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(浙江大學(xué) 能源工程學(xué)院，浙江 杭州 310027)

0 引言

我國(guó)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(lái)越多的電氣設(shè)備被使用，因此保證電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，對(duì)整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(yùn)行故障不僅會(huì)影響供電的可靠性，并且嚴(yán)重威脅到電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全[4]。

物聯(lián)網(wǎng)近年來(lái)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(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，會(huì)大大降低變壓器的故障概率[5]。倘若變壓器物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)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(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，提升電網(wǎng)信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化水平，提高電網(wǎng)運(yùn)行能力和服務(wù)質(zhì)量[6]。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

變壓器遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)包括監(jiān)控信息采集傳感器、現(xiàn)場(chǎng)信息分析整合系統(tǒng)、遠(yuǎn)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(yùn)行參數(shù)，本次試驗(yàn)主要檢測(cè)變壓器的冷卻油面溫度、壓力、電壓等，傳感器測(cè)得信號(hào)會(huì)實(shí)時(shí)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(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并通過特定的處理策略，將監(jiān)測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為特定的協(xié)議，本套系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)到的信號(hào)滿足RS485通信協(xié)議，定時(shí)匯總到遠(yuǎn)程信息發(fā)送及接收終端。遠(yuǎn)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(yuǎn)端的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，由服務(wù)器進(jìn)行信息的存儲(chǔ)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(cè)信息，并對(duì)遠(yuǎn)端的變壓器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。變壓器遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

變壓器遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)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(tái)。

溫度傳感器主要是用于變壓器的油溫測(cè)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(gè)非常重要的參數(shù)。壓力傳感器主要用來(lái)監(jiān)測(cè)變壓器內(nèi)部的壓力是否正常。電壓傳感器主要是用于對(duì)變壓器的局部放電進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)主要是STM-32為處理器，同時(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器信號(hào)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(shí)現(xiàn)讀取嵌入式系統(tǒng)傳輸?shù)腞S485信號(hào)，并以GPRS的形式將信號(hào)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(jì)

本次的變壓器遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)上電后進(jìn)入查詢狀態(tài)，等待間隔層IED下發(fā)來(lái)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?cái)?shù)據(jù)的校驗(yàn)位進(jìn)行CRC校驗(yàn)，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(jìn)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(jì)流程圖

4 系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證

在完成了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之后，更為重要的就是對(duì)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)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(hào)檢測(cè)儀、海高斯HL300DTU設(shè)備、恒溫油槽、毫伏計(jì)、溫度計(jì)、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(yàn)測(cè)試

4.2.1 熱電偶的標(biāo)定

熱電偶的溫差電動(dòng)勢(shì)主要取決于所選用的材料和兩個(gè)端點(diǎn)的溫度，而材料中所含的雜質(zhì)和加工工藝過程也會(huì)對(duì)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(dòng)勢(shì)與溫度的關(guān)系也可能有差別[7]。所以對(duì)于每一支焊好的熱電偶，必須標(biāo)定其熱電勢(shì)與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系方可用于互換和對(duì)比測(cè)定。實(shí)驗(yàn)室通常采用比較法和固定溫度點(diǎn)法進(jìn)行標(biāo)定[8]。

圖5 恒溫油槽

固定參考點(diǎn)的溫度與恒定的溫度源在本實(shí)驗(yàn)室獲得較為容易，因此本實(shí)驗(yàn)采用固定溫度法標(biāo)定熱電偶。具體操作將熱電偶置于恒溫油槽圖5中，通過標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)測(cè)得油槽實(shí)際溫度，以及通過毫伏計(jì)讀出熱電偶中的電勢(shì)。標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行整理后如圖6所示，而通過最小二乘法進(jìn)行擬合的函數(shù)如表1所示。

圖6 熱電偶標(biāo)定曲線

表1 擬合函數(shù)

4.2.2 試驗(yàn)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(hào)檢測(cè)儀連接在一起，在信號(hào)檢測(cè)儀的485信號(hào)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(hào)的干擾，以確保測(cè)試的準(zhǔn)確性。同時(shí)，在溫度顯示儀的端口接出一個(gè)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(hào)都集中到信號(hào)檢測(cè)儀之后，再用電纜線連接信號(hào)檢測(cè)儀的RS485信號(hào)端口和DTU設(shè)備。這樣就完成了設(shè)備的連接工作，檢查無(wú)誤后就可以進(jìn)行檢測(cè)了。

4.2.3 試驗(yàn)過程

溫度的檢測(cè)：

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(guó)電信以及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器三者之間保證信號(hào)的通暢。

2)將溫度傳感器放到冰水中去，讀出此時(shí)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(jì)算機(jī))上所看到溫度T2。同時(shí)，再用已經(jīng)標(biāo)定的熱電偶傳感器去測(cè)冰水的溫度T0，并把該溫度作為標(biāo)準(zhǔn)溫度來(lái)檢驗(yàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

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

4)將常溫的水換成高溫沸水，再測(cè)得另一組數(shù)據(jù)。

壓力的檢測(cè)：

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(gè)大氣壓P0。此時(shí)觀察信號(hào)檢測(cè)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(jì)算機(jī))上所看到的數(shù)據(jù)P2。

3)再把壓力傳感器放到半個(gè)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(cè)：

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(shí)信號(hào)檢測(cè)儀上的電壓值U1以及信息處理中心客戶端(計(jì)算機(jī))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(yàn)測(cè)試，對(duì)于溫度的測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 溫度檢測(cè)表

根據(jù)所測(cè)的三組數(shù)據(jù)，可以看出來(lái)，T1的值和T2的值始終保持一致，這說(shuō)明通過熱電阻所測(cè)的溫度信號(hào)可以通過該變壓器遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)準(zhǔn)確的傳送到客戶的計(jì)算機(jī)中，從而對(duì)變壓器的狀態(tài)很方便的進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，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(zhǔn)確的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。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(cè)得的油溫與實(shí)際值之間誤差較小，說(shuō)明該系統(tǒng)的測(cè)量精度較高，滿足監(jiān)測(cè)要求。

表3 壓力檢測(cè)表

從上表3看出，P1和P2始終保持一致，更進(jìn)一步的驗(yàn)證了該變壓器遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的對(duì)變壓的參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。同時(shí)Δ=P0-P1，±Δ小于0.3，表明該檢測(cè)設(shè)備的精確度較高，可以較為準(zhǔn)備的測(cè)量出變壓器的壓力參數(shù)。

表4 電壓檢測(cè)表

通過表4交流電壓的檢測(cè)又進(jìn)一步驗(yàn)證了以上觀點(diǎn)，該變壓器遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)同時(shí)也可以對(duì)變壓器的交流電壓進(jìn)行一個(gè)遠(yuǎn)程準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

5 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器的物理狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)出了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的變壓器遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，分別對(duì)硬件和軟件設(shè)計(jì)做了介紹，并且同時(shí)通過試驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性進(jìn)行了分析，通過試驗(yàn)也表明：1)該變壓器遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器各種參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，同時(shí)在信息處理中心客戶端所看到的數(shù)據(jù)與傳感器所測(cè)得的數(shù)據(jù)保持一致。2)該變壓器遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)相比誤差小，精度高，可以滿足監(jiān)測(cè)的要求。

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