作者/陳華山、劉憲成，河海大學(xué)常州校區(qū)信息中心

預(yù)裝式變電站主設(shè)備智能化監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

作者/陳華山、劉憲成，河海大學(xué)常州校區(qū)信息中心

預(yù)裝式變電站主設(shè)備智能化監(jiān)測(cè)終端采用模塊化設(shè)計(jì)，主要涵蓋了主電量數(shù)據(jù)采樣模塊、CPU 模塊、環(huán)境參數(shù)采樣模塊、高低壓開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊以及風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)各模塊硬件電路的同時(shí)，對(duì)各模塊中核心元器件進(jìn)行了詳細(xì)的選型闡述。

預(yù)裝式變電站；智能化監(jiān)測(cè)；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；變壓器

近年來，我國國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，帶動(dòng)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)電力行業(yè)的迅速崛起。國家電網(wǎng)公司順應(yīng)發(fā)展需求，提出“建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”的建設(shè)目標(biāo)，旨在建立“三集五大”的全國大電網(wǎng)體系構(gòu)架，以此來實(shí)現(xiàn)電力供應(yīng)的高效與可靠。在這樣一張“電力大網(wǎng)”中，樞紐變電站的核心設(shè)備—電力變壓器當(dāng)仁不讓的成為了關(guān)鍵之一，直接影響著電網(wǎng)供電的安全和可靠。雖然現(xiàn)代電力變壓器配備有數(shù)量眾多、功能已較為全面的繼電保護(hù)裝置和運(yùn)行控制設(shè)備，但隨著其在電網(wǎng)中運(yùn)行時(shí)間的不斷增加，變壓器部件故障進(jìn)而導(dǎo)致局部事故并不能完全避免。一旦發(fā)生故障或事故，即便有提前的相關(guān)預(yù)案應(yīng)急，也不能保證供電中斷完全不影響居民的正常生活與企業(yè)的正常生產(chǎn)。因此，針對(duì)變壓器運(yùn)行的特殊性與復(fù)雜性，如何多方位、多角度、有效監(jiān)測(cè)變壓器，分析判斷是否處于異常狀態(tài)、是否存在潛在故障，以此為依據(jù)制定相應(yīng)的設(shè)備壽命管理方案與設(shè)備檢修策略，提高電力變壓器運(yùn)行可靠性，以確保電網(wǎng)安全運(yùn)行，一直都是國內(nèi)外電力行業(yè)探索解決的重要課題之一，有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1. 預(yù)裝式變電站系統(tǒng)組成及原理

預(yù)裝式變電站是一種戶外成套變電站的新型變電設(shè)備，采用標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化集成設(shè)計(jì)技術(shù)，整個(gè)設(shè)備包括五大模塊如圖1所示。

圖1 預(yù)裝式變電站系統(tǒng)組成模塊

將上述五大模塊在工廠內(nèi)預(yù)制，艙式組合，模塊化運(yùn)送，現(xiàn)場(chǎng)土建完成后一次性吊裝，整體聯(lián)調(diào)，即可快速建成變電站，對(duì)現(xiàn)有預(yù)裝式變電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)升級(jí)，拓展物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控功能。

智能預(yù)裝式變電站能實(shí)現(xiàn)在運(yùn)行智能系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過通信網(wǎng)絡(luò)方式與其他設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)交互的功能。內(nèi)部集成各種無線傳感器和執(zhí)行單元，實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)測(cè)，從而保證設(shè)備的穩(wěn)定和安全運(yùn)行。將預(yù)裝式變電站各設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和結(jié)構(gòu)信息輸入到智能執(zhí)行單元中，工作時(shí)各無線傳感器實(shí)時(shí)采集信息，進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)的分析和評(píng)估，同時(shí)根據(jù)與其他設(shè)備通信接收到的指令，不斷的調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)。

變壓器是預(yù)裝式變電站的核心組成部分。變壓器的智能化程度對(duì)電力系統(tǒng)有著深遠(yuǎn)的影響。智能變壓器的組成部分包括變壓器、監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀態(tài)的傳感器單元、執(zhí)行器、標(biāo)準(zhǔn)化通信網(wǎng)絡(luò)、智能組件和智能輔助設(shè)施。其中，智能組件包括變壓器智能化單元TIED，計(jì)量單元，監(jiān)測(cè)單元，保護(hù)單元，控制單元，通訊單元和電源管理系統(tǒng)。智能化預(yù)裝式變電站在模塊集成組合、綜合體設(shè)計(jì)技術(shù)與導(dǎo)向散熱技術(shù)、智能化程度等方面具有獨(dú)特性和創(chuàng)新性，與傳統(tǒng)產(chǎn)品比較，有著較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力和實(shí)用性。

2. 預(yù)裝式變電站主設(shè)備監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

預(yù)裝式變電站主設(shè)備智能化監(jiān)測(cè)終端由主電量數(shù)據(jù)采樣模塊、CPU模塊、電力設(shè)備開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊，環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊、RS—485接口等組成。在預(yù)裝式變電站主設(shè)備智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，本文所設(shè)計(jì)的主電量數(shù)據(jù)采樣硬件采集的是變壓器部分輸出的三相電流和三相電壓，轉(zhuǎn)化為小電壓信號(hào)給微處理器的A/D轉(zhuǎn)換模塊；電力設(shè)備開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊則采用光電隔離法，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，驅(qū)動(dòng)電力設(shè)備各組件，本文中驅(qū)動(dòng)電路有風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、高壓開關(guān)和低壓開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路；環(huán)境監(jiān)測(cè)終端中，溫濕度傳感器分別采集預(yù)裝式變電站環(huán)境溫度和濕度，并轉(zhuǎn)化為數(shù)字量傳輸給微處理器，微處理器對(duì)傳輸來的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理后傳送至Zigbee終端節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)通過有線等形式與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接與通信。協(xié)調(diào)器通過485—RS通信方式與無線通信模塊進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收/發(fā)送功能，無線傳送到系統(tǒng)應(yīng)用軟件端。

2.1 主電量數(shù)據(jù)采集模塊硬件設(shè)計(jì)

主電量數(shù)據(jù)采樣硬件設(shè)計(jì)中選用高性能、測(cè)量多相位電能計(jì)量芯片IDT90E36，各方面參數(shù)與性能均能符合本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。該模塊核心作用是采集預(yù)裝式變電站變壓器的三相電量參數(shù)。主電量數(shù)據(jù)采集模塊包括了電量信號(hào)采集電路、信號(hào)數(shù)據(jù)處理、接口電路等部分。通過將高壓電能信號(hào)轉(zhuǎn)化為弱電壓信號(hào)后，經(jīng)過電量芯片IDT90E36的采樣與信息數(shù)據(jù)處理，從而得到一系列電量參數(shù)，包括三相電流有效值、三相電壓有效值、對(duì)應(yīng)的視在功率等。以IDT90E36為處理芯片的主電量采集模塊通過SPI接口與CPU模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

圖2

2.2 電壓、電流采樣硬件電路

電壓通道有效值測(cè)量范圍為5mV～720mV,而預(yù)裝式變電站實(shí)際運(yùn)行時(shí)的電壓信號(hào)不能直接進(jìn)行測(cè)量，需要進(jìn)行降壓處理。在所設(shè)計(jì)的電路中接入110K/1W功率的電阻，實(shí)現(xiàn)將220V交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的2mA交流信號(hào)。所采用的互感器規(guī)格為2mA/2mA，其作用是將高壓與低壓進(jìn)行隔離。信號(hào)數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波處理后進(jìn)入IDT90E36電壓輸入通道，得出所采樣電壓信號(hào)的有效值。實(shí)際預(yù)裝式變電站變壓器各相電壓有效值計(jì)算方式為：樣本電壓信號(hào)有效值×電壓互感器電壓變比。電流采樣硬件電路中，采用TA1005系列母線內(nèi)置式交流電流互感器，額定輸入/輸出電流為5A，工作頻率范圍為20 Hz —20 kHz，常態(tài)時(shí)絕緣電阻大于1000M，可承受工頻2000V 50 Hz /1 Min抗電強(qiáng)度，工作溫度為—55℃～85℃。

2.3 CPU模塊硬件設(shè)計(jì)

硬件電路微處理器采用的是三星公司的S3C2440A芯片?；贏RM920T內(nèi)核研發(fā)，工作頻率最高為400MHz，其各方面性能均能滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。CPU模塊分為存儲(chǔ)電路、LCD 接口電路和JTAG接口電路等部分，為核心組成部分。另外還包括了通信接口（串口Uart 、SPI 、USB）和網(wǎng)卡接口等外圍電路。PIO擴(kuò)展接口用于高低壓開關(guān)控制與風(fēng)機(jī)控制，存儲(chǔ)電路包括SDRAM以及Flash存儲(chǔ)器，網(wǎng)卡接口電路功能在于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

2.4 環(huán)境溫濕度、煙霧采樣模塊

環(huán)境溫濕度采樣模塊使用AM2306型傳感器作為采樣終端。AM2306型傳感器內(nèi)集成溫度、濕度傳感與數(shù)字采集技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中有著極高的精確性。其電路中含電容式感濕器件和各個(gè)高精度集成測(cè)溫器件，連接至單片機(jī)系統(tǒng)，集成標(biāo)準(zhǔn)單總線接口，可以應(yīng)用于不同環(huán)境中。環(huán)境煙霧采樣模塊使用WT—828—2PL聯(lián)網(wǎng)型傳感器。WT—828—2PL傳感器為光電型感煙探測(cè)器，其采用煙霧中顆粒折射紅外光原理從而探測(cè)煙霧。此煙霧傳感器內(nèi)部含紅外發(fā)射模塊和接收模塊，通過設(shè)置光學(xué)迷宮，在不影響煙霧進(jìn)入傳感器的條件下，過濾外界干擾光源。當(dāng)有煙霧進(jìn)入時(shí)，由于散射作用使得接收部分接收光信號(hào)得到增強(qiáng)，煙霧濃度達(dá)到限值時(shí)，此煙霧傳感器輸出報(bào)警信號(hào)。

2.5 驅(qū)動(dòng)控制電路硬件設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路是檢測(cè)裝置的重要組成部分。風(fēng)機(jī)的啟停對(duì)預(yù)裝式變電站的正常運(yùn)行有著深遠(yuǎn)的影響。當(dāng)異常情況發(fā)生時(shí)能及時(shí)動(dòng)作，能夠有效保護(hù)電力設(shè)備。環(huán)境溫度采集模塊將數(shù)據(jù)信息傳送到CPU模塊，CPU模塊獲取到數(shù)據(jù)信息后經(jīng)過處理電路獲取到當(dāng)前環(huán)境溫度值，將當(dāng)前環(huán)境溫度數(shù)據(jù)信息與預(yù)先輸入溫度閾值進(jìn)行比較，判斷當(dāng)前運(yùn)行環(huán)境是否存在超溫的情況。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了報(bào)警裝置，將蜂鳴器接口直接與S3C2440A芯片連接。當(dāng)發(fā)生超溫或者通信故障時(shí)，CPU模塊發(fā)送信號(hào)可控制蜂鳴器工作。JOUT1和JOUT2接S3C2440A輸出端。采用TLP521型光耦隔離，可以有效防止繼電器誤動(dòng)作，P7處端子外接風(fēng)機(jī)。本系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)開啟方式分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式，且同一時(shí)刻只能處于一種模式下。所設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)自動(dòng)模式下，當(dāng)監(jiān)測(cè)到的溫度高于風(fēng)機(jī)開啟溫度時(shí)，CPU模塊給JOUT1高電平從而使電路導(dǎo)通，繼電器閉合，風(fēng)機(jī)開啟進(jìn)行環(huán)境降溫;溫度降低至風(fēng)機(jī)關(guān)閉溫度時(shí)，CPU模塊給JOUT1端口低電平從而使得電路不導(dǎo)通風(fēng)機(jī)停止工作。本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)啟動(dòng)手動(dòng)模式，是使CPU模塊給JOUT1高低電平來控制風(fēng)機(jī)的工作與停止。

高低壓開關(guān)驅(qū)動(dòng)控制電路中采用松下公司的DS—P2A—DC24V型繼電器和公司TLP627型光耦作為核心部件。DSP2A—DC24V型繼電器為常開型、低功耗繼電器，其最大的觸點(diǎn)容量為1250VA，內(nèi)部線圈電阻1920Ω。考慮到系統(tǒng)抗干擾性問題，避免由于外界干擾而引起的設(shè)備誤操作，因此在高低壓開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中接入兩個(gè)光耦。TLP627型光耦內(nèi)部提供Darlington電路，其額定工作溫度為—25℃～85℃，正向?qū)娏髯畲鬄?5mA。所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路兩個(gè)輸入端連接S3C2440A的GPJ0與GPJ1。當(dāng)GPJ0和GPJ1分別為1和0時(shí)，兩個(gè)光耦同時(shí)導(dǎo)通，DSP2A—DC24V繼電器提供驅(qū)動(dòng)電流，繼電器的常開觸點(diǎn)閉合，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)設(shè)備的斷開操作；與此類似，所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路兩個(gè)輸入端連接S3C2440A的GPJ2與GPJ3，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)設(shè)備的閉合操作。

3. 總結(jié)與展望

本文詳細(xì)闡述了預(yù)裝式變電站主設(shè)備電量參數(shù)采集模塊、CPU模塊、環(huán)境溫濕度、煙霧采集模塊、風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊和高低壓開關(guān)驅(qū)動(dòng)控制模塊的設(shè)計(jì)思路，并對(duì)各模塊中核心部件進(jìn)行了分析。在實(shí)際測(cè)試中，設(shè)備工作噪聲和環(huán)境噪聲會(huì)對(duì)本系統(tǒng)硬件電路造成影響。為了保證系統(tǒng)的工作可靠性，滿足系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的精確性，采取了以下的抗干擾措施：在硬件電路板設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮應(yīng)用環(huán)境的干擾源和干擾信號(hào)等問題，以及在各種干擾信號(hào)影響下設(shè)備所出現(xiàn)的誤操作。合理設(shè)計(jì)硬件電路板，元器件選擇高精度類器件，并且進(jìn)行準(zhǔn)確無誤的焊接。除此之外，I/O 電路與其它控制電路中應(yīng)加隔離電路。還有在初期的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中，主要以預(yù)裝式變電站變壓器的三相電流、電壓為主。后期工作可以增加運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)量，例如：GIS 部分、油浸式變壓器中油氣色譜監(jiān)測(cè)等，形成綜合性運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

＊ [1]李鑫,賴美云等.新型智能預(yù)裝式變電站狀態(tài)評(píng)價(jià)關(guān)鍵參量研究[J].變壓器,2015,52:30—35.

＊ [2]王哲,孫純軍.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能變電站中的應(yīng)用[J].電力建設(shè),2011,32(10):41—46.

＊ [3]姜貝貝.預(yù)裝式變電站主設(shè)備智能化監(jiān)測(cè)與健康評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].河海大學(xué),2017.

＊ [4]何金鑫.基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能變電站環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].安徽理工大學(xué),2016.