箱式變壓器溫濕度、水位檢測預警技術研究與運用

周帥，于虹，羅佼，周麗花

（1.云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650011；2.云南電網有限責任公司文山供電局，云南 文山 663000）

0 前言

隨著現代經濟的迅速發展和城市建設規模的擴大，逐漸代替了傳統的集中降壓、長距離配電、蜘蛛網這樣的架空電力網箱型變壓器。整個外殼沒有裸露帶電部分，人們對環境保護的意識越來越強，箱式變壓器的出現符合現代生活的需要，可以確保安全[1]。應用范圍非常廣泛， 由于其結構緊湊、運行比較靈活、安全、安裝簡單、維護方便、環保等優點，如高層樓盤、高速公路、地鐵、機場、小區、地下設施等。

箱式變壓器的結構主要由高壓開關系統、護套母線、變電站綜合自動化系統、直流電源及一次設備等電氣單元有序組合而成，相當于一個小型的變電站。雖然是一種能提供多種環境下的供電應用的設備，使用便捷，但是高壓設備以及多種環境因素會產生很多不穩定的故障情況，設備一旦出了故障，難免會出現環境因素導致的停電、起火、漏電等危害人民生命財產安全的因素。

為了保證箱式變壓器能長期穩定安全的工作下去，需要知道箱式變壓器內部的工作環境情況、以及外部的環境情況[2]。分析是否可能會出現環境影響的故障情況，達到實時預警的目的。針對以上問題，本文提出了一種箱式變壓器溫濕度、水位檢測預警系統，監測箱式變壓器內外工作環境情況。

1 硬件部分設計

1.1 溫濕度模組

溫濕度模組實時監控箱式變壓器內部的溫度、濕度，獲取溫濕度數據，通訊管理模組與溫濕度模組通訊數據交互獲取到實時的溫濕度數據[3]。溫濕度模組管理電路如圖1 所示。

圖1 溫濕度模組管理電路

工作原理：

利用探頭作為測溫元件，將溫度和濕度信號采集出來，經過穩壓濾波、運算放大、非線性校正、V/I 轉換、恒流及反向保護等電路處理后[4]，轉換成與溫度和濕度成線性關系的電流信號或電壓信號輸出。

特點：

1）測量精度高、長期穩定性好、低飄逸；

2）適用性強、防水防塵、溫濕度測量寬度大；

3）信號傳輸快、實時傳輸；

4）安裝方便、設備一體化。

1.2 液位檢測模組

液位檢測模組實時監控箱體內外的水位變化情況，通訊管理模組與液位檢測模組通訊數據交互獲取到實時的水位數據[5]。液位模組管理電路如圖2 所示。

圖2 液位模組管理電路

工作原理：

傳感器迎液面受到的壓力公式[6]為：

式中，P：傳感器迎液面所受壓強（為方便理解，以下統稱壓力）；ρ：被測液體密度（調試時默認按照1g/cm3）；g：重力加速度（調試時默認按照9.8m/s2）P0：液面上大氣壓；h：傳感器投入液體的深度。

當傳感器投入到被測液體中某一深度時，被測介質的壓力引入到傳感器的正壓腔，通過線纜導氣管將液面上的大氣壓P0與傳感器的負壓腔相連，以抵消傳感器正面的P0，使傳感器測得壓力為ρgh，顯然,通過測取壓力P，可以得出液位深度。

特點：

1）通訊距離遠、抗干擾強、防雷擊；

2）高量程、高精度；

3）防堵塞、防結垢；

4）穩定性好、相應速度快。

1.3 通訊管理模組

通訊管理模組是預警系統中嵌入式MCU 管理主控部分，所有的信號發起都是從通訊管理模組開始的，實時的去與溫濕度模組、液位檢測模組通訊，獲取和監控各個模組的狀態和實時數據。數據匯集發送到后臺服務器，與后臺服務器進行數據交互。通訊模組電路如圖3 所示，MCU 主控電路如圖4 所示。

圖3 通訊模組電路

圖4 MCU主控電路

工作流程：

MCU 和液位檢測模組、溫濕度模組、485接口、遠程通訊4g 模組分別通訊。

1）MCU 與溫濕度模組通訊獲取溫度數據、解析溫度數據；

2）MCU 與溫濕度模組通訊獲取濕度數據、解析濕度數據；

3）MCU 與箱內液位檢測模組通訊獲取箱內液位數據、解析液位數據；

4）MCU 與箱內液位檢測模組通訊獲取箱外液位數據、解析液位數據；

5）MCU 與485 拓展接口通訊，匯集發送各個模組的數據和狀態；

6）MCU 與4g 模組通訊，匯集發送各個模組的數據和狀態到后臺。

后臺接收到各個模組的數據后，判斷水箱狀態。設水箱狀態值S∈[G Y R]，其中G=0 正常、Y=3 輕度預警、R=5 報警，S值由Sout判斷：

式中，w：濕度；uout：箱外水位；vout：箱外水位變化速度；uin：箱內水位；vin：箱內水位變化速度；A：箱內水位報警閾值；lon,lat,hig：水箱經緯高；Si：其他水箱狀態（第i個水箱的狀態）；loni,lati,higi：其他水箱經緯高；N：其他水箱個數；ax表示參數x的權重。

1.4 電源管理模組

電源部分提供電池和220 V 交流電源供電方式，用戶可選擇220 V 交流電源供電或者電池供電。電池供電方式，經過穩壓、變壓處理[7]，給各個模組和設備MCU 提供穩定的工作電源，保證各個模組正常工作。接上交流電源后，電源管理自動選擇使用交流電源供電，220 V 交流電經過變壓和穩壓處理，提供一個穩定的直流工作電壓到設備模組，沒有接上交流電源時，自動選擇電池供電[8]。交流電源還能為電池提供充電，保證斷掉后，電池還有足夠的供電能力。電壓轉換電路如圖5 所示，電池充放電電路如圖6 所示。

圖5 電壓轉換電路

圖6 電池充放電電路

特點：

1）供電電源穩定；

2）電池工作時間長；

3）可充電；

4）可電源直接供電。

1.5 485拓展通訊接口

預留485 接口用于和通訊管理模組匯集的數據信息通訊[9]，其他拓展設備可以通過數據解析出各個模組的狀態和數據，也能實現實時監測箱式變壓器狀態的效果[10]，便于設備拓展。485 拓展接口電路如圖7 所示。

圖7 485拓展接口電路

1.6 硬件結構組成以及示意圖

整個系統由1 個預警集成設備、2 個液位檢測模組、天線延長線組成。內部結構示意圖如圖8 所示。

圖8 內部結構示意圖

整體安裝結構示意圖如圖9 所示。

圖9 整體安裝結構示意圖

2 軟件部分設計

2.1 嵌入式軟件部分

單片機控制各個模組的數據通訊和工作狀態。單片機編程控制流程如圖10 所示。

圖10 單片機編程控制流程

2.2 Web端應用

提供后臺web 端應用，在線遠程監控多臺設備狀態和數據情況，分析計算是否存在需要預警狀態的設備，提前進行相應的預警處理。

獲取設備上傳的服務器的數據，解析數據，實時顯示到web 端，儲存各個時間端的數據、分析對比每次數據的變化、以及變化趨勢、通過指定的算法、算出是否存在溫度過高、濕度過高、箱式變壓器進水等風險預警[11]。

這樣的一套預警系統、保證了箱式變壓器更加安全的工作、大大降低了箱式變壓器一部分環境因素影響帶來的風險故障發生概率[12]，提供一個安全、智能的工作環境。測試數據以及界面展示如圖11 所示。

圖11 整體安裝結構示意圖

3 結束語

箱式變壓器預警設備，可以做到檢測箱式變壓器內外的液位高度，箱內溫濕度數據，通過遠程傳輸到后臺服務器，web 端獲取服務器上的數據。實時監控和分析各臺設備是否存在異常風險，設備的溫濕度、水位數據信息，實現遠程監控多個箱式變壓器的數據信息，以及箱內外是否存在發生故障的風險，做到提前預警故障，減少安全事故的發生。