配電變壓器失壓主動報警裝置研究

石 燕 ，劉航航 ，張 霖 ，孫德達 ，孫金燕

（1.國網山東省電力公司東營市東營區供電公司，山東 東營 257091；2.國網山東省電力公司東營供電公司，山東 東營 257091）

0 引言

目前，一些老舊小區、物業代管小區及用戶廠站，配網設備非智能且老化嚴重，極易發生故障停電或在受到線路波動干擾的情況下失壓脫扣。針對上述情況，配網搶修人員無法及時、有效獲取相關信息，造成故障查找困難，用戶停電時間過長。為此，需要研制一種配電變壓器失壓主動報警裝置，及時解決用戶停電時間過長等問題。

目前國內對配電變壓器監測的研究，僅限于在線遠程監測［1-2］配電變壓器的運行參數，無法精確定位故障位置［3］，研制一種低成本、高性能的配電變壓器失壓主動報警裝置。該裝置通過MSP430F5438A微控制器對信號進行處理，并基于SIM900短信模塊發送告警信息，變被動搶修為主動搶修，提高了供電可靠性，提升了用戶滿意度。

1 設計原理

設計的配電變壓器失壓主動報警裝置按照功能可分為電源部分、MCU （Microcontroller Unit微控制單元）部分、告警部分、固定部分，如圖1所示。

圖1 失電主動報警裝置設計原理

裝置以配電變壓器出線側電壓、電流作為監測參數，通過微控制器將出線側電壓進行數字化處理，對采集到的數據進行分析、處理，定位失壓配電變壓器具體位置，并進行失壓過流判斷，生成報警信息，送入GPRS無線傳輸組件，GPRS無線傳輸組件主要由SIM900通信模塊組成，可以將事故告警信息迅速準確編輯，發送至運維人員手機，確保故障第一時間通知到運維人員。

2 系統的硬件實現

2.1 電源

配電變壓器失壓主動報警裝置的電源部分取自線路低壓側電源，內部配置鋰電池。線路正常時，電源取自線路低壓側，當系統斷電后，可依靠自身鋰電池放電將信號正常發出。由于電路需要準確可靠地判斷停電狀態，及時切換至后備電源供電，鋰電池必須滿足續航條件，為此選取型號為TF803040（容量1000 mAh）的鋰電池，循環次數大于500次。

電源電路的設計對配電變壓器失壓主動報警裝置的性能尤為重要，為整個設計提供動力支持。電源電路需要一個可以保持固定電壓同時又能向負載提供充足的驅動電流的直流電源［4］。由于系統各個功能模塊和所使用芯片對電源的要求不同，系統需要5 V、12 V、3.3 V 3種不同電壓大小的電源，設計電路如圖2所示。

圖2 電源電路設計

輸入220 V電壓經電源變壓器降壓、整流、濾波后得到12 V電壓，12 V電壓再經過2塊LM1085芯片得到兩路5 V電源：Vcc和5V-I。12 V電源主要用于輸出控制，5V-I主要用于通信電路的供電，而Vcc是作為輸入電壓經過SPX111M穩壓芯片得到3.3 V輸出電壓，3.3 V電源主要為CPU部分供電。

2.2 MCU

MCU部分承擔整個系統的信號處理、邏輯分析及輸出控制工作。裝置選用具有高性能、低功耗、抗干擾能力強、質優價廉等特點的單片機——MSP430F5438A微控制器。

若配電變壓器發生故障，采集到的電壓電流信號經過信號處理電路發送至MCU。MCU內嵌模數轉換模塊，且轉換精度為12位，完成模擬信號轉換為12位數據并存入轉換存儲器。MCU對提取的電壓、電流信號進行預置判斷分析處理，并記錄故障發生時間及位置。若出現失壓過流，則觸發本裝置的短信告警模塊發出故障報警信息。若出現失壓不過流，則觸發本裝置的短信告警模塊發出停電報警信息。

2.3 報警

10 kV架空線路輸送距離長、條次多，當配電變壓器失壓時，需要將告警信號統一發出分級接收。裝置采用SIM900短信模塊的報警方式，具有成本低、可靠性高和實用性強等優點。當裝置檢測到異常時，通過短信模塊將異常用戶的編號位置發送給運維人員，使其可以第一時間接收告警報警信息，快速定位巡線位置，及時恢復用戶供電。報警執行部分如圖3所示。

圖3 報警執行部分硬件

3 系統的軟件實現

以IAR作為軟件開發平臺，采用C語言進行數據編程。軟件設計部分主要由單片機數據處理單元和報警發送單元組成。

3.1 數據處理單元

該單元的主要功能是采集配電變壓器失壓數據并做出分析判斷。檢測判斷軟件采用匯編語言，把程序編寫固化在微型單片機MSP430F5438A存儲器內，單片機初始化后，對采集到的電壓信號進行判斷，程序流程如圖4所示。

3.2 報警發送程序

微控單片機通過串口與SIM900實現GPRS通信［5］，當程序判斷出配電變壓器失壓時，將立即執行報警程序，發送對應的報警短信信息至相關運行人員手機。軟件流程如圖5所示。

圖4 邏輯判斷流程

圖5 發送程序軟件流程

4 終端測試

經過對失壓主動報警裝置的軟測試及硬件組裝，配電變壓器失壓主動報警裝置整體實物如圖6所示。

圖6 配電變壓器失壓主動報警裝置

為了測試所研制的用戶變失壓主動報警裝置的性能，將產品安裝到某小區，模擬發生故障時的工作情況，如圖7所示。

圖7 現場模擬工況

通過對系統的整體調試，實現各功能模塊的正常工作。中央處理器將信號采集模塊所采集的信號進行處理，用戶變壓器失壓立即告警，并將告警信號發送至運維人員手機終端。應用該裝置后，由以往被動處理故障恢復用戶供電變為設備失電2 s內自動發送停電信息的主動搶修。

5 結語

配電變壓器失壓主動報警裝置簡單易用，高可靠性，造價低廉，獨立運行，具有推廣價值。裝置應用后，避免了老舊小區及非智能用戶線路發生故障時，線路巡視人員的盲目巡視、難以發現故障點、巡視時間長以及用戶失壓后無法及時有效恢復供電等問題，變被動搶修為主動搶修，提高了供電可靠性。