預裝式變電站主設備智能化監測終端設計與實現

作者/陳華山、劉憲成，河海大學常州校區信息中心

預裝式變電站主設備智能化監測終端設計與實現

作者/陳華山、劉憲成，河海大學常州校區信息中心

預裝式變電站主設備智能化監測終端采用模塊化設計，主要涵蓋了主電量數據采樣模塊、CPU 模塊、環境參數采樣模塊、高低壓開關驅動模塊以及風機驅動模塊。設計與實現各模塊硬件電路的同時，對各模塊中核心元器件進行了詳細的選型闡述。

預裝式變電站；智能化監測；物聯網技術；變壓器

近年來，我國國民經濟的高速發展，帶動了經濟發展基礎產業電力行業的迅速崛起。國家電網公司順應發展需求，提出“建設堅強智能電網”的建設目標，旨在建立“三集五大”的全國大電網體系構架，以此來實現電力供應的高效與可靠。在這樣一張“電力大網”中，樞紐變電站的核心設備—電力變壓器當仁不讓的成為了關鍵之一，直接影響著電網供電的安全和可靠。雖然現代電力變壓器配備有數量眾多、功能已較為全面的繼電保護裝置和運行控制設備，但隨著其在電網中運行時間的不斷增加，變壓器部件故障進而導致局部事故并不能完全避免。一旦發生故障或事故，即便有提前的相關預案應急，也不能保證供電中斷完全不影響居民的正常生活與企業的正常生產。因此，針對變壓器運行的特殊性與復雜性，如何多方位、多角度、有效監測變壓器，分析判斷是否處于異常狀態、是否存在潛在故障，以此為依據制定相應的設備壽命管理方案與設備檢修策略，提高電力變壓器運行可靠性，以確保電網安全運行，一直都是國內外電力行業探索解決的重要課題之一，有著重要的現實意義。

1. 預裝式變電站系統組成及原理

預裝式變電站是一種戶外成套變電站的新型變電設備，采用標準化和模塊化集成設計技術，整個設備包括五大模塊如圖1所示。

圖1 預裝式變電站系統組成模塊

將上述五大模塊在工廠內預制，艙式組合，模塊化運送，現場土建完成后一次性吊裝，整體聯調，即可快速建成變電站，對現有預裝式變電站監測系統升級，拓展物聯網監控功能。

智能預裝式變電站能實現在運行智能系統的基礎上，通過通信網絡方式與其他設備進行實時交互的功能。內部集成各種無線傳感器和執行單元，實現智能化監測，從而保證設備的穩定和安全運行。將預裝式變電站各設備的運行參數和結構信息輸入到智能執行單元中，工作時各無線傳感器實時采集信息，進行運行狀態的分析和評估，同時根據與其他設備通信接收到的指令，不斷的調整運行狀態。

變壓器是預裝式變電站的核心組成部分。變壓器的智能化程度對電力系統有著深遠的影響。智能變壓器的組成部分包括變壓器、監測運行狀態的傳感器單元、執行器、標準化通信網絡、智能組件和智能輔助設施。其中，智能組件包括變壓器智能化單元TIED，計量單元，監測單元，保護單元，控制單元，通訊單元和電源管理系統。智能化預裝式變電站在模塊集成組合、綜合體設計技術與導向散熱技術、智能化程度等方面具有獨特性和創新性，與傳統產品比較，有著較強的競爭力和實用性。

2. 預裝式變電站主設備監測終端設計與實現

預裝式變電站主設備智能化監測終端由主電量數據采樣模塊、CPU模塊、電力設備開關驅動模塊，環境數據采集模塊、RS—485接口等組成。在預裝式變電站主設備智能化監測系統中，本文所設計的主電量數據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，轉化為小電壓信號給微處理器的A/D轉換模塊；電力設備開關驅動模塊則采用光電隔離法，當出現異常情況時，驅動電力設備各組件，本文中驅動電路有風機驅動電路、高壓開關和低壓開關驅動電路；環境監測終端中，溫濕度傳感器分別采集預裝式變電站環境溫度和濕度，并轉化為數字量傳輸給微處理器，微處理器對傳輸來的數據進行進一步處理后傳送至Zigbee終端節點。終端節點通過有線等形式與協調器節點進行連接與通信。協調器通過485—RS通信方式與無線通信模塊進行連接，實現數據的接收/發送功能，無線傳送到系統應用軟件端。

2.1 主電量數據采集模塊硬件設計

主電量數據采樣硬件設計中選用高性能、測量多相位電能計量芯片IDT90E36，各方面參數與性能均能符合本系統設計要求。該模塊核心作用是采集預裝式變電站變壓器的三相電量參數。主電量數據采集模塊包括了電量信號采集電路、信號數據處理、接口電路等部分。通過將高壓電能信號轉化為弱電壓信號后，經過電量芯片IDT90E36的采樣與信息數據處理，從而得到一系列電量參數，包括三相電流有效值、三相電壓有效值、對應的視在功率等。以IDT90E36為處理芯片的主電量采集模塊通過SPI接口與CPU模塊進行數據通信。

圖2

2.2 電壓、電流采樣硬件電路

電壓通道有效值測量范圍為5mV～720mV,而預裝式變電站實際運行時的電壓信號不能直接進行測量，需要進行降壓處理。在所設計的電路中接入110K/1W功率的電阻，實現將220V交流信號轉換為系統所需的2mA交流信號。所采用的互感器規格為2mA/2mA，其作用是將高壓與低壓進行隔離。信號數據經過濾波處理后進入IDT90E36電壓輸入通道，得出所采樣電壓信號的有效值。實際預裝式變電站變壓器各相電壓有效值計算方式為：樣本電壓信號有效值×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，常態時絕緣電阻大于1000M，可承受工頻2000V 50 Hz /1 Min抗電強度，工作溫度為—55℃～85℃。

2.3 CPU模塊硬件設計

硬件電路微處理器采用的是三星公司的S3C2440A芯片。基于ARM920T內核研發，工作頻率最高為400MHz，其各方面性能均能滿足本系統設計需求。CPU模塊分為存儲電路、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）和網卡接口等外圍電路。PIO擴展接口用于高低壓開關控制與風機控制，存儲電路包括SDRAM以及Flash存儲器，網卡接口電路功能在于實現網絡應用。

2.4 環境溫濕度、煙霧采樣模塊

環境溫濕度采樣模塊使用AM2306型傳感器作為采樣終端。AM2306型傳感器內集成溫度、濕度傳感與數字采集技術，在實際應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高精度集成測溫器件，連接至單片機系統，集成標準單總線接口，可以應用于不同環境中。環境煙霧采樣模塊使用WT—828—2PL聯網型傳感器。WT—828—2PL傳感器為光電型感煙探測器，其采用煙霧中顆粒折射紅外光原理從而探測煙霧。此煙霧傳感器內部含紅外發射模塊和接收模塊，通過設置光學迷宮，在不影響煙霧進入傳感器的條件下，過濾外界干擾光源。當有煙霧進入時，由于散射作用使得接收部分接收光信號得到增強，煙霧濃度達到限值時，此煙霧傳感器輸出報警信號。

2.5 驅動控制電路硬件設計

驅動電路是檢測裝置的重要組成部分。風機的啟停對預裝式變電站的正常運行有著深遠的影響。當異常情況發生時能及時動作，能夠有效保護電力設備。環境溫度采集模塊將數據信息傳送到CPU模塊，CPU模塊獲取到數據信息后經過處理電路獲取到當前環境溫度值，將當前環境溫度數據信息與預先輸入溫度閾值進行比較，判斷當前運行環境是否存在超溫的情況。本系統設計了報警裝置，將蜂鳴器接口直接與S3C2440A芯片連接。當發生超溫或者通信故障時，CPU模塊發送信號可控制蜂鳴器工作。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作，P7處端子外接風機。本系統中的風機開啟方式分為手動和自動兩種方式，且同一時刻只能處于一種模式下。所設計的風機自動模式下，當監測到的溫度高于風機開啟溫度時，CPU模塊給JOUT1高電平從而使電路導通，繼電器閉合，風機開啟進行環境降溫;溫度降低至風機關閉溫度時，CPU模塊給JOUT1端口低電平從而使得電路不導通風機停止工作。本系統所設計的風機啟動手動模式，是使CPU模塊給JOUT1高低電平來控制風機的工作與停止。

高低壓開關驅動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，其最大的觸點容量為1250VA，內部線圈電阻1920Ω。考慮到系統抗干擾性問題，避免由于外界干擾而引起的設備誤操作，因此在高低壓開關驅動電路設計中接入兩個光耦。TLP627型光耦內部提供Darlington電路，其額定工作溫度為—25℃～85℃，正向導通電流最大為25mA。所設計的驅動電路兩個輸入端連接S3C2440A的GPJ0與GPJ1。當GPJ0和GPJ1分別為1和0時，兩個光耦同時導通，DSP2A—DC24V繼電器提供驅動電流，繼電器的常開觸點閉合，實現對開關設備的斷開操作；與此類似，所設計的驅動電路兩個輸入端連接S3C2440A的GPJ2與GPJ3，實現對開關設備的閉合操作。

3. 總結與展望

本文詳細闡述了預裝式變電站主設備電量參數采集模塊、CPU模塊、環境溫濕度、煙霧采集模塊、風機驅動控制模塊和高低壓開關驅動控制模塊的設計思路，并對各模塊中核心部件進行了分析。在實際測試中，設備工作噪聲和環境噪聲會對本系統硬件電路造成影響。為了保證系統的工作可靠性，滿足系統采集數據的精確性，采取了以下的抗干擾措施：在硬件電路板設計時應當考慮應用環境的干擾源和干擾信號等問題，以及在各種干擾信號影響下設備所出現的誤操作。合理設計硬件電路板，元器件選擇高精度類器件，并且進行準確無誤的焊接。除此之外，I/O 電路與其它控制電路中應加隔離電路。還有在初期的系統設計和實現中，主要以預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行狀態監測數量，例如：GIS 部分、油浸式變壓器中油氣色譜監測等，形成綜合性運行狀態監測。

＊ [1]李鑫,賴美云等.新型智能預裝式變電站狀態評價關鍵參量研究[J].變壓器,2015,52:30—35.

＊ [2]王哲,孫純軍.物聯網技術在智能變電站中的應用[J].電力建設,2011,32(10):41—46.

＊ [3]姜貝貝.預裝式變電站主設備智能化監測與健康評估系統設計[D].河海大學,2017.

＊ [4]何金鑫.基于無線傳感網絡的智能變電站環境監測系統設計[D].安徽理工大學,2016.