顧 博，薛 偉，李 楊

（重慶市電力公司江北供電局， 401147）

基于超聲波和GSM/GPRS 的變壓器監(jiān)測(cè)及防盜裝置

顧 博，薛 偉，李 楊

（重慶市電力公司江北供電局， 401147）

針對(duì)戶(hù)外變壓器的防盜現(xiàn)狀，成功研制出一種新型的、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、基于超聲波和GSM技術(shù)的10kV變壓器監(jiān)測(cè)及防盜裝置。該裝置已在重慶市電力公司下屬的多個(gè)農(nóng)村供電所使用。

變壓器;超聲波;GSM/GPRS;單片機(jī)

0 引言

處于電力系統(tǒng)末端的配電網(wǎng)中，10kV配電變壓器的數(shù)目眾多，且直接對(duì)用戶(hù)供電，其可靠穩(wěn)定性是電力公司對(duì)用戶(hù)供電質(zhì)量最直接的保障，也是電力企業(yè)責(zé)任感最直接的體現(xiàn)，因此，10kV配電變壓器正常運(yùn)行的重要性十分顯著。

由于變壓器繞組是由金屬銅制成，因此成了不法分子垂涎三尺的目標(biāo)。以重慶江北供電局為例，因有大量農(nóng)電區(qū)域地處偏遠(yuǎn)地區(qū)，經(jīng)常出現(xiàn)一些電力設(shè)施被盜或被損壞現(xiàn)象，一直干擾著工農(nóng)業(yè)正常生產(chǎn)。為保證配電變壓器的安全運(yùn)行，防止被盜事故的發(fā)生，要求對(duì)分散的配電變壓器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和統(tǒng)一管理，從而提高配電變壓器的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和供電企業(yè)的管理水平，才能產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

目前，依靠運(yùn)維人員的定期巡視這種方式無(wú)法及時(shí)獲得變壓器的運(yùn)行狀態(tài)信息，特別是在當(dāng)意外事故發(fā)生或變壓器被盜時(shí)，不能得到及時(shí)處理。尤其是在變壓器防盜問(wèn)題上，存在一定的難度。由于不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器工作的異常，往往給不法分子以可乘之機(jī)［1］。10kV變壓器監(jiān)測(cè)及防盜問(wèn)題引起了電力部門(mén)的高度重視。目前，對(duì)10kV變壓器監(jiān)測(cè)及防盜已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)檢測(cè)。通過(guò)比對(duì)同類(lèi)的裝置，已有的裝置其監(jiān)測(cè)方式單一，監(jiān)測(cè)方法比較落后，因此急需研制出安裝方便，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精度高、報(bào)警信息準(zhǔn)確的自動(dòng)裝置。

1 10kV變壓器監(jiān)測(cè)及防盜裝置的基本原理概述

變壓器監(jiān)測(cè)及防盜裝置是利用GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)作為傳輸?shù)慕橘|(zhì)，把分散的變壓器的工作狀態(tài)及時(shí)傳輸?shù)娇刂浦行模娏荆粌H可以隨時(shí)檢測(cè)變壓器的工作狀態(tài)，而且可以很好地解決變壓器防盜功能。本系統(tǒng)中采用了基于GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)方式，用戶(hù)只需一臺(tái)在線(xiàn)的手機(jī)就可以對(duì)控制范圍內(nèi)的變壓器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。該新型裝置的目的是提供一種測(cè)量精度高、檢測(cè)準(zhǔn)確、檢測(cè)結(jié)果可靠的10kV變壓器監(jiān)測(cè)及防盜裝置。本設(shè)計(jì)在現(xiàn)有變壓器防盜裝置檢測(cè)方式的基礎(chǔ)上，采用了一種新的方案，通過(guò)電壓電流檢測(cè)變壓器運(yùn)行狀況，出現(xiàn)異常后，將啟動(dòng)另一可靠性高、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉，體積小、便于隱蔽放置的超聲波來(lái)對(duì)變壓器進(jìn)行位移檢測(cè)，通過(guò)檢測(cè)到超聲波異常的發(fā)射接收時(shí)間差來(lái)判斷變壓器是否被移動(dòng)，再通過(guò)單片機(jī)信息處理，借助GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)，將信息及時(shí)反饋給配電網(wǎng)變壓器管理人員。整個(gè)裝置操作簡(jiǎn)單，便于維護(hù)。其基本原理如圖1所示。

圖1 10kV變壓器檢測(cè)及防盜裝置的基本原理圖

基于上述原理可以看出，本設(shè)計(jì)中的變壓器監(jiān)測(cè)及防盜裝置包括超聲波測(cè)量位移模塊、電流電壓檢測(cè)模塊、電源管理模塊、GSM/GPRS模塊、單片機(jī)控制的數(shù)據(jù)分析模塊、GSM/GPRS通信模塊，最后通過(guò)手機(jī)短信傳遞給用戶(hù)。系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新亮點(diǎn)有兩個(gè):一是基于 GSM/GPRS的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息傳遞方式;裝置采用由中國(guó)移動(dòng)提供的全球移動(dòng)通信系統(tǒng)GSM/GPRS。通過(guò)在各終端安裝GSM/GPRS模塊，采用現(xiàn)有的GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，可實(shí)現(xiàn)配電變壓器監(jiān)測(cè)防盜裝置與維護(hù)人員在GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的實(shí)時(shí)通信，具有功能齊全、構(gòu)思巧妙、成本低廉等突出特點(diǎn)。二是采用了超聲波來(lái)檢測(cè)變壓器的位移。超聲波技術(shù)成熟可靠，借助單片機(jī)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)計(jì)算超聲波的發(fā)收時(shí)間差的精度高，電路可靠性好。

圖2 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)

2 裝置的主要技術(shù)參數(shù)

由于10kV變壓器的工作環(huán)境是野外，比較特殊，其技術(shù)要求也比較高，要求如下:

1）防區(qū):設(shè)備標(biāo)配有線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)防區(qū);

2）網(wǎng)絡(luò):GSM/GPRS、TX發(fā)射輸出功率為:1W;

3）接警號(hào)碼:發(fā)送5個(gè)手機(jī)短信號(hào)碼;

4）欠壓保護(hù):市電欠壓保護(hù)啟動(dòng)時(shí)間≤1秒;

5）數(shù)據(jù)響應(yīng):時(shí)間≤5秒（GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)正常狀態(tài)）;

6）工作電源:輸入AC110～220V/50Hz;

7）整機(jī)功耗:＜3W;

8）后備電池:DC12V（賽特2.2mAh電池）;

9）備用電池工作時(shí)間（基本配置、GSM發(fā)射待機(jī)）≥4小時(shí);

10）工作環(huán)境:溫度－20～+60℃;

11）濕 度:20～95%無(wú)凝露;

12）電磁兼容:三級(jí)。

3 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由上位機(jī)（用戶(hù)手機(jī)）、下位機(jī)（變壓器防盜裝置）和GSM/GPRS公用網(wǎng)絡(luò)組成一個(gè)防盜報(bào)警系統(tǒng)。其中，上位機(jī)由一臺(tái)手機(jī)組成。系統(tǒng)通過(guò)GSM/GPRS網(wǎng)接收各個(gè)終端報(bào)警點(diǎn)發(fā)來(lái)的各類(lèi)信息（包括報(bào)警信息、布/撤防信息及巡檢信息等），所有安裝了變壓器防盜單元的變壓器可在一張電子地圖界面上顯示，而且在圖標(biāo)上同時(shí)顯示變壓器安裝的具體位置，負(fù)責(zé)人的手機(jī)號(hào)碼與姓名，系統(tǒng)監(jiān)控主界面能夠?qū)氘?dāng)?shù)氐碾娮拥貓D，每個(gè)防盜器的位置能在電子地圖上進(jìn)行標(biāo)注。一旦接收到報(bào)警，以高亮顯示，并驅(qū)動(dòng)監(jiān)控室內(nèi)的報(bào)警喇叭，使警情及時(shí)得到判別及處理，實(shí)現(xiàn)技防與人防有機(jī)結(jié)合。

基于GSM的配電變壓器防盜報(bào)警系統(tǒng)以ATMEGA16十六位單片機(jī)為主要控制芯片，由一臺(tái)GSM/GPRS接收機(jī)主機(jī)、一臺(tái)手機(jī)（連接用戶(hù)）和一個(gè)超聲波發(fā)收器組成。移動(dòng)通信模塊通過(guò)RS－232接口與單片機(jī)相聯(lián)，構(gòu)成監(jiān)控中心，放在變電站室內(nèi)，電力線(xiàn)或變壓器一旦被盜、三相斷線(xiàn)或停電，監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置立即探知，并將報(bào)警信息通過(guò)GSM/GPRS短信方式向用戶(hù)手機(jī)報(bào)警。值班領(lǐng)導(dǎo)得到報(bào)警信息后后立即派管理維護(hù)人員到現(xiàn)場(chǎng)查驗(yàn)情況，處理有關(guān)問(wèn)題。

圖3 系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)組成框圖如圖3所示。由圖3可知整個(gè)裝置由兩部分構(gòu)成:一部分是位于變電站內(nèi)的裝置，對(duì)變壓器的電壓電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、對(duì)變壓器箱體進(jìn)行超聲波檢測(cè)，并將檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行處理判斷，最后將信息以GSM/GPRS通信方式發(fā)射信號(hào)給用戶(hù)，并能接收到用戶(hù)通過(guò)手機(jī)發(fā)射出的信號(hào)后對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的準(zhǔn)確的響應(yīng);另一部分就是用戶(hù)隨身攜帶的手機(jī)，將信號(hào)及時(shí)準(zhǔn)確顯示給用戶(hù)。

4 系統(tǒng)工作原理及特點(diǎn)

在軟件初始化完成后，利用超聲波對(duì)變壓器和傳感器之間進(jìn)行測(cè)距。這個(gè)距離是相對(duì)的，不需要達(dá)到毫米級(jí)精度，這對(duì)傳感器的安裝降低了要求。同時(shí)，所測(cè)的這個(gè)距離也為對(duì)變壓器產(chǎn)生異常位移的檢測(cè)提供了基準(zhǔn)。在測(cè)量完相對(duì)距離后，系統(tǒng)進(jìn)入定時(shí)測(cè)量電源電壓工作狀態(tài)。這個(gè)過(guò)程采用定時(shí)500ms的間隔實(shí)時(shí)檢測(cè)。一旦失壓便通過(guò)GSM/GPRS模塊對(duì)管理人員發(fā)送失壓報(bào)警信息。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到變壓器失壓時(shí)，即啟動(dòng)超聲波測(cè)距模塊。這樣更能可靠地檢測(cè)出變壓器是否存在異常移動(dòng)，并將此時(shí)所測(cè)的距離與開(kāi)機(jī)時(shí)所測(cè)的距離相比，一旦差值較大便發(fā)出報(bào)警短信。這樣更能可靠地判斷出變壓器是否被異常移動(dòng)。

在變壓器被切斷電源的同時(shí)，該系統(tǒng)也進(jìn)入了電池供電的狀態(tài)。為節(jié)約電池電量的消耗，超聲波傳感器的檢測(cè)采用1秒的間隔進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)，對(duì)電壓電流檢測(cè)芯片的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算后的參數(shù)，也不通過(guò)ISP進(jìn)行讀取，而是只檢測(cè)超聲波芯片對(duì)外輸出的步進(jìn)電機(jī)脈沖信號(hào)。當(dāng)收到脈沖信號(hào)時(shí)，即變壓器電源接通。這時(shí)通過(guò)ISP接口驗(yàn)證電壓是否正常，并向管理人員發(fā)送電源電壓恢復(fù)的警示信息。若還不能檢測(cè)到電壓信號(hào)，將啟動(dòng)超聲波檢測(cè)，檢測(cè)是否發(fā)生變壓器移位，若存在，則發(fā)送報(bào)警信號(hào)，若不存在移位，則發(fā)生變壓器可能故障的信號(hào)。

5 結(jié)論

將GSM/GPRS通信技術(shù)的SMS業(yè)務(wù)和超聲波位移測(cè)量技術(shù)引入到變壓器監(jiān)測(cè)及防盜裝置設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了一種實(shí)用的10kV變壓器監(jiān)測(cè)及防盜裝置，解決了戶(hù)外10kV配電變壓器難于管理、難于防盜的問(wèn)題。也為類(lèi)似的產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了新穎的設(shè)計(jì)思路。

本課題制作的10kV變壓器監(jiān)測(cè)及防盜裝置已經(jīng)成功通過(guò)重慶市電力公司的科技項(xiàng)目驗(yàn)收委員會(huì)專(zhuān)家的審評(píng)，有效解決了農(nóng)村偏遠(yuǎn)地區(qū)10kV變壓器的防盜問(wèn)題。目前，已有多臺(tái)裝置在重慶市電力公司下屬的多個(gè)農(nóng)村供電所推廣使用。該課題所完成的原始裝置已經(jīng)成功獲得國(guó)家實(shí)用新型專(zhuān)利授權(quán)1項(xiàng)，并獲得全國(guó)電力職工技術(shù)創(chuàng)新成果三等獎(jiǎng)一項(xiàng)。

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A Transformer Monitoring and Anti-Theft Device Based on Ultrasonic and GSM/GPRS

GU Bo，XUE Wei，LI Yang
（Jiangbei Power Supply Bureau of Chongqing Electric Power Corporation，Chongqing 401147，China）

In order to improve the anti-theft situation of outdoor transformers，this essay introduces a late-model 10 kV transformer monitoring and anti-theft device with self-owned intellectual property right based on ultrasonic and GSM/GPRS，which has been put to use in many rural power substations subordinate to Chongqing Electric Power Corporation.

transformer;ultrasonic;GSM/GPRS;SCM

TM421

A

1008-8032（2011）01-0070-02

2010-11-12

顧 博（1981－），助理工程師，研究方向:配電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)及供用電技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用。

重慶市電力公司江北供電局自控項(xiàng)目（2008渝電科技46#-7-2）。該項(xiàng)目獲2010年全國(guó)電力職工技術(shù)創(chuàng)新成果三等獎(jiǎng)。