基于Cortex-M3的變壓器運行狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)設計

王紅亮，龐 佳

(四方特變電工智能電氣有限公司，遼寧 沈陽 110144)

變壓器是變電站內(nèi)設備的核心組成部分，其安全穩(wěn)定運行是國民經(jīng)濟發(fā)展的前提。1臺大型電力變壓器價格要在幾千萬元，一旦發(fā)生故障損失非常大。因此，對變壓器運行參數(shù)進行實時監(jiān)測意義重大。在其發(fā)生故障情況時，實時預警是發(fā)現(xiàn)問題、減少損失的最直接手段[1-4]。變壓器技術參數(shù)特征很多，開關量信號和4～20 mA占其很大部分。

傳統(tǒng)的變壓器常規(guī)信號監(jiān)測都是將信號通過電纜接到信號箱內(nèi)，然后再將信號引到監(jiān)測裝置。這樣就需要大量的線纜，施工上也比較復雜。本設計終端采用Cortex-M3內(nèi)核處理器作為變壓器數(shù)據(jù)遠程傳輸裝置的核心控制器，采用無線通信技術將采集數(shù)據(jù)上傳至后臺服務器，裝置采用小型化設計，可以單獨安裝在變壓器上，也可以將裝置安裝在信號箱內(nèi)，實現(xiàn)將信號箱需要監(jiān)測的信號進行采集并無線遠傳，安裝方式靈活，可以很好地減少現(xiàn)場走線[5-6]。此外，后臺服務器配有報警裝置，可在監(jiān)測到故障信號時進行短信預警。

1 系統(tǒng)構架設計

基于Cortex-M3的變壓器遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。包括現(xiàn)場采集裝置和后臺數(shù)據(jù)服務器兩部分。現(xiàn)場裝置可以選擇安裝在變壓器本體上，以減少變壓器因現(xiàn)場走線帶來的過多橋架設置及現(xiàn)場復雜走線，同時也可以安裝在控制箱內(nèi)，對引進控制箱內(nèi)的信號進行采集和傳輸，應用靈活。

監(jiān)測系統(tǒng)支持4路4～20 mA信號、4路開關量信號、現(xiàn)場溫濕度信號的現(xiàn)場采集，監(jiān)測信息可以進行就地顯示，同時通過TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_數(shù)據(jù)服務器，后臺服務器對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行解析并顯示。同時支持Modbus通信協(xié)議，可在現(xiàn)場對數(shù)據(jù)進行有線傳輸。用戶可以通過瀏覽器查看監(jiān)測信息。后臺同時配置短信報警裝置，如果監(jiān)測數(shù)據(jù)異常，將報警信息以短信形式發(fā)送給相應工作人員[7-9]。

圖1 系統(tǒng)構架示意圖

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)設計功能

終端監(jiān)測裝置采用ARM Cortex-M3內(nèi)核處理器芯片為主CPU，主要實現(xiàn)對變壓器常規(guī)信號進行實時監(jiān)測，裝置主要實現(xiàn)的功能如下。

a. 通信功能。接收上位機發(fā)送的指令，根據(jù)指令內(nèi)容完成相應操作。并將現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)胶笈_數(shù)據(jù)服務器。

b. 支持4路4～20 mA、4路開關量信號及現(xiàn)場溫濕度信息進行就地采集，并對故障信息進行存儲及本地顯示。

c. 支持2路RS485通信，遵循mudbus協(xié)議，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)現(xiàn)場有線傳輸。

d. 支持1路繼電器輸出，可驅(qū)動下一級繼電器或者將輸出節(jié)點信號傳至監(jiān)控中心。

e. 支持SD拷貝功能，可就地讀取拷貝裝置監(jiān)測數(shù)據(jù)及對裝置進行程序升級。

f. 后臺配置短信貓模塊，可對故障數(shù)據(jù)進行短信預警。

2.2 硬件設計

裝置硬件主要實現(xiàn)變壓器運行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息、溫濕度信息的就地采集、顯示及數(shù)據(jù)的無線傳輸功能；支持現(xiàn)場2路RS485通信，同時支持繼電器狀態(tài)輸出，驅(qū)動下一級繼電器電路或裝置；支持SD卡現(xiàn)場拷貝數(shù)據(jù)功能。裝置可以遠程接收服務器后臺操作指令，實現(xiàn)對監(jiān)測終端的控制和參數(shù)配置。監(jiān)測終端主要包括：電源模塊，溫濕度電路，CPU單元，RTC實時時鐘，SIM900D無線通信單元，看門狗電路，RS485電路，繼電器電路，SD卡電路，裝置硬件結(jié)構如圖2所示。

圖2 裝置硬件結(jié)構

2.2.1 CPU電路設計

變壓器運行狀態(tài)在線監(jiān)測裝置采用Cortex-M3內(nèi)核處理器的LPC1768芯片，操作頻率可達 100 MHz，具有3 級流水線和哈佛結(jié)構。包含512 KB 的 flash 存儲器、64 KB 的數(shù)據(jù)存儲器、4 路UART、2路 SPI 接口、8 通道的 12 位 ADC、4個通用定時器、帶有獨立電池供電的超低功耗 RTC，適用于處理要求高度集成和低功耗的嵌入式應用。本設計中主要實現(xiàn)對監(jiān)測參數(shù)采集控制及無線傳輸數(shù)據(jù)封裝整合，在接收到上位機指令時對指令進行解析判斷，并進行處理操作[10]。

2.2.2 電源設計

變壓器數(shù)據(jù)遠傳裝置電源部分采用DC24 V供電。電源芯片TPS54231將輸入DC24 V轉(zhuǎn)換成供GSM電路供電的DC4.2 V, TPS54231輸入電壓范圍廣，輸出電流最高可達2 A。DC4.2 V通過LDO芯片轉(zhuǎn)換成供MCU工作的MCU_3.3 V電源。MCU_3.3電源一方面通過PI型濾波電路為ADC電路提供基準電壓3.3 V，還通過金升陽電源隔離模塊F0303XT-1W為RS485電路提供DC3.3 V工作電源。隔離設計很好地保護CPU電源免受外界干擾。

圖3為電源系統(tǒng)方案設計，圖4為DC24 V轉(zhuǎn)DC4.2 V電路，圖5為DC4.2 V轉(zhuǎn)DC3.3 V電路。

圖3 電源設計方案

圖4 DC24 V轉(zhuǎn)DC4.2 V電路

圖5 DC4.2 V轉(zhuǎn)DC3.3 V電路

2.2.3 GSM無線通信電路

GSM電路選擇SIM900D通信芯片，采用工業(yè)標準接口，工作頻率為850/900/1 800/1 900 MHz，可以低功耗實現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信號的傳輸。GSM無線通信電路包括電源管理電路，SIM卡保護電路和GSM電路[11]。SIM900D在聯(lián)網(wǎng)瞬間，工作電流最高可達2 A，平時不傳數(shù)據(jù)時，工作電流在30 mA左右，本裝置設計通過MOSFET管實現(xiàn)對無線通信電路電源的管理，在需要數(shù)據(jù)或指令傳輸時，無線通信電路正常工作，裝置接收后臺服務器傳送的指令，或把采集到的數(shù)據(jù)無線發(fā)送給后臺服務器。無需通信時切斷無線通信電路工作電源,從而實現(xiàn)電源的有效管理。SIM卡保護電路，主要是實現(xiàn)對SIM900D芯片和SIM卡之間數(shù)據(jù)交互時的安全、穩(wěn)定。

2.3 軟件設計

裝置實時采集4～20 mA信號，開關量信號以及現(xiàn)場溫濕度信號,并通過GSM無線傳輸將數(shù)據(jù)上傳至后臺服務器。同時具備2路現(xiàn)場RS485通信，支持Modbus協(xié)議，流程功能結(jié)構如圖6所示。

圖6 程序功能結(jié)構

程序功能結(jié)構主要對終端裝置任務分配及功能模塊進行劃分。其中裝置運行主程序初始化過程主要對端口的設置進行初值設定，規(guī)定了CPU片上外設的工作模式[12]。另外,初始化部分也對程序運行時狀態(tài)數(shù)組進行初值設定，使整個設備能夠從正常的狀態(tài)進入主循環(huán)運行，如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

此外，AutoCheck狀態(tài)查詢函數(shù)，用于查詢設備工作狀態(tài)，當有需要發(fā)送數(shù)據(jù)時發(fā)送，需要采集數(shù)據(jù)時進行采集，需要存儲時進行存儲，需要配置時要進行參數(shù)配置。該函數(shù)是整個設備的狀態(tài)檢查與任務調(diào)度中心，如圖8所示。

圖8 AutoCheck 流程

3 實際工程數(shù)據(jù)分析

基于Cortex-M3變壓器遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)終端已經(jīng)完成樣機生產(chǎn)及系統(tǒng)測試工作，已成功在換流變現(xiàn)場運行使用，包括對變壓器頂層油面溫度、底層油面溫度、繞組溫度等進行實時監(jiān)測，現(xiàn)場安裝圖如圖9所示。

圖9 現(xiàn)場安裝圖

在完成對現(xiàn)場頂層油溫、底層油溫、繞組溫度信息采集后，根據(jù)現(xiàn)場實際通信要求，選擇有線通信方式將采集數(shù)據(jù)上傳到后臺服務器。監(jiān)測后臺軟件通過對裝置采集的數(shù)據(jù)進行解析，最終對監(jiān)測參數(shù)進行顯示。圖10是選取2017年7月26日—8月27日，2組頂層油溫和1組繞組溫度的曲線。

圖10 數(shù)據(jù)曲線

4 結(jié)束語

本文給出一種基于Cortex-M3的變壓器運行狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)設計方案，監(jiān)測終端采用Cortex-M3內(nèi)核處理器，采用無線GPRS通信技術將數(shù)據(jù)上傳至后臺服務器，同時支持本地有線通信。系統(tǒng)可對變壓器4～20 mA信號、開關量信號及溫濕度信號進行采集，同時支持1路繼電器信號開出及SD卡拷貝功能，支持本地顯示。系統(tǒng)服務器配置短信報警功能，在監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，可以第一時間進行短信報警。實際運行結(jié)果表明，本設計可以實時準確監(jiān)測變壓器運行狀態(tài)信息，為變壓器安全運行提供可靠的保證。