基于物聯(lián)網(wǎng)的變壓器遠程監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)

，，，彩玲，，

(浙江大學(xué) 能源工程學(xué)院，浙江 杭州 310027)

0 引言

我國工業(yè)的快速發(fā)展，使得現(xiàn)代的電力系統(tǒng)向著大電網(wǎng)、大容量、高電壓的方向轉(zhuǎn)變，越來越多的電氣設(shè)備被使用，因此保證電力系統(tǒng)的安全運行，對整個國民經(jīng)濟的穩(wěn)定和發(fā)展至關(guān)重要[1]。在各種電氣設(shè)備中，變壓器作為電力系統(tǒng)中的一種關(guān)鍵設(shè)備[2]，它主要是完成電壓、電流的轉(zhuǎn)換工作，其運行故障不僅會影響供電的可靠性，并且嚴重威脅到電力系統(tǒng)的運行安全[4]。

物聯(lián)網(wǎng)近年來得到了飛速發(fā)展，各行各業(yè)都可以見到物聯(lián)網(wǎng)的身影[3]。在變壓器行業(yè)也依然必不可少。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)對變壓器的狀態(tài)參數(shù)進行實時的監(jiān)測，會大大降低變壓器的故障概率[5]。倘若變壓器物聯(lián)網(wǎng)遠程監(jiān)測系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，將能有效整合通信基礎(chǔ)設(shè)施資源和電力系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施資源，進一步實現(xiàn)節(jié)能減排，提升電網(wǎng)信息化、自動化、互動化水平，提高電網(wǎng)運行能力和服務(wù)質(zhì)量[6]。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

變壓器遠程監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)包括監(jiān)控信息采集傳感器、現(xiàn)場信息分析整合系統(tǒng)、遠程信息發(fā)送及接收終端、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、信息處理中心客戶端五部分。系統(tǒng)通過傳感器獲取變壓器運行參數(shù)，本次試驗主要檢測變壓器的冷卻油面溫度、壓力、電壓等，傳感器測得信號會實時發(fā)送到信息整合系統(tǒng)，信息整合系統(tǒng)通過A/D轉(zhuǎn)換，將各傳感器獲得的模擬監(jiān)測信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并通過特定的處理策略，將監(jiān)測信號轉(zhuǎn)換為特定的協(xié)議，本套系統(tǒng)所監(jiān)測到的信號滿足RS485通信協(xié)議，定時匯總到遠程信息發(fā)送及接收終端。遠程發(fā)送終端將監(jiān)控信息通過打包成通用協(xié)議格式，發(fā)送到遠端的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，由服務(wù)器進行信息的存儲和調(diào)度。信息處理中心通過網(wǎng)絡(luò)客戶端連接網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，獲取監(jiān)測信息，并對遠端的變壓器進行實時監(jiān)控。變壓器遠程監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的整體設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

變壓器遠程監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的硬件設(shè)計如圖2所示，主要包括溫度傳感器、壓力傳感器、電壓傳感器等不同類型傳感器，嵌入式系統(tǒng)、DTU設(shè)備以及物聯(lián)網(wǎng)平臺。

溫度傳感器主要是用于變壓器的油溫測試，變壓器的油溫是變壓器是否處在正常工作狀態(tài)的一個非常重要的參數(shù)。壓力傳感器主要用來監(jiān)測變壓器內(nèi)部的壓力是否正常。電壓傳感器主要是用于對變壓器的局部放電進行監(jiān)測。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

嵌入式系統(tǒng)主要是STM-32為處理器，同時搭載的外圍部件AD采集芯片、NAND FLASH模塊、ADXL312模塊、GPS模塊、RS485通信模塊等，從而實現(xiàn)對傳感器信號的采集、處理、保存、傳輸?shù)裙δ堋?/p>

DTU設(shè)備的主要功能是實現(xiàn)讀取嵌入式系統(tǒng)傳輸?shù)腞S485信號，并以GPRS的形式將信號傳給物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。DTU設(shè)備的組成如圖3所示。

圖3 DTU設(shè)備組成

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本次的變壓器遠程監(jiān)測的軟件設(shè)計主要實現(xiàn)上電后進入查詢狀態(tài)，等待間隔層IED下發(fā)來的采集命令，接收到采集指令后，DSP就按一定的數(shù)據(jù)規(guī)約形式給傳感器下發(fā)讀取指令，并開始接收傳感器的返回值，直到接收到這一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束符為止。之后通過返回數(shù)據(jù)的校驗位進行CRC校驗，判斷是否讀取成功。讀取成功后，去掉數(shù)據(jù)頭和控制字、命令字等，僅將數(shù)據(jù)重新打包，并按與IED進行RS485通信的規(guī)約形式給IED返回之前IED下發(fā)的讀取命令的返回值。其軟件流程圖如圖4。

圖4 軟件設(shè)計流程圖

4 系統(tǒng)的試驗驗證

在完成了整個系統(tǒng)的設(shè)計之后，更為重要的就是對系統(tǒng)的準確性和實時性進行試驗驗證。

4.1 試驗設(shè)備

本次試驗的設(shè)備包括PT100溫度傳感器、銅-康銅熱電偶、壓力傳感器、電壓傳感器、指針式溫控器、信號檢測儀、海高斯HL300DTU設(shè)備、恒溫油槽、毫伏計、溫度計、220V電源、24V直流電源、變壓器、普通電纜若干、屏蔽電纜若干等。

4.2 試驗測試

4.2.1 熱電偶的標定

熱電偶的溫差電動勢主要取決于所選用的材料和兩個端點的溫度，而材料中所含的雜質(zhì)和加工工藝過程也會對它產(chǎn)生一定的影響。因而，即使都是由同樣的兩種材料組成的熱電偶，它們的溫差電動勢與溫度的關(guān)系也可能有差別[7]。所以對于每一支焊好的熱電偶，必須標定其熱電勢與溫度的對應(yīng)關(guān)系方可用于互換和對比測定。實驗室通常采用比較法和固定溫度點法進行標定[8]。

圖5 恒溫油槽

固定參考點的溫度與恒定的溫度源在本實驗室獲得較為容易，因此本實驗采用固定溫度法標定熱電偶。具體操作將熱電偶置于恒溫油槽圖5中，通過標準溫度計測得油槽實際溫度，以及通過毫伏計讀出熱電偶中的電勢。標定數(shù)據(jù)進行整理后如圖6所示，而通過最小二乘法進行擬合的函數(shù)如表1所示。

圖6 熱電偶標定曲線

表1 擬合函數(shù)

4.2.2 試驗設(shè)備的安裝與調(diào)試

首先將PT100熱電阻傳感器和指針式溫控器連接在一起，再通過電纜線把指針式溫控器和信號檢測儀連接在一起，在信號檢測儀的485信號輸出端用屏蔽電纜線連接海高斯HL300DTU設(shè)備，屏蔽電纜線的目的主要是防止信號的干擾，以確保測試的準確性。同時，在溫度顯示儀的端口接出一個220V的電源線，連接電源。同理，連接好其他的傳感器。所有的傳感器的信號都集中到信號檢測儀之后，再用電纜線連接信號檢測儀的RS485信號端口和DTU設(shè)備。這樣就完成了設(shè)備的連接工作，檢查無誤后就可以進行檢測了。

4.2.3 試驗過程

溫度的檢測：

1)插上電源以及將海高斯HL300DTU設(shè)備通電，并調(diào)試海高斯HL300DTU設(shè)備通電，確保DTU設(shè)備與中國電信以及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器三者之間保證信號的通暢。

2)將溫度傳感器放到冰水中去，讀出此時溫度顯示儀所顯示的溫度T1，以及讀出在信息處理中心客戶端(計算機)上所看到溫度T2。同時，再用已經(jīng)標定的熱電偶傳感器去測冰水的溫度T0，并把該溫度作為標準溫度來檢驗系統(tǒng)的準確性。

3)再將冰水換成常溫的水，再次測得一組數(shù)據(jù)T0、T1、T2。

4)將常溫的水換成高溫沸水，再測得另一組數(shù)據(jù)。

壓力的檢測：

1)打開24V直流電源，確保壓力傳感器得到供電。

2)將壓力傳感器放在空氣中，也就是輸入壓力為一個大氣壓P0。此時觀察信號檢測儀上所顯示的數(shù)據(jù)P1以及讀出在信息處理中心客戶端(計算機)上所看到的數(shù)據(jù)P2。

3)再把壓力傳感器放到半個大氣壓的環(huán)境中，讀取P1，P2的值。

4)在斷開電源讀取P1，P2的值。

電壓的檢測：

1)設(shè)備連接完畢后，首先直接在傳感器的輸入端接上U0為220V的交流電，然后讀取此時信號檢測儀上的電壓值U1以及信息處理中心客戶端(計算機)上的電壓值U2。

2)用變壓器把輸入電壓U0調(diào)到110V然后讀取U1和U2。

3)在沒有電壓輸入的情況下也就是U0為0的情況下讀取U1和U2。

4.3 數(shù)據(jù)處理與分析

通過試驗測試，對于溫度的測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 溫度檢測表

根據(jù)所測的三組數(shù)據(jù)，可以看出來，T1的值和T2的值始終保持一致，這說明通過熱電阻所測的溫度信號可以通過該變壓器遠程監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)準確的傳送到客戶的計算機中，從而對變壓器的狀態(tài)很方便的進行遠程監(jiān)測，同理，我們也可以推斷，變壓器其他的狀態(tài)參數(shù)也可以得到很準確的遠程監(jiān)測。在以上數(shù)據(jù)中，我們還可以看出Δ=T0-T1，±Δ小于0.2，該設(shè)備測得的油溫與實際值之間誤差較小，說明該系統(tǒng)的測量精度較高，滿足監(jiān)測要求。

表3 壓力檢測表

從上表3看出，P1和P2始終保持一致，更進一步的驗證了該變壓器遠程監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以實時準確的對變壓的參數(shù)進行遠程監(jiān)控。同時Δ=P0-P1，±Δ小于0.3，表明該檢測設(shè)備的精確度較高，可以較為準備的測量出變壓器的壓力參數(shù)。

表4 電壓檢測表

通過表4交流電壓的檢測又進一步驗證了以上觀點，該變壓器遠程監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)同時也可以對變壓器的交流電壓進行一個遠程準確的實時監(jiān)控。

5 結(jié)論

為了實現(xiàn)對變壓器的物理狀態(tài)進行遠程的實時監(jiān)控，本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計出了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的變壓器遠程監(jiān)測系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的整體設(shè)計，分別對硬件和軟件設(shè)計做了介紹，并且同時通過試驗對系統(tǒng)的準確性、實時性進行了分析，通過試驗也表明：1)該變壓器遠程監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以實現(xiàn)對變壓器各種參數(shù)的遠程監(jiān)測，同時在信息處理中心客戶端所看到的數(shù)據(jù)與傳感器所測得的數(shù)據(jù)保持一致。2)該變壓器遠程監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)所監(jiān)測的數(shù)據(jù)與真實數(shù)據(jù)相比誤差小，精度高，可以滿足監(jiān)測的要求。

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