基于GSM的變壓器故障實時遠程監(jiān)測系統(tǒng)設計及應用

段榮霞，趙小燕，于 辰

(1.軍械工程學院 電氣工程系，石家莊 050003；2.北京科技大學 自動化學院，北京 100083）

0 引言

變壓器作為電力系統(tǒng)中至關(guān)重要的電氣設備，數(shù)量眾多，分布廣泛，其安全運行是大規(guī)模配電系統(tǒng)和電網(wǎng)安全的關(guān)鍵。目前變壓器設備監(jiān)控主要靠人工巡視，周期長，人為因素制約現(xiàn)象嚴重，無法實現(xiàn)連續(xù)在線監(jiān)測[1,2]。

本文結(jié)合HYDRAN20li氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)和GSM無線通信技術(shù)，設計了變壓器故障實時遠程監(jiān)測系統(tǒng)，當現(xiàn)場氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)測量到現(xiàn)場變壓器油中的早期故障特征氣體超過安全設定值，即通過GSM無線模塊短信通知相關(guān)運行人員；同時巡檢人員也可以通過手機隨時查詢現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)為確保變壓器的可靠運行提供有力保障[3,4]。

1 變壓器故障實時遠程監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 變壓器故障遠程監(jiān)控系統(tǒng)組成

本監(jiān)控系統(tǒng)主要是由HYDRAN20li氣體在線監(jiān)測傳感器模塊、數(shù)據(jù)傳輸單元、服務站構(gòu)成。它的主要目標是對采集的數(shù)據(jù)參數(shù)進行存儲、分析診斷、傳輸通訊功能，系統(tǒng)模型如圖1所示。

1.2 HYDRAN20li變壓器油氣在線監(jiān)測系統(tǒng)

圖1 變壓器故障遠程監(jiān)控系統(tǒng)模型

為確保變壓器類充油電力設備的安全運行，國內(nèi)外開發(fā)了許多的監(jiān)測方法。變壓器內(nèi)絕緣油在熱和電的作用下，能分解出氫，一氧化碳、二氧化碳以及多種小分子烴類氣體，充油電力設備內(nèi)部故障的類型及其嚴重程度與這些氣體組分及產(chǎn)氣速率有著密切關(guān)系，因此通過測量變壓器油中溶解的不同氣體的類別或濃度來分析變壓器的運行狀態(tài)，從而盡早的發(fā)現(xiàn)設備內(nèi)部可能存在的潛伏性故障。

目前常用的氣相色譜分析（DGA）成功應用于許多充油設備的內(nèi)部故障，為電網(wǎng)的安全靠運行起到了積極作用，但是這項技術(shù)檢測周期長，無法實現(xiàn)在線測量。本文采用了HYDRAN20li氣體在線監(jiān)測模塊作為現(xiàn)場測量儀表可在線連續(xù)運行，可以在測量過程中及時準確地觀察到非瞬間發(fā)生的故障先。它采用薄膜電容傳感器能夠測量0～2000ppm等量的氫氣，一氧化碳，乙炔，乙烯等氣體。其工作原理如圖2所示。

圖2 HYDRAN20li氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)工作原理圖

該模塊包括傳感器和變送器單元，傳感器通過一個閥門可與變壓器箱體方便連接，使變壓器油與傳感器的滲透膜接觸。其變送器單元可以根據(jù)氣體濃度或氣體濃度變化率設定報警值，并具有串口通訊功能。

1.3 GSM 無線通信

全球移動通信系統(tǒng)GSM（global system form mobile communication）是第二代蜂窩系統(tǒng)（數(shù)字蜂窩系統(tǒng)）的標準。GSM業(yè)務按ISDN的原則可分為電信業(yè)務和數(shù)據(jù)業(yè)務。GSM無線通信在生產(chǎn)領(lǐng)域的應用提高了自動化實時監(jiān)測水平，為及時處理遠端設備異常事故提供可能。本監(jiān)控系統(tǒng)就是利用GSM 的短消息功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)和控制命令的傳遞。

2 遠程監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計

2.1 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)通過氣體檢測傳感器自動采集運行變壓器的相關(guān)數(shù)據(jù)，由RS232 或RS485 接口與GSM 數(shù)據(jù)傳輸單元（DTU）相連，將采集到的數(shù)據(jù)通過GSM DTU 終端的內(nèi)置微處理器對數(shù)據(jù)進行處理、協(xié)議封裝后發(fā)送到無線網(wǎng)絡，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的透明傳輸?shù)墓δ?。硬件框圖如圖3所示。

2.2 GSM通信模塊硬件設計

基于GT900-C進行無線通信模塊開發(fā)[5]，在硬件設計過程中充分考慮到功能以及穩(wěn)定性的要求，從供電、串口、程序下載更新以及無線通信方面加以考慮，確定整體硬件的設計結(jié)構(gòu)。具體的硬件系統(tǒng)設計框圖如圖4所示。

圖3 變壓器遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)原理

圖4 GSM通信模塊硬件設計

其中GSM單片機MCU選擇ATMEL公司的ATmega162，它是8位微控制器。其特點是性能可靠、低功耗、簡潔實用、功能齊全、處理功能強大。對于本系統(tǒng)來說，由于單片機與GSM模塊用到UART串口通信，同時與后端的HYDRAN20li氣體在線監(jiān)測模塊鏈接又是通過RS485接口協(xié)議，因此要求單片機擁有2個串口，而ATMEGA162單片機完全滿足設計需要。

GSM模塊選擇了華為的GTM900-C。它內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧，擁有比較完善的AT指令集，最高網(wǎng)絡速率可達85.6Kbit/s，而且UART串口速率可達115200bit/s，這款芯片AT指令趨于成熟，在國內(nèi)其他行業(yè)中的遠程數(shù)據(jù)傳輸方面有廣泛的應用。

系統(tǒng)的電源電路主要由兩部分組成，一部分電路是由LM2576-ADJ組成的3.8V電壓產(chǎn)生電路，該部分電路只為GTM900C模塊供電，該模塊的工作需要一個相當穩(wěn)定的電源電壓和比較大的工作電流，另一部分電路是由LM1085-3.3組成的3.3V電壓產(chǎn)生電路，為系統(tǒng)的其他部分模塊提供電源。LM2576ADJ內(nèi)部集成頻率補償與固定頻率發(fā)生器，開關(guān)頻率為150KHz，與低頻開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器相比較，可以使用更小規(guī)格的濾波元件。由于該器件只需4個外接元件，可以使用通用的標準電感，優(yōu)化了LM2576ADJ的使用，極大地簡化了開關(guān)電源電路的設計。

3 遠程監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計

基于以上硬件設計了上位軟件數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，充分考慮用戶以及工程的實際要求，方便工程師現(xiàn)場調(diào)試服務器端IP 以及PORT 的變化，對數(shù)據(jù)終端的實時調(diào)試的要求，用戶可以通過串口對數(shù)據(jù)終端進行參數(shù)設置以及對GSM通信模塊進行在線調(diào)試。

3.1 系統(tǒng)軟件整體構(gòu)架

系統(tǒng)應用的程序設計軟件為Image Craft公司生產(chǎn)的ICCAVR 6.31A。ICC帶有一個的代碼生成器，也可生成外圍器件的初始化代碼。軟件設計包括初始化CPU、初始化GSM模塊、設置和讀取DS1302時間、讀取短信、發(fā)送短信、來短信檢測、外部電源掉電檢測、外部脈沖計數(shù)以及外部設備防盜接口檢測等部分，系統(tǒng)總體軟件設計如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)工作流程圖

系統(tǒng)整體設計保障了各個功能模塊實現(xiàn)預期功能，為整個監(jiān)測系統(tǒng)的平穩(wěn)運行起到至關(guān)重要的作用。

3.2 GTM900-C模塊初始化

由于GTM900C型GSM模塊對于本系統(tǒng)具有十分重要的作用，其能夠正常穩(wěn)定工作是監(jiān)測系統(tǒng)可靠運行的關(guān)鍵。主程序是系統(tǒng)穩(wěn)定工作的關(guān)鍵，系統(tǒng)的主程序主要包括：初始化CPU、初始化GSM模塊、讀取DS1302時間、來短信檢測、外部電源掉電檢測、外部脈沖計數(shù)以及外部設備防盜接口檢測等程序。系統(tǒng)在初始化CPU時加入了看門狗程序，能夠在系統(tǒng)出現(xiàn)問題時自動復位系統(tǒng)，根據(jù)ATMEGA162的芯片手冊，復位時間在3.3V電壓工作時約為2.2s，初始化流程如圖6所示。

圖6 初始化GSM模塊程序框圖

3.3 收/發(fā)短信

當變壓器現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)接收到控制站操作人員或巡視人員短信時，需要先讀取短信內(nèi)容，目的有兩個：1）讀取內(nèi)容是否為服務器發(fā)出的指令內(nèi)容；2）獲取發(fā)件人號碼。如果以上兩個步驟不進行操作，則可能因為垃圾短信或者錯發(fā)短信出現(xiàn)額外的費用損失，嚴重時可能泄露秘密，因此讀短信程序?qū)ο到y(tǒng)來說同樣很關(guān)鍵。

如果讀取短信內(nèi)容后發(fā)現(xiàn)時服務器端發(fā)來的命令內(nèi)容，就需要將服務器端需要的測試儀表的信息讀取出來發(fā)送到服務器端了。發(fā)送短信程序的好壞將關(guān)系到系統(tǒng)操作是否成功，因此發(fā)送短信程序?qū)τ谙到y(tǒng)也很關(guān)鍵。

實驗室中模擬現(xiàn)場變壓器故障給監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)模擬測試信號進行實驗，成功的實現(xiàn)了系統(tǒng)的預期要求。服務器端向本系統(tǒng)發(fā)送“SEND”，系統(tǒng)能夠回復傳感器中的數(shù)據(jù)；如果外部電源掉電，則系統(tǒng)需要向服務器端發(fā)送“ALARM-01”，并在發(fā)送成功后關(guān)閉GSM模塊；如果外部電源掉電一段時間后，外部電源又來電了，則要求系統(tǒng)此時向服務器端發(fā)送“ALARM-00”；在系統(tǒng)上電后SIM卡內(nèi)的短信全部刪除，并且在讀完一條短信后也立刻刪除該條短信，在系統(tǒng)運行出現(xiàn)問題時系統(tǒng)能夠自動復位。

4 結(jié)論

通過測試和實際運行，無線通信模塊硬件運行可靠，軟件基本實現(xiàn)了所要求的功能，能夠?qū)F(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)根據(jù)時間設定實時傳送至指定號碼，同時便于巡檢人員隨時查詢現(xiàn)場數(shù)據(jù)，這將為變壓器可靠運行提供保障。

[1] 操敦奎.變壓器油色譜分析與故障診斷[M].北京:中國電力出版社.2010.

[2] Su,Q.;Mi,C.;Lai,L.L.;Austin,P..A fuzzy dissolved gas analysis method for the diagnosis of multiple incipient faults in a transformer[J].IEEE Transactions on Power Systems,2000,15(2):593–598.

[3] 趙龍,李仁俊.基于GSM網(wǎng)絡的配變監(jiān)控系統(tǒng)[J].電力自動化設備,2003,23(6):57-59.

[4] McArthur,S.D.J.;Strachan,S.M.;Jahn,G..The design of a multi-agent transformer condition monitoring system[J].IEEE Transactions on Power Systems,2004,19(4):1845-1852.

[5] 華為GTM900-C無線模塊產(chǎn)品概述.V1.00[M].華為技術(shù)有限公司,2009:1-35.