軌道交通智能變壓器系統(tǒng)的設計

韋家正

（廣西交通職業(yè)技術(shù)學院 廣西壯族自治區(qū)南寧市 530023）

目前，軌道交通高速發(fā)展，作為軌道交通電力系統(tǒng)關鍵設備之一的變壓器的研究相對落后，傳統(tǒng)的變壓器已經(jīng)不適應智能軌道交通的需求[1]。本系統(tǒng)立項研究節(jié)能型智能變壓器及其管控系統(tǒng)[2]，設計制造一種基于STM32 的變壓器整機工作參數(shù)的集采及4G 云變送的裝置，提出以STM32F107 單片機為控制核心，CPLD 為多路變壓器油溫度、狀態(tài)參數(shù)的并行采集及風冷集控輸出，以太網(wǎng)Modbus TCP 協(xié)議為變壓器油氣分析儀檢測結(jié)果采集[3‐5]，RS485 通信總線為三相萬能電表和變壓器檔位控制器的測量數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控，同時搭載的TLE‐615 4G 模塊實現(xiàn)變壓器工作整機參數(shù)與阿里云平臺上的組態(tài)軟件進行數(shù)據(jù)交換。應用網(wǎng)絡技術(shù)，打造云平臺監(jiān)控系統(tǒng)，在實現(xiàn)遠程智能操作的同時，可以連接大量變壓器，形成變壓器運行的大數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)核心控制器結(jié)構(gòu)

1.1 主控制器機構(gòu)的設計

系統(tǒng)核心控制器結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，無線智能監(jiān)測控制終端設備設計變壓器運行的整機參數(shù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)，以Nios‐II 設計功能可裁減的32 位高性能處理器軟核IP 適應變壓器外接各種不同的數(shù)據(jù)采集終端外設通信，以磁藕隔離的RS485 設計通信總線，控制變壓器檔位控制器、油色譜分析儀以及多功能電表等多種不同通信協(xié)議標準的數(shù)據(jù)定時采集及實時控制命令的推送，設計多路高精度溫度采集，并以采集的溫度為依據(jù)開發(fā)可根據(jù)用戶設定的閥值實現(xiàn)變壓器風冷集控系統(tǒng)的風力分級輸出、溫度超高報警輸出以及故障急停信號輸出。

圖1：系統(tǒng)核心控制器結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)STM32F107VC 主控制器通過8 位控制總線和16 位數(shù)據(jù)總線與CPLD 并行數(shù)據(jù)采集模塊進行數(shù)據(jù)交換，獲取數(shù)據(jù)采集信息或輸出干接點的控制信號；通過其內(nèi)部集成的以太網(wǎng)高性能工業(yè)標準接口與油色譜在線分析系統(tǒng)通信獲取變壓器油氣的分析結(jié)果；通過RS485 總線控制變壓器升降檔控制器的工作及讀取三相萬能表的數(shù)據(jù)；通過I2C 總線存取系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)；通過RS232 與4G 無線模塊相連，偵聽、接收、響應來自阿里云服務器上的組態(tài)控制軟件的監(jiān)控信息，最終實現(xiàn)變壓器整機工作參數(shù)及油氣分析結(jié)果的云變送[6‐9]。系統(tǒng)中的CPLD 并行數(shù)據(jù)采集模塊作為變壓器整機工作各項參數(shù)的主要采集處理器，負責包括變壓器的油面溫度、繞組溫度、主體油位表狀態(tài)、有載開關油位表狀態(tài)、輕重瓦斯狀態(tài)及風機組的工作狀態(tài)等輸入信號的采集以及系統(tǒng)各項參數(shù)的聲光報警、風冷集控和壓力釋放閥等控制信號的輸出。

1.2 4G模塊的應用

4G 模塊可以實現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)高速下載，抗干擾性強，能夠針對無線服務的需求提供服務。此外，只要手機信號能夠覆蓋的地方，都可以部署4G，具有明顯的優(yōu)越性?；?G 模塊的無線網(wǎng)絡處理系統(tǒng)，將現(xiàn)場主控制器采集的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)?G 基站，通過4G 網(wǎng)絡以流量傳輸控制的方式下發(fā)至現(xiàn)場設備。通過遠程界面發(fā)布功能，使用便攜式設備做為監(jiān)控終端，無論身處何處，都可以實時監(jiān)控工業(yè)現(xiàn)場。

4G模塊與主控制器STM32單片機通過標準的RS232接口通信，支持AT 命令，設置工作方式和數(shù)據(jù)傳輸方式，選用HTTP 通信方式來實現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)。終端選用多線程的工作方式，接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換處理以后呈現(xiàn)給監(jiān)控人員，監(jiān)控人員操作后可將控制指令回傳服務器基站，傳輸?shù)浆F(xiàn)場，實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的監(jiān)測管理。當現(xiàn)場設備數(shù)據(jù)達到報警值時，產(chǎn)生報警信息，報警信息及時主動向用戶終端發(fā)送報警信息。

2 主控制器系統(tǒng)實現(xiàn)途徑分析

主控制器發(fā)指令給油氣分析設備詢問是否檢測結(jié)束，根據(jù)油氣分析儀的應答作出是否讀取油氣分析結(jié)果，之后讀取三相萬能表數(shù)據(jù)，讀取油溫、系統(tǒng)事件狀態(tài)的值。再根據(jù)讀取的檢測值，先后判斷油溫是否過高、功率輸出是否過大、系統(tǒng)是否有異常事件發(fā)生，并以此依據(jù)做出風機檔位、變壓器檔位的調(diào)節(jié)以及油氣分析儀的啟動。最后偵聽數(shù)據(jù)上傳指令，向阿里云數(shù)據(jù)庫上傳檢測的結(jié)果。系統(tǒng)控制流程如圖2所示。

圖2：控制流程示意圖

主控制器為變壓器無線智能監(jiān)測控制終端，采用檢測控制終端信號采集、信息傳送、控制等功能實現(xiàn)的技術(shù)方法，實時采集變壓器電壓、電流、油溫、繞組熱點溫度、油壓、油中氣體指標、鐵心接地電流、氣體繼電器狀態(tài)、壓力釋放閥狀態(tài)、油位計狀態(tài)等的信息，通過無線設備傳送給云平臺，接收云平臺控制指令，對變壓器實現(xiàn)遠程控制。解決智能監(jiān)測控制終端設備實時將壓力釋放閥等保護信號按優(yōu)先級發(fā)出信號及指令的技術(shù)問題。

3 智能變壓器云平臺監(jiān)控系統(tǒng)

智能變壓器云平臺監(jiān)控系統(tǒng)，用于變壓器設備數(shù)據(jù)顯示、監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析[10]。系統(tǒng)選用阿里云服務器，集成上位機軟件進行開發(fā)。將大量智能變壓器設備連接在一個遠程網(wǎng)絡中，實現(xiàn)實時故障識別、報警推送和狀態(tài)查詢，形成數(shù)據(jù)報表，發(fā)送控制指令，實現(xiàn)設備歷史數(shù)據(jù)查詢，方便設備售后維護信息管理。云平臺專門用于數(shù)據(jù)監(jiān)控與分析，利用云計算技術(shù)，實現(xiàn)多站點通信，大數(shù)據(jù)存儲和大數(shù)據(jù)分析挖掘。

平臺可以實時獲取變壓器的電壓、電流參數(shù)，統(tǒng)計傳輸容量、負載率、變壓器效率等?？蓪崟r監(jiān)測變壓器油面溫度、繞組溫度、評估繞組熱點溫度、過載能力、緊急過負荷時間等，根據(jù)變壓器油面溫度向冷卻系統(tǒng)發(fā)出操作指令并評估冷卻效率。實時從油氣監(jiān)測裝置中獲取油氣分析數(shù)據(jù)，并按IEC60599 或GB/T7252 推理診斷，給出變壓器故障類型評估結(jié)果。解決智能監(jiān)測控制終端設備實時從油氣監(jiān)測裝置中獲取油氣分析數(shù)據(jù)的技術(shù)問題。系統(tǒng)界面如圖3所示。

圖3：監(jiān)控系統(tǒng)界面

4 結(jié)語

隨著智能變壓器裝置的示范應用，開發(fā)出的變壓器支持標準通訊協(xié)議IEC61850 及TCP/IP，能夠與智能保護系統(tǒng)協(xié)同操作。平臺可以實時獲取變壓器的電壓、電流參數(shù)，統(tǒng)計傳輸容量、負載率、變壓器效率等。系統(tǒng)可實時監(jiān)測變壓器油面溫度、繞組溫度、評估繞組熱點溫度、過載能力、緊急過負荷時間等，根據(jù)變壓器油面溫度向冷卻系統(tǒng)發(fā)出操作指令并評估冷卻效率。實時將壓力釋放閥等保護信號按優(yōu)先級發(fā)出信號及指令。實時從油氣監(jiān)測裝置中獲取油氣分析數(shù)據(jù)，并按IEC60599 或GB/T7252 推理診斷，給出變壓器故障類型評估結(jié)果。

軌道交通智能變壓器系統(tǒng)的應用，既達到集中控制的效果，又提高了軌道交通供電智能化水平，符合中國制造2025 長遠目標需求。