電氣工程在箱式變電站熱故障的應用

范曉曉

摘要：本文基于電氣工程學到的知識，論述了箱式變電站熱故障監測預警的研究背景與意義，并詳細介紹了本文所采用數字信號處理方法及通信方式。

關鍵詞：箱式變電站 熱故障 在線監測 Modbus

中圖分類號：TM63 文獻標識碼：A 文章編號：1009-5349（2018）12-0251-02

一、電氣工程背景下箱式變電站熱故障監測系統

（一）熱故障監測整體架構

箱式變電站是將一次設備和二次設備按照一定方案連接而成的配電設備，被廣泛用于配電網中。但是箱式變電站在運行過程中，經常會出現各種各樣的故障。據相關部門統計，當電氣設備運行異常時，首先表現為熱故障。[1]

為此，本文整體分為溫度監測部分和通信及人機交互部分。

溫度監測部分主要完成隔離開關、變壓器、電力電纜、母排等連接點處溫度的測量；通信及人機交互部分主要借助Modbus/IEC104協議完成監控裝置內部、監控裝置與監控中心之間的通信及參數的實時顯示和設置。裝置采用STM32F1+STM32F4的雙核結構，使其具有高效的傳輸能力和強大的數據處理能力。STM32F407作為主控CPU，主要完成溫度信號的采集并借助開入電路完成開入量監測、開出電路完成保護功能。STM32F103作為從CPU，主要完成監控裝置內部以及監控裝置與監控中心之間的通信。[2]

溫度測量部分，本文使用在一定范圍內呈線性變化的PT100完成溫度信號的采集。測溫模塊采用分布式測量結構，每6個測量節點采集的信息借助小范圍的無線傳感器網絡傳送至中心節點。中心測溫模塊借助RS485將信息傳送至主控CPU。考慮到數據的實時性要求，主控板與通信板之間采用傳輸速率相對較高的RS232方式。[3]

（二）主控部分電路設計

本文使用基于ARM Cortex-M4內核的STM32F407ZGT6作為主控芯片。該芯片內核帶有FPU（浮點運算單元）和DSP指令集，可進行浮點計算；最高工作頻率高達168MHz。

（1）時鐘電路。對主控CPU而言，HSE振蕩器時鐘、HSI振蕩器時鐘及PLL時鐘都可以驅動系統時鐘（SYSCLK）。本文的高速外部時鐘信號（HSE）借助25MHz的外部晶振產生，其負載電容為22pF；外部低速時鐘信號由32.768kHz的外部晶振產生。它主要為實時時鐘（RTC）和獨立看門狗（IWDG）提供時鐘源。

（2）開入電路。開入信號經限流電阻、光電耦合器后電信號被轉換為光信號。MCU通過OUT2端口的電平狀態讀取光電耦合器左側的開關量狀態。

（3）開出電路。微處理器發出信號使光電耦合器導通，繼電器通電吸合，合閘動作完成。分閘情況，與此類似。

（三）電源管理電路

為滿足各功能模塊的供電需求，本裝置采用直流24V、5V、3.3V三個電壓等級進行供電。其中直流24V、5V由輸出電壓為DC24V、DC5V的金升陽LH40-10D0524-06電源模塊轉換而來。為了保證電源的穩定性，輸入電壓進入金升陽電源模塊之前，電源信號首先進入由安規電容、壓敏電阻及共模電感組成的EMC電源電路。

（四）溫度測量模塊

本文將測溫模塊直接接觸物體，實現溫度信息的直接獲取。溫度在線監測終端選擇STM32F030、無線射頻芯片NRF24L01作為嵌入控制層的硬件平臺。

受安裝位置的要求，本文采用電池與互感取電相結合的方法進行供電，在母線、變壓器等空間較大的地方采用電池供電，在斷路器、電力電纜等狹小的地方，采用互感器取電。無線測溫模塊采用分布式測量結構，每6個測量節點將采集的數據通過小范圍的無線傳感器網絡傳送至中心節點NRF24L01，可采用地址和頻率的方式區分不同監測點，本文采用地址的方式進行區分。中心節點處STM32F030負責接收溫度和地址的發送，并通過RS485將信息傳送至主控CPU。

二、通訊協議

（一）Modbus簡介

本文采用基于RTU傳輸模式的RS485串口Modbus協議。該協議實現了一個主站和一個或多個從站之間的信息交互，同時提供了現場總線上設備之間的客戶端/服務器模型。

該協議規定所有的通信過程由主站發起，子站不主動上傳數據，且子站之間也不進行通信。雙方通信時，地址域內放置從機設備地址，有效范圍為1～247。0不能作為從機地址，因為所有從機都可以識別。通信原理也比較簡單，主機發起通信時將地址域放叢機的地址，叢機響應時地址域放自身地址。若從機正常響應，則從機上傳原功能代碼，但是若通信異常，需將功能碼置1發送。數據域指明寄存器開始的地址、讀取字節數和從機返回的寄存器數據。校驗碼是CRC循環冗余碼。

功能碼分為位操作和字操作兩類，本文使用位操作指令中功能碼為0x01的讀線圈狀態控制電磁閥、MOS管輸出；功能碼是0x02的輸入離散量DI讀取開關狀態。字操作指令中使用0x03、0x04分別用來設置閾值及電壓、電流、溫度等模擬量的讀取。

（二）Modbus實現

FreeModbus協議是一個針對嵌入式應用的免費通用Modbus協議，且其可以被用于商業中。因此本文使用FreeModbus完成Modbus協議的移植，進而避免自己制定協議擴展困難的問題。

本文采用RTU傳輸模式的RS485串口Modbus協議。該協議是一種客戶端和服務器模型，即所有的通信過程都由客戶端發起，通過串口中斷的方式完成數據的接收及發送，而服務器不能主動上傳。該協議不包含顯著的開始字符及結束字符，主要是借助幀與幀之間的時間間隔來區分傳送是否完成。因此，當客戶端完成串口、定時器初始化、RTU傳輸模式選擇，并借助eMBEnable（ ）函數實現串口、定時器和協議棧使能之后，整個Modbus協議就開始運作起來。之后，通過eMBPoll（ ）函數可查詢協議棧的狀態，進而處理相應的消息事件。

三、實驗分析

為了驗證本文的數據處理精度以及通信協議的合理移植，本文通過Modbus poll軟件模擬監控中心與監測終端之間的通訊。該軟件可以同時監視多個從設備/數據域，支持浮點、雙精度、長整型等多種格式。使用也比較簡單，只要設定從設備ID、功能、地址、大小和輪詢間隔，就可以實現與從機之間的通信。

經試驗證明，本文可以完成數據的正常通信。

四、結語

箱式變電站是近幾年興起的，鑒于其安裝方便、占地面積小及移動方便等優點，被廣泛用于配電網中。但是其電力設備在長期運行過程中會出現各種各樣的故障，其中過熱性故障占的比例最大。為此本文提出了溫度監測部分、通信及人機交互部分、數據處理等部分組成的在線監測方案。

本文首先分析了箱式變電站熱故障的研究背景和意義；緊接著介紹箱式變電站熱故障軟硬件設計；最后進行了可靠性和可行性的功能測試。

整體上本文的設計方案，基本實現了數據處理、數據通信的功能，但是由于時間和經驗不夠，設計上還有很多問題值得推敲、改進和優化。比如，IEC104及Modbus協議的學習是一個漫長的學習過程，目前自己僅僅停留在簡單應用和初步理解階段，后續還需要更深層次的學習。

參考文獻：

[1]黃新波.變電設備在線監測與故障診斷[M].北京：中國電力出版社，2010.

[2]馮利民，孫昕.箱式變電站智能綜合管理的原理與實現[J].電力系統及其自動化學報，2003，23（5）：83-86.

[3]LIANG Wei，WANG Nan，WANG Zhen.Research on Source Maintenance Key Technology of the Smart Substation[J].Journal of Power and Energy Engineerg，2014，2（4）：239-243.

[4]Vadiati M，Shariati M.R，Farzalizadeh S.Buses Architecture of Substation Automation System Based on Significance Level of Substation[J].Journal of Applied sciences，2010，10（20）：2464-2468.

[5]LI Hongwei，WANG Lixin.Research on Technologies in Smart Substation[J].energy Procedia， 2011，12（39）：113-119.

責任編輯：孫瑤