基于TPC協議的自適應無線網絡箱式變壓器數據監測系統設計

韓團軍 尹繼武 張攀飛 鄭旭 盧超

摘 ?要： 針對傳統箱式變壓器環境監測系統線路復雜和實時性差等問題，提出一種基于TCP協議的自適應無線網絡箱式變壓器數據監測系統。該系統利用RS 485總線通過ModBus協議采集箱式變壓器內部多點溫度、濕度、油溫的環境參數和三相電壓電流、電能、功率因數、頻率等電力參數。MCU接收到數據后進行分析處理，將監測參數實時顯示在人機交互界面上，可以對突發情況進行預警及控制。同時這些數據通過可選擇的三種方式GPRS，WiFi或者以太網口發送至云端服務器，用戶可登錄服務器上位機，遠程監測箱式變壓器內部狀態。經過試驗測試，該系統可以正常監測箱式變壓器內部參數，極大地方便了工作人員的維護和檢修工作，提高了箱式變壓器的使用壽命。

關鍵詞： 箱式變壓器; 數據監測; 系統設計; 數據傳輸; 實時顯示; 遠程監測

中圖分類號： TN926?34; S275.6 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）12?0074?04

Abstract： As the traditional box?type transformer environmental monitoring system has complex circuit and poor real?time performance， an adaptive wireless network box?type transformer data monitoring system based on TCP protocol is proposed. The system uses the 485 bus to collect the environmental parameters of the multi?point temperature， humidity and oil temperature and the three?phase voltage， current， electric energy， power factor， frequency and other power parameters of the box?type transformer by means of the MODBUS protocol. After receiving the data， MCU can analyze and process it， display the monitoring parameters on the human?computer interface in real time， and can give early warning and control to emergencies. The data is sent to the cloud server by means of three selectable modes of GPRS， WIFI or Ethernet port. Users can log in to the server of the upper computer and remote monitor the internal state of the box?type transformer. The testing experiment results show that the system can normally monitor the internal parameters of the box?type transformer， which greatly facilitates the maintenance and overhaul of the staff and improves the service life of the box?type transformer.

Keywords： box?type transformer; data monitoring; system design; data transmission; real?time display; remote monitoring

0 ?引 ?言

隨著我國工業水平的發展和用電設施的建設，由于箱式變壓器可以縮短供電距離和增強總斷電壓的穩定性等特點，所以在電網改造中作用十分重要。傳統的箱式變壓器是一種將不同的電器設施用連接線的方式進行連接組合的電器設備，其缺點是變壓器較為分散、維護成本高、不能實時對其環境和參數進行監測，導致不能及時發現問題而產生重大安全事故[1?5]。本文提出一種智能箱式變壓器實時無線監控系統，該系統是將現有的物聯網技術、傳感器技術、控制技術應用于電氣設備中，系統利用RS 485總線通過ModBus協議采集箱式變壓器內部環境參數和電力參數。MCU對采集的數據進行分析處理，將監測參數實時顯示在人機交互界面上，可以對突發情況進行預警及控制。同時這些數據通過可選擇的三種方式GPRS，WiFi或者以太網口發送至云端服務器，用戶可登錄服務器上位機，遠程監測箱式變壓器內部參數狀態。該系統極大地節約了人工勞動成本，提高了變壓器的使用壽命。整個系統有一定的工業應用價值[6]。

1 ?系統的硬件設計

整個系統主要由四部分組成，包括終端傳感器數據檢測部分，ModBus數據采集部分，主控MCU控制及數據以GPRS、WiFi、以太網口發送部分和遠程上位機監測控制部分。

其中各終端檢測傳感器均掛接在RS 485總線上，主控STM32F103ZET6單片機通過ModBus協議依次循環讀取各傳感器數值，并顯示在TFTLCD觸摸屏上。同時，主控將這些數據按既定的傳輸協議封包通過系統開機時選擇的方式將數據上傳至服務器，服務器上位機開啟監聽并收到數據包后，對數據包進行解壓、保存和顯示，當檢測到數據超出閾值范圍時，可通過開關按鈕遠程切斷箱式變壓器電源。整個系統的設計框圖如圖1所示。

1.1 ?系統電源電路

該硬件設計采用兩種電源3.3 V和5 V為整個系統供電。5 V電源采用MP2359芯片，該芯片是基于COMS工藝開關內置DC/DC轉換器。內置上端開關的導通電阻為35 Ω，可提供最大電流為1.2 A，最終可將12 V的電源電壓轉為5 V，電路設計如圖2所示。3.3 V電源采用穩壓芯片AMS1117?3.3來設計，將5 V電壓轉換為3.3 V。電路如圖3所示。

1.2 ?傳感器電路設計

系統采用的傳感器有溫濕度傳感器、液溫傳感器、電力參數多功能變送器。溫濕度傳感器使用的是Sensirion公司的SHT21，該傳感器嵌入了適于回流焊的雙列扁平無引腳DFN封裝，其輸出為標準的I2C格式的數字量。SHT21配有4C代CMOSens芯片，配有電容式相對濕度傳感器和能隙溫度傳感器，還包含一個放大器、A/D轉換器、OPT內存單元和數字處理單元。整個電路分為兩部分：一是傳感器前置放大電路;一是單片機A/D轉換和顯示控制軟件非線性校正等部分[7?8]。溫濕度傳感器設計電路如圖4所示。

1.3 ?傳輸模塊電路

網絡傳輸模塊分為GPRS無線數據傳輸模塊、WiFi傳輸模塊、以太網口傳輸模塊和RS 485總線傳輸模塊。設計中GPRS傳輸采用的是SIM800C模塊的TTL電平串口通信連接方式將數據包發送至服務器。該模塊是一個完整的四頻段GSM/GPRS模塊，接口豐富，功能完善，工作穩定，抗干擾強，外圍電路集成度高，尺寸小巧。其使用TCP/IP協議和主控制器之間相互通信，通過有流量的SIM卡與云平臺之間對接。SIM800C模塊電路圖如圖5所示。

設計中WiFi傳輸采用的是ESP8266模塊的TTL電平串口通信連接方式將數據包發送至服務器。該模塊使用了3.3 V的直流電源，體積小，功耗低，支持透傳，丟包現象不嚴重并且可將芯片設置為透傳模式，這樣ESP8266就相當于在互聯網和UART之間架起了一座橋梁。其電路圖如圖6所示。

設計以太網口傳輸采用的是16位DM9000芯片采用LWIP協議傳輸數據。該芯片是一款完全集成和符合成本效益單芯片快速以太網MAC控制器與一般處理接口，一個10/100 M自適應PHY和4 KD WORD值的SARM，支持4個通用輸入輸出口，超低功耗模式和電源故障模式，支持3.3 V和5 V供電[9?11]。

2 ?系統軟件設計

軟件系統可分為終端檢測節點軟件設計、網絡數據傳輸軟件設計和上位機軟件設計。

2.1 ?終端檢測節點軟件設計

終端檢測節點程序包括ModBus協議和各個模塊的初始化程序，主控初始化完成后首先向RS 485總線上地址一發送讀取數據包，溫度傳感器模塊向主控返回溫濕度數據包，接著主控向地址二發送讀取數據包，油溫傳感器返回油溫數據包，最后主控向地址三發送多路讀取數據包，多功能變送器返回三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率、視在功率、電網頻率等數據包。主控接收到數據包后依次解析有效數據。分析處理并顯示，同時判斷如果參數閾值超標，進行聲光報警并且上傳警報信息。程序流程圖如圖7所示。

2.2 ?網絡數據傳輸軟件設計

系統上電后首先選擇進入默認模式還是配置模式，如果選擇默認模式系統將按照歷史設置進行系統初始化;如果選擇配置模式則在三種網絡上傳方式中選擇一種用來上傳網絡數據包，接著設置數據包發送周期，選擇目標服務器IP地址及端口號。配置完成后初始化一個鏈表用來封裝網絡數據包，鏈表表頭存放校驗頭，中間依次存放溫濕度數據、油溫數據、變送器數據，最后存放校驗位。數據包打包完成后通過WiFi/GPRS/以太網口上傳至服務器。流程圖如圖8所示。

2.3 ?上位機軟件設計

服務器上位機采用C#語言編寫，通過TCP協議長連接方式監聽端口約定來接收終端上傳回來的數據，整個模塊分為四個部分，分別為IP端口設置部分、數據接收及其處理部分、數據曲線圖顯示部分、參數異常控制開關部分。上位機界面圖如圖9所示。

3 ?系統測試與分析

通過硬件及其軟件設計，最終實現了一套箱式變壓器數據無線監測系統。為了驗證系統的可行性和穩定性。首先將各個傳感器安裝在箱式變壓器內部，將終端主控安裝在箱壁上，通過RS 485總線連接各個傳感器，給終端系統上電，設置目標IP、端口號、發送間隔和終端ID。同時服務器上位機開啟監聽模式。此時可以看到服務器上位機收到終端發回的數據。經過測試，服務器端和終端檢測的數據完全一致。實際測試終端如圖10所示。

在系統安裝完成后，通過對整套系統的溫濕度參數數據采集和發送進行測試，每隔10 min記錄一次服務器端數據，如表1所示。經過表1測試可以看出，服務器數據和實際測量數據基本一致，符合數據監測系統的要求。

4 ?結 ?語

本文設計一種箱式變壓器無線數據監測系統，完成硬件及其軟件系統設計。通過ModBus采集傳感器數據、終端數控分析處理顯示及其上傳至阿里云服務器上位機，進行顯示控制。通過實驗測試和數據對比分析，證明該系統運行可靠，達到了工業設計應用標準，有一定的工業應用價值。

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