郭文強，王立賢，董瑤，張夢夢

變壓器安全監(jiān)測系統(tǒng)設計＊

郭文強1，王立賢2，董瑤2，張夢夢2

（1.陜西科技大學 電子信息與人工智能學院，陜西 西安 710021；2.陜西科技大學 電氣與控制工程學院，陜西 西安 710021）

為了提高變壓器安全運行的可靠性，設計了一款基于嵌入式技術和LoRa無線通信技術的變壓器安全監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為監(jiān)測終端、網(wǎng)關及監(jiān)測平臺三部分，設計的監(jiān)測系統(tǒng)具有變壓器安全監(jiān)測、自檢和通信一體化的功能，提高了變壓器運行的安全性與可靠性。

變壓器；LoRa；監(jiān)測系統(tǒng)；負荷電流

變壓器作為輸變電系統(tǒng)的核心主設備，有著極其重要的作用且造價昂貴[1]。變壓器主要實現(xiàn)電能分配、電壓轉換的作用，對整個電網(wǎng)的安全、供電性能的可靠以及經(jīng)濟性都有著極其重要的作用[2]。變壓器繞組溫度、負荷電流、氣體濃度等對變壓器安全會產(chǎn)生很大影響，因此對這幾個參數(shù)進行在線監(jiān)測具有至關重要的作用。

1 系統(tǒng)總體設計

在變壓器安全監(jiān)測系統(tǒng)中，無線傳輸是監(jiān)測系統(tǒng)中數(shù)據(jù)可靠傳送的關鍵環(huán)節(jié)。文獻[3]中采用GPRS/CDMA無線組網(wǎng)技術，能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離、快速數(shù)據(jù)傳送，但成本高功耗大；文獻[4]中采用Wi-Fi通信技術，數(shù)據(jù)傳輸速度快，但組網(wǎng)復雜、功耗高，通信距離短。根據(jù)變壓器所處環(huán)境特點，綜合分析以上無線通信技術，將其應用于變壓器數(shù)據(jù)傳送均存在一定問題。

因此，本文將LoRa無線通信技術應用于變壓器安全監(jiān)測系統(tǒng)中。LoRa網(wǎng)絡采用星型拓撲結構，具有低功耗、低成本、抗干擾和遠距離傳輸?shù)男阅躘5]，能夠滿足變壓器在復雜環(huán)境下工作的要求。

本系統(tǒng)由監(jiān)測終端、網(wǎng)關、監(jiān)測平臺組成，總體方案如圖1所示。

2 各模塊軟硬件設計

2.1 監(jiān)測終端模塊

監(jiān)測終端是整個系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)來源，因此監(jiān)測終端在整個系統(tǒng)中占據(jù)至關重要的地位。根據(jù)對系統(tǒng)的需求分析，監(jiān)測終端應該具備以下功能：變壓器監(jiān)測點參數(shù)數(shù)據(jù)采集功能、數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?。綜上所述，本文設計的監(jiān)測終端由電源模塊、傳感器模塊（比如溫度傳感器、電流傳感器、氣體濃度傳感器等）、微控制器模塊、LoRa通信模塊等組成。

監(jiān)測終端程序設計部分主要包括各傳感器的采集程序設計，以及監(jiān)測數(shù)據(jù)與設備信息數(shù)據(jù)的發(fā)送程序設計，完成了對變壓器參數(shù)數(shù)據(jù)的采集以及數(shù)據(jù)的發(fā)送任務。

圖1 系統(tǒng)總體框架

2.2 網(wǎng)關模塊

網(wǎng)關是整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵牟糠?，網(wǎng)關連接著監(jiān)測終端與服務器，相當于兩者之間的橋梁，網(wǎng)關接收監(jiān)測終端發(fā)送的變壓器參數(shù)數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送至服務器。

在設計網(wǎng)關程序時，采用多線程運行的思想，在同一時間執(zhí)行多個程序，進而提升整體系統(tǒng)的處理性能。具體程序設計流程如圖2所示。

函數(shù)說明如下：①Thread_rf_recv。在監(jiān)測終端入網(wǎng)后，以阻塞方式讀取終端射頻芯片發(fā)送的數(shù)據(jù)，即如有別的終端正在發(fā)送數(shù)據(jù)，則等待該終端發(fā)送完成后再進行數(shù)據(jù)的發(fā)送，接著將數(shù)據(jù)放入緩存中。②Thread_rf_handler。將存入緩存中的數(shù)據(jù)根據(jù)網(wǎng)關與服務器之間的通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)格式轉換后再發(fā)送至服務器。③Thread_sdcard_write。若遭遇意外情況數(shù)據(jù)沒有發(fā)送至服務器，則數(shù)據(jù)存入網(wǎng)關的SD卡中。④Thread_preriodic_evnent。循環(huán)進行網(wǎng)關數(shù)據(jù)包的發(fā)送。⑤Thread_sdcard_read。在系統(tǒng)正常后，網(wǎng)關等待讀取命令，將存入SD卡的數(shù)據(jù)再一次發(fā)送至服務器。所有的程序均為循環(huán)進行。

圖2 網(wǎng)關程序設計流程圖

2.3 監(jiān)測平臺

監(jiān)測平臺的開發(fā)也是變壓器安全監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分，網(wǎng)關將數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)測平臺的服務器，在監(jiān)測平臺的后臺服務器利用算法對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析處理，然后將數(shù)據(jù)提供給Web端查詢顯示。

2.3.1 數(shù)據(jù)接收功能

監(jiān)測平臺接收監(jiān)測終端實時采集的變壓器繞組溫度、電流強度、氣體濃度等監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及變壓器內(nèi)的監(jiān)測終端詳細信息，主要為終端的地址、運行狀態(tài)、故障情況等信息，并將數(shù)據(jù)存儲到對應數(shù)據(jù)庫。

2.3.2 數(shù)據(jù)處理功能

對監(jiān)測終端所監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行管理并分析，主要包括對變壓器歷史數(shù)據(jù)的展示功能，以及對各變壓器實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，利用深度學習網(wǎng)絡算法對變壓器安全有直接影響的繞組溫度進行預測。

2.3.3 信息管理功能

監(jiān)測平臺信息管理模塊用來實現(xiàn)系統(tǒng)管理員對電廠工作人員，即用戶的信息管理，比如用戶信息查詢及修改等功能，以及監(jiān)測終端的信息管理，比如終端設備ID、電壓狀態(tài)、工作模式、信號強度/鏈路質(zhì)量以及對監(jiān)測終端信息的修改刪除等功能。

2.3.4 Web通信接口功能

處理Web端請求，分析其需求，從數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù)并根據(jù)對應邏輯處理，最后將數(shù)據(jù)以JSON格式返回。

3 系統(tǒng)測試

對整個變壓器安全監(jiān)測系統(tǒng)進行整體調(diào)試，主要測試系統(tǒng)各板塊間的數(shù)據(jù)交互以及整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)。測試過程：先確保系統(tǒng)的監(jiān)測終端、網(wǎng)關節(jié)點、監(jiān)測平臺均處于正常運行狀態(tài)，然后通過監(jiān)測終端采集變壓器參數(shù)數(shù)據(jù)，最后在監(jiān)測平臺上顯示數(shù)據(jù)的變化情況。

4 結論

本文設計的變壓器安全監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了變壓器參數(shù)數(shù)據(jù)實時在線監(jiān)測，可以為工作人員預防變壓器事故提供重要依據(jù)。

［1］許修樂，李金忠，王健一，等.變壓器可靠性評價及狀態(tài)評估方法綜述［J］.高壓電器，2017（8）：211-216.

［2］許楊.變壓器油在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與應用［D］.淮南：安徽理工大學，2018.

［3］賴小龍，黃穎，申海龍，等.智能家居接入技術的分析和比較［J］.數(shù)字技術與應用，2017（7）：133，136.

［4］曹霞，余笑，王家豪.配電線路安全監(jiān)測系統(tǒng)設計［J］.電視技術，2018，42（9）：103-108．

［5］張恩滿，趙春煥，鐘晨，等.基于LoRaWAN的遠程抄表系統(tǒng)［J］.建設科技，2017（6）：41-43.

2095－6835（2019）22－0063－02

TP29

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.22.020

郭文強（1971—），男，副教授，研究方向為智能系統(tǒng)與模式識別。

陜西省教育廳產(chǎn)業(yè)化研究項目（編號：18JC003）

〔編輯：張思楠〕