其抗干擾能力，防止處理器收到亂碼。

333傾斜角傳感器

特高壓變壓器公路運(yùn)輸時(shí)，本體沿長(zhǎng)軸、短軸方向傾斜分別不大于15°和10°；水路運(yùn)輸時(shí)，本體傾斜角度不大于15°。目前，ZCT245AN-232雙軸傾角傳感器具有體積小、重量輕、測(cè)角范圍±45°等優(yōu)點(diǎn)，便于安裝和數(shù)據(jù)傳輸。

334全程視頻觀(guān)測(cè)

目前，變壓器廠(chǎng)家要求變壓器主體運(yùn)輸時(shí)必須對(duì)運(yùn)輸過(guò)程全方面進(jìn)行監(jiān)控。影像資料保存并作為付款依據(jù)。為滿(mǎn)足需要，大件運(yùn)輸前將便攜式監(jiān)控?cái)z像頭連接在專(zhuān)用車(chē)輛上（12V電源），全程檢測(cè)變壓器運(yùn)輸實(shí)況。

335其他檢測(cè)設(shè)備

根據(jù)生產(chǎn)廠(chǎng)家和用戶(hù)的需要，可以增加其他監(jiān)控設(shè)備，保證變壓器安全、質(zhì)量和緊急事態(tài)預(yù)防。比如駕駛員狀態(tài)監(jiān)視器，由近紅外線(xiàn)照相機(jī)和ECU構(gòu)成。該裝置安裝在遮光板的正下方，近紅外線(xiàn)照相機(jī)定期拍攝出駕駛者畫(huà)像，然后通過(guò)ECU對(duì)駕駛員臉的方向和眼睛開(kāi)合狀態(tài)等進(jìn)行解析，發(fā)現(xiàn)駕駛者持續(xù)眼睛處于閉合狀態(tài)，該系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)提示駕駛員。

34集中控制器設(shè)計(jì)

集中控制器有兩個(gè)功能：一是將實(shí)現(xiàn)各終端傳感器的集中管控；二是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)匯集、處理、數(shù)據(jù)上送和指令接收等功能。集中控制器由軟件和硬件兩部分組成。軟件分為應(yīng)用層、框架層、驅(qū)動(dòng)層，是智能傳感網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心的接口負(fù)責(zé)從監(jiān)控中心接收命令，同時(shí)把各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控中心。硬件部分構(gòu)成見(jiàn)表2。

4系統(tǒng)可視化功能說(shuō)明

根據(jù)特高壓變壓器運(yùn)輸安全需要，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可視化功能分為以下幾個(gè)部分：運(yùn)輸線(xiàn)路可視化、運(yùn)輸計(jì)劃任務(wù)進(jìn)度可視化、運(yùn)輸實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)及歷史回放可視化和可見(jiàn)光視頻及照片數(shù)據(jù)可視化。詳見(jiàn)表3。

定位模塊，按照設(shè)定的時(shí)間間隔對(duì)地理位置進(jìn)行采樣定位，定位信息一方面在隨運(yùn)輸車(chē)輛實(shí)時(shí)就地顯示，另一方面通過(guò)GPRS通信將地理位置信息實(shí)時(shí)遠(yuǎn)傳至監(jiān)測(cè)中心，在監(jiān)測(cè)中心地圖上，實(shí)時(shí)顯示變壓器各種運(yùn)輸位置信息。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)GPS和北斗定位信息，實(shí)時(shí)計(jì)算運(yùn)輸車(chē)輛的行駛速度

4

其他信息

三軸沖擊加速度值、變壓器內(nèi)部氣體壓力值、補(bǔ)氣裝置氣體壓力值、自動(dòng)補(bǔ)氣動(dòng)作信息、傾斜角度值及車(chē)輛行駛速度等信息，通過(guò)GPRS遠(yuǎn)傳至儲(chǔ)存與運(yùn)輸狀態(tài)監(jiān)測(cè)后臺(tái)，并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的展示與發(fā)布

5結(jié)論及建議

第一，回顧了國(guó)內(nèi)外對(duì)于大型設(shè)備運(yùn)輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀；結(jié)合特高壓變壓器安全運(yùn)輸特性，指出重點(diǎn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目指標(biāo)，如沖撞加速度、氮?dú)鈮毫?、自?dòng)補(bǔ)氣、全程視頻監(jiān)視等。

第二，本文初步介紹了基于可視化的變壓器運(yùn)輸監(jiān)控平臺(tái)；并結(jié)合系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，從結(jié)構(gòu)和功能上分析了監(jiān)控中心、通信中心、監(jiān)測(cè)終端和集中控制器。

第三，基于可視化的變壓器運(yùn)輸監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)工程，需要人員和設(shè)備較大投入。要完全實(shí)現(xiàn)該可視化平臺(tái)功能，需要電網(wǎng)公司、變壓器生產(chǎn)廠(chǎng)家和承運(yùn)單位共同推動(dòng)。

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[作者簡(jiǎn)介]冷傳波，中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司；郭錫文，中特物流有限公司；肖毅，中特物流有限公司；蔡偉龍，中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司；李文濤，中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司。endprint