基于可視化的變壓器運輸監控平臺設計

冷傳波 郭錫文 肖毅

[摘要]大型變壓器長距離運輸存在眾多的安全風險，對電網的健康安全運行有重要的影響。為實現對變壓器運輸過程監控，保障性能，需要提高變壓器運輸質量管理的系統化和信息化水平。文章分別從監控中心、通信中心、監測終端和集中控制器四個系統架構層次出發，初步設計了基于可視化的變壓器運輸質量監測監控管理平臺。該監控管理平臺能實現變壓器關鍵參數運輸狀態數據的實時監控，運輸危險狀態報警和趨勢分析，監控變壓器運輸的實時狀態，為保證設備運輸質量提供有力保障。

[關鍵詞]變壓器；運輸；可視化；監控平臺

[DOI]1013939/jcnkizgsc201726130

1引言

隨著我國能源結構調整，西南地區將規劃建設大型變電（換流）站等基數設施。這些工程涉及大型變壓器長距離運輸。變壓器在運輸方式有公路、鐵路、水運以及它們之間兩種或者三種方式的組合，運輸和換裝過程中不可避免地會受到顛簸、沖擊、傾斜等。這些風險因素如果超出規定值，就會造成變壓器內部結構損傷，給產品質量和工程按期投運帶來極大影響。

因此，需要建立可視化的變壓器運輸質量監測監控管理平臺。該管理平臺具備以下主要功能：一是影響安全的主要參數在運輸中實時遠傳監控；二是運輸危險狀態報警，提示承運人員準備安全保障措施。

2運輸過程監測系統研究現狀

20世紀70年代屢次出現變壓器受運輸沖擊影響，致使變壓器使用壽命大幅度縮短。20世紀80年代后，我國提出的《三相油浸式電力變壓器技術參數和要求》的方案規定：220KV變壓器運輸需安裝封閉式沖擊震動記錄儀。在《電氣裝置安裝工程電力變壓器、油浸電抗器、互感器施工及驗收規范》中，規范了大型變壓器運輸要求，提出了沖擊加速度、壓力（充氮運輸）、傾斜度等運輸安全參數。尤其在近年我國特高壓交直變壓器運輸，提出了更高的安全運輸要求。

運輸遠程監控系統在物流行業已經進行了初步嘗試。隨著“互聯網+”的興起，主要使用在以下領域：裝箱運輸集中監控、奶源運輸遠程監控、危險品運輸遠程監控、危重物品運輸監控等。隨著我國特高壓工程快速發展，特高壓變壓器運輸的遠程監控引起電網公司的重視。目前對于大型變壓器運輸過程監控主要是利用其他行業運輸監測系統。但由于行業背景不同，在適用性上只能滿足部分變壓器運輸的新需求。其他行業運輸過程的監測系統應用的功能如表1所示。

從表1可以看出，由于行業要求不同，變壓器生產廠家和用戶很難實時掌握變壓器運輸過程中的以下信息：一是運輸路線；二是當前地理位置；三是行駛速度；四是三軸加速度；五是雙軸傾斜角度；六是氮氣壓力；七是駕駛員駕駛狀態；八是大型車組運行實時路況等重要信息。這些信息對于廠家了解變壓器運輸安全和用戶安排施工進度是非常重要的。另外，在設備運輸到達現場后才能查看，對發現的設備故障，運輸質量無法判定，相關責任難以界定。

3系統架構設計

參考國內類似可視化平臺基本理論，大型變壓器運輸質量監測可視化監控管理平臺由四個部分組成，分別為監測終端、集中控制器、通信中心和遠程監控中心，其總體系統架構見下圖。

監控中心是整個系統數據的匯集及管理中樞；通信中心是信息傳輸公共平臺；監視終端和集中控制器通過ZigBee技術構成了物聯網智能傳感網絡，共同完成運輸技術參數采集。系統通過控制集中控制器，可智能識別終端設備，增減監測終端數量，完成網絡組建。監測終端主要負責采集運輸過程中的相關參數（沖擊和振動加速度、車體傾斜角度、充氮壓力等），并通過物聯網傳輸到集中控制器。通過以上信息采集、傳輸、反饋等對大型變壓器運輸過程中各項安全指標進行實時監視和管理，確保整個運輸過程在可控范圍內實施。

系統架構圖

31監控中心設計

監控中心是整個系統的中樞，由無線網關路由器、多個服務器和防火墻等設備組成。它的作用是在運輸過程中，記錄全程線路、數據，并對運輸安全狀態進行實時評定；在運輸結束后，對全程運輸數據分析，對運輸質量評定，并保存完整的記錄數據。

監控中心的設計需要結合變壓器運輸安全管理流程和所需功能完成：一是梳理電力設備運輸的參與者和管理流程，錄入運輸計劃和方案、運輸安全在線監測和預警報警、運輸后的狀態記錄永久追溯和運輸質量的量化評價等，實現信息維護、數據查詢等功能；二是將分散信息整合到平臺中，運輸過程形成有效的計劃、執行、檢查、處理管理循環；三是結合設備運輸參與者，按照運輸時間發生順序，實現大型變壓器運輸質量的在線管控。

電網公司、設備廠商、運輸企業可通過設定專用通道查詢、調取相應內容比如運輸計劃、運輸信息、變壓器在途安全信息、運輸車輛和運輸路線等信息。運輸結束后還可以調取不同時間和地點行車路線和傳感器數據等信息。

32通信中心設計

通信中心的設計主要通過變壓器本體和車輛監測信息的匯總集中，預期實現的功能主要功能有：一是向隨車同行作業人員提供變壓器本體實時運輸狀態數據，對危險狀態實時報警，該信息可根據需要實現短距離的可靠傳輸；二是采用GPRS 網絡信息傳輸技術，將狀態信息遠傳至遠程監控中心和相關負責人員；三是可采用GPS 技術，將車輛的實時地理位置信息每分鐘（根據需要調整）傳送給遠方監控中心。

利用監測裝置和遠程監控中心對變壓器的運輸全過程進行了實時監測和控制，主要包括以下內容：一是運輸基本情況：運輸路線、行駛速度、車輛實時地理位置定位等；二是變壓器本體內部氣體壓力、傾斜角度、縱向和橫向及垂直加速度的實時數值；三是預警次數、超限次數、氮氣瓶壓力和氣瓶更換情況等。

該系統采取一體化設計，在生產廠家統一集中部署、統一分析和存儲，實現業務流程、管理標準與指標體系有機集合，實現變壓器臺賬信息、車輛信息、狀態監測信息、調度計劃信息的處理和信息展現有機融合。endprint

33監測終端設計

監測終端是運輸過程中安全和技術指標的檢測裝置，主要由各類傳感器組成。檢測內容包括：車輛行駛速度和變壓器沖擊加速度、傾斜角度、內部充氮壓力等參數，進行實時顯示分析，提醒相關人員執行正確操作，保證大型變壓器的運輸安全。

檢測終端檢測到數傳輸到數據集中控制器。目前數據傳輸采用ZigBee收發器CC2530通過遙控方式開啟。穩壓電路將電池的電壓轉換為系統各部件所需的電源電壓。各種傳感器負責采集變壓器運輸過程中的監測狀態參數，運輸過程中影響變壓器安全和質量的主要因素包括：沖擊加速度值（三軸加速度）、傾斜角度、充氮壓力（充氮運輸）、運輸實時觀測和車輛行駛速度等。

331沖擊振動傳感器

沖擊振動傳感器是測量變壓器運輸沖擊加速度的傳感器，要求具有性能穩定、精度高、溫漂小、結構緊湊、安裝方便等特點；并且實現全程監測，實時預警的功能。沖擊振動傳感器采用三線制數字輸出，可通過協議發送指令控制。

沖擊振動處理器定期向傳感器發送釆集指令，然后通過電路向處理器發送沖擊振動數據。目前，常用沖擊振動器可測三軸±8g以內的加速度值。傳感器的釆集時間間隔可根據需求設置，傳感器可將三軸（X，Y，Z）加速度的絕對最大值記錄，并可求出最大值、最小值、平均值和三軸矢量和。變壓器運輸過程中，水平沖擊加速度不大于3g，垂直沖擊加速度不超過2g。根據變壓器需要，在箱體內外裝有多個沖擊記錄儀，要求每個沖擊記錄儀測定值都不超標。

332氮氣壓力傳感器

變壓器完成實驗后，需放空變壓器油并在油箱內注入高純氮氣（純度為 999%以上，露點為-35℃）。在運輸過程中，由于氮氣有小量泄露，需要隨時準備補充注入合格氣體，以保證箱內壓力在 20kPa～30kPa內。

氮氣壓力傳感器對數據進行保存和處理。常用的傳感器可測定0～100kPa內氣體壓力。氮氣壓力傳感器與處理器之間采用RS485串口通信，可以輸出1～5V信號，在B和A接入電阻R13，可以增強其抗干擾能力，防止處理器收到亂碼。

333傾斜角傳感器

特高壓變壓器公路運輸時，本體沿長軸、短軸方向傾斜分別不大于15°和10°；水路運輸時，本體傾斜角度不大于15°。目前，ZCT245AN-232雙軸傾角傳感器具有體積小、重量輕、測角范圍±45°等優點，便于安裝和數據傳輸。

334全程視頻觀測

目前，變壓器廠家要求變壓器主體運輸時必須對運輸過程全方面進行監控。影像資料保存并作為付款依據。為滿足需要，大件運輸前將便攜式監控攝像頭連接在專用車輛上（12V電源），全程檢測變壓器運輸實況。

335其他檢測設備

根據生產廠家和用戶的需要，可以增加其他監控設備，保證變壓器安全、質量和緊急事態預防。比如駕駛員狀態監視器，由近紅外線照相機和ECU構成。該裝置安裝在遮光板的正下方，近紅外線照相機定期拍攝出駕駛者畫像，然后通過ECU對駕駛員臉的方向和眼睛開合狀態等進行解析，發現駕駛者持續眼睛處于閉合狀態，該系統就會自動提示駕駛員。

34集中控制器設計

集中控制器有兩個功能：一是將實現各終端傳感器的集中管控；二是監測數據的實時匯集、處理、數據上送和指令接收等功能。集中控制器由軟件和硬件兩部分組成。軟件分為應用層、框架層、驅動層，是智能傳感網絡和監控中心的接口負責從監控中心接收命令，同時把各種監測數據發送給監控中心。硬件部分構成見表2。

4系統可視化功能說明

根據特高壓變壓器運輸安全需要，監測系統的可視化功能分為以下幾個部分：運輸線路可視化、運輸計劃任務進度可視化、運輸實時狀態數據及歷史回放可視化和可見光視頻及照片數據可視化。詳見表3。

定位模塊，按照設定的時間間隔對地理位置進行采樣定位，定位信息一方面在隨運輸車輛實時就地顯示，另一方面通過GPRS通信將地理位置信息實時遠傳至監測中心，在監測中心地圖上，實時顯示變壓器各種運輸位置信息。在此基礎上，根據GPS和北斗定位信息，實時計算運輸車輛的行駛速度

4

其他信息

三軸沖擊加速度值、變壓器內部氣體壓力值、補氣裝置氣體壓力值、自動補氣動作信息、傾斜角度值及車輛行駛速度等信息，通過GPRS遠傳至儲存與運輸狀態監測后臺，并進行相關數據的展示與發布

5結論及建議

第一，回顧了國內外對于大型設備運輸監測系統的研究現狀；結合特高壓變壓器安全運輸特性，指出重點監測項目指標，如沖撞加速度、氮氣壓力、自動補氣、全程視頻監視等。

第二，本文初步介紹了基于可視化的變壓器運輸監控平臺；并結合系統架構設計，從結構和功能上分析了監控中心、通信中心、監測終端和集中控制器。

第三，基于可視化的變壓器運輸監控平臺設計是一個復雜系統工程，需要人員和設備較大投入。要完全實現該可視化平臺功能，需要電網公司、變壓器生產廠家和承運單位共同推動。

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[作者簡介]冷傳波，中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司；郭錫文，中特物流有限公司；肖毅，中特物流有限公司；蔡偉龍，中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司；李文濤，中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司。endprint