周帥，于虹，羅佼，周麗花

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650011；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司文山供電局，云南 文山 663000）

0 前言

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和城市建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，逐漸代替了傳統(tǒng)的集中降壓、長距離配電、蜘蛛網(wǎng)這樣的架空電力網(wǎng)箱型變壓器。整個外殼沒有裸露帶電部分，人們對環(huán)境保護(hù)的意識越來越強(qiáng)，箱式變壓器的出現(xiàn)符合現(xiàn)代生活的需要，可以確保安全[1]。應(yīng)用范圍非常廣泛， 由于其結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行比較靈活、安全、安裝簡單、維護(hù)方便、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，如高層樓盤、高速公路、地鐵、機(jī)場、小區(qū)、地下設(shè)施等。

箱式變壓器的結(jié)構(gòu)主要由高壓開關(guān)系統(tǒng)、護(hù)套母線、變電站綜合自動化系統(tǒng)、直流電源及一次設(shè)備等電氣單元有序組合而成，相當(dāng)于一個小型的變電站。雖然是一種能提供多種環(huán)境下的供電應(yīng)用的設(shè)備，使用便捷，但是高壓設(shè)備以及多種環(huán)境因素會產(chǎn)生很多不穩(wěn)定的故障情況，設(shè)備一旦出了故障，難免會出現(xiàn)環(huán)境因素導(dǎo)致的停電、起火、漏電等危害人民生命財產(chǎn)安全的因素。

為了保證箱式變壓器能長期穩(wěn)定安全的工作下去，需要知道箱式變壓器內(nèi)部的工作環(huán)境情況、以及外部的環(huán)境情況[2]。分析是否可能會出現(xiàn)環(huán)境影響的故障情況，達(dá)到實(shí)時預(yù)警的目的。針對以上問題，本文提出了一種箱式變壓器溫濕度、水位檢測預(yù)警系統(tǒng)，監(jiān)測箱式變壓器內(nèi)外工作環(huán)境情況。

1 硬件部分設(shè)計(jì)

1.1 溫濕度模組

溫濕度模組實(shí)時監(jiān)控箱式變壓器內(nèi)部的溫度、濕度，獲取溫濕度數(shù)據(jù)，通訊管理模組與溫濕度模組通訊數(shù)據(jù)交互獲取到實(shí)時的溫濕度數(shù)據(jù)[3]。溫濕度模組管理電路如圖1 所示。

圖1 溫濕度模組管理電路

工作原理：

利用探頭作為測溫元件，將溫度和濕度信號采集出來，經(jīng)過穩(wěn)壓濾波、運(yùn)算放大、非線性校正、V/I 轉(zhuǎn)換、恒流及反向保護(hù)等電路處理后[4]，轉(zhuǎn)換成與溫度和濕度成線性關(guān)系的電流信號或電壓信號輸出。

特點(diǎn)：

1）測量精度高、長期穩(wěn)定性好、低飄逸；

2）適用性強(qiáng)、防水防塵、溫濕度測量寬度大；

3）信號傳輸快、實(shí)時傳輸；

4）安裝方便、設(shè)備一體化。

1.2 液位檢測模組

液位檢測模組實(shí)時監(jiān)控箱體內(nèi)外的水位變化情況，通訊管理模組與液位檢測模組通訊數(shù)據(jù)交互獲取到實(shí)時的水位數(shù)據(jù)[5]。液位模組管理電路如圖2 所示。

圖2 液位模組管理電路

工作原理：

傳感器迎液面受到的壓力公式[6]為：

式中，P：傳感器迎液面所受壓強(qiáng)（為方便理解，以下統(tǒng)稱壓力）；ρ：被測液體密度（調(diào)試時默認(rèn)按照1g/cm3）；g：重力加速度（調(diào)試時默認(rèn)按照9.8m/s2）P0：液面上大氣壓；h：傳感器投入液體的深度。

當(dāng)傳感器投入到被測液體中某一深度時，被測介質(zhì)的壓力引入到傳感器的正壓腔，通過線纜導(dǎo)氣管將液面上的大氣壓P0與傳感器的負(fù)壓腔相連，以抵消傳感器正面的P0，使傳感器測得壓力為ρgh，顯然,通過測取壓力P，可以得出液位深度。

特點(diǎn)：

1）通訊距離遠(yuǎn)、抗干擾強(qiáng)、防雷擊；

2）高量程、高精度；

3）防堵塞、防結(jié)垢；

4）穩(wěn)定性好、相應(yīng)速度快。

1.3 通訊管理模組

通訊管理模組是預(yù)警系統(tǒng)中嵌入式MCU 管理主控部分，所有的信號發(fā)起都是從通訊管理模組開始的，實(shí)時的去與溫濕度模組、液位檢測模組通訊，獲取和監(jiān)控各個模組的狀態(tài)和實(shí)時數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)匯集發(fā)送到后臺服務(wù)器，與后臺服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。通訊模組電路如圖3 所示，MCU 主控電路如圖4 所示。

圖3 通訊模組電路

圖4 MCU主控電路

工作流程：

MCU 和液位檢測模組、溫濕度模組、485接口、遠(yuǎn)程通訊4g 模組分別通訊。

1）MCU 與溫濕度模組通訊獲取溫度數(shù)據(jù)、解析溫度數(shù)據(jù)；

2）MCU 與溫濕度模組通訊獲取濕度數(shù)據(jù)、解析濕度數(shù)據(jù)；

3）MCU 與箱內(nèi)液位檢測模組通訊獲取箱內(nèi)液位數(shù)據(jù)、解析液位數(shù)據(jù)；

4）MCU 與箱內(nèi)液位檢測模組通訊獲取箱外液位數(shù)據(jù)、解析液位數(shù)據(jù)；

5）MCU 與485 拓展接口通訊，匯集發(fā)送各個模組的數(shù)據(jù)和狀態(tài)；

6）MCU 與4g 模組通訊，匯集發(fā)送各個模組的數(shù)據(jù)和狀態(tài)到后臺。

后臺接收到各個模組的數(shù)據(jù)后，判斷水箱狀態(tài)。設(shè)水箱狀態(tài)值S∈[G Y R]，其中G=0 正常、Y=3 輕度預(yù)警、R=5 報警，S值由Sout判斷：

式中，w：濕度；uout：箱外水位；vout：箱外水位變化速度；uin：箱內(nèi)水位；vin：箱內(nèi)水位變化速度；A：箱內(nèi)水位報警閾值；lon,lat,hig：水箱經(jīng)緯高；Si：其他水箱狀態(tài)（第i個水箱的狀態(tài)）；loni,lati,higi：其他水箱經(jīng)緯高；N：其他水箱個數(shù)；ax表示參數(shù)x的權(quán)重。

1.4 電源管理模組

電源部分提供電池和220 V 交流電源供電方式，用戶可選擇220 V 交流電源供電或者電池供電。電池供電方式，經(jīng)過穩(wěn)壓、變壓處理[7]，給各個模組和設(shè)備MCU 提供穩(wěn)定的工作電源，保證各個模組正常工作。接上交流電源后，電源管理自動選擇使用交流電源供電，220 V 交流電經(jīng)過變壓和穩(wěn)壓處理，提供一個穩(wěn)定的直流工作電壓到設(shè)備模組，沒有接上交流電源時，自動選擇電池供電[8]。交流電源還能為電池提供充電，保證斷掉后，電池還有足夠的供電能力。電壓轉(zhuǎn)換電路如圖5 所示，電池充放電電路如圖6 所示。

圖5 電壓轉(zhuǎn)換電路

圖6 電池充放電電路

特點(diǎn)：

1）供電電源穩(wěn)定；

2）電池工作時間長；

3）可充電；

4）可電源直接供電。

1.5 485拓展通訊接口

預(yù)留485 接口用于和通訊管理模組匯集的數(shù)據(jù)信息通訊[9]，其他拓展設(shè)備可以通過數(shù)據(jù)解析出各個模組的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，也能實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測箱式變壓器狀態(tài)的效果[10]，便于設(shè)備拓展。485 拓展接口電路如圖7 所示。

圖7 485拓展接口電路

1.6 硬件結(jié)構(gòu)組成以及示意圖

整個系統(tǒng)由1 個預(yù)警集成設(shè)備、2 個液位檢測模組、天線延長線組成。內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖8 所示。

圖8 內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

整體安裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖9 所示。

圖9 整體安裝結(jié)構(gòu)示意圖

2 軟件部分設(shè)計(jì)

2.1 嵌入式軟件部分

單片機(jī)控制各個模組的數(shù)據(jù)通訊和工作狀態(tài)。單片機(jī)編程控制流程如圖10 所示。

圖10 單片機(jī)編程控制流程

2.2 Web端應(yīng)用

提供后臺web 端應(yīng)用，在線遠(yuǎn)程監(jiān)控多臺設(shè)備狀態(tài)和數(shù)據(jù)情況，分析計(jì)算是否存在需要預(yù)警狀態(tài)的設(shè)備，提前進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)警處理。

獲取設(shè)備上傳的服務(wù)器的數(shù)據(jù)，解析數(shù)據(jù)，實(shí)時顯示到web 端，儲存各個時間端的數(shù)據(jù)、分析對比每次數(shù)據(jù)的變化、以及變化趨勢、通過指定的算法、算出是否存在溫度過高、濕度過高、箱式變壓器進(jìn)水等風(fēng)險預(yù)警[11]。

這樣的一套預(yù)警系統(tǒng)、保證了箱式變壓器更加安全的工作、大大降低了箱式變壓器一部分環(huán)境因素影響帶來的風(fēng)險故障發(fā)生概率[12]，提供一個安全、智能的工作環(huán)境。測試數(shù)據(jù)以及界面展示如圖11 所示。

圖11 整體安裝結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)束語

箱式變壓器預(yù)警設(shè)備，可以做到檢測箱式變壓器內(nèi)外的液位高度，箱內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)，通過遠(yuǎn)程傳輸?shù)胶笈_服務(wù)器，web 端獲取服務(wù)器上的數(shù)據(jù)。實(shí)時監(jiān)控和分析各臺設(shè)備是否存在異常風(fēng)險，設(shè)備的溫濕度、水位數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控多個箱式變壓器的數(shù)據(jù)信息，以及箱內(nèi)外是否存在發(fā)生故障的風(fēng)險，做到提前預(yù)警故障，減少安全事故的發(fā)生。