基于NB-IoT 技術(shù)的變壓器故障實時監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

路思雨，胡 嚴(yán)，張佳閣，劉睿卿，常傳藝，周靖雄

（臨沂大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院，山東 臨沂 276000）

0 引 言

變壓器作為電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一，承擔(dān)著將電力從一級電壓變換到另一級電壓的重要任務(wù)，變壓器的正常運行對于保障電網(wǎng)的可靠運行至關(guān)重要。因此，變壓器的故障監(jiān)測和預(yù)警是電力系統(tǒng)運行管理的重要組成部分。目前，國內(nèi)外已經(jīng)有許多學(xué)者和企業(yè)在變壓器故障監(jiān)測方面進(jìn)行了研究。傳統(tǒng)的變壓器監(jiān)測方法主要是通過人工巡視和檢修，存在工作量大、難以及時發(fā)現(xiàn)故障等問題。近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力系統(tǒng)監(jiān)測與管理中的應(yīng)用逐漸受到關(guān)注，越來越多的學(xué)者和企業(yè)開始采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)變壓器的實時監(jiān)測和故障預(yù)警。然而，該方法存在以下幾個問題：一是傳感器和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的不穩(wěn)定性，會影響到系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性；二是缺乏完善的故障預(yù)警機制和數(shù)據(jù)處理分析算法，無法對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的處理和分析；三是缺乏實際應(yīng)用的驗證，無法證明系統(tǒng)的實際效果。窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一種，具有低功耗、廣覆蓋、安全可靠等特點，在電力系統(tǒng)監(jiān)測中的應(yīng)用具有廣闊的前景。因此，文章基于NB-IoT 技術(shù)設(shè)計了一個變壓器故障實時監(jiān)測系統(tǒng)，通過傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)對變壓器的實時監(jiān)測與數(shù)據(jù)傳輸，通過云平臺處理和分析數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對變壓器故障的實時監(jiān)測和預(yù)警[1-3]。

1 系統(tǒng)框架

文章設(shè)計的變壓器故障實時監(jiān)測系統(tǒng)主要由傳感器、數(shù)據(jù)傳輸模塊、云平臺以及移動端應(yīng)用程序4個模塊組成，其框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框架

傳感器模塊主要負(fù)責(zé)采集變壓器的溫度、濕度、電流等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)傳輸模塊。數(shù)據(jù)傳輸模塊主要負(fù)責(zé)將傳感器采集的數(shù)據(jù)通過NB-IoT 技術(shù)傳輸至云平臺。云平臺主要負(fù)責(zé)接收、處理和分析數(shù)據(jù)，并通過移動端應(yīng)用程序向用戶展示數(shù)據(jù)和預(yù)警信息[4]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 傳感器模塊設(shè)計

傳感器模塊主要包括溫度傳感器、濕度傳感器以及電流傳感器3 個部分。溫度傳感器和濕度傳感器采用DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器，電流傳感器采用ACS712 電流傳感器，模塊電路如圖2 所示。

圖2 傳感器模塊電路

2.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)傳輸模塊主要包括NB-IoT 模塊和單片機模塊2 個部分。NB-IoT 模塊采用SIM7020C 模塊，單片機模塊采用STM32F103C8T6 單片機。

2.3 硬件實現(xiàn)

設(shè)計采用Arduino Uno 開發(fā)板來實現(xiàn)系統(tǒng)的硬件設(shè)計。傳感器模塊采用了DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器和ACS712 電流傳感器。通過傳感器模塊采集到的溫度、濕度和電流數(shù)據(jù)，可以對變壓器的運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測[5-7]。

NB-IoT 模塊采用了SIM7020C 模塊，該模塊支持NB-IoT 和基于LTE 演進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)（LTE enhanced MTO，eMTC）這2 種通信方式。通過NB-IoT 模塊，可以將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測和管理。單片機模塊采用了STM32F103C8T6 單片機，該單片機具有較強的處理能力和豐富的外設(shè)接口，可以很好地滿足系統(tǒng)設(shè)計的需求，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和傳輸控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 傳感器數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計

傳感器數(shù)據(jù)采集軟件主要由單片機程序和驅(qū)動程序2 個部分組成。單片機程序負(fù)責(zé)讀取傳感器數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳輸給NB-IoT 模塊，驅(qū)動程序負(fù)責(zé)控制傳感器和NB-IoT 模塊。傳感器數(shù)據(jù)采集軟件流程如圖3 所示。

圖3 傳感器數(shù)據(jù)采集軟件流程

3.2 數(shù)據(jù)傳輸軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)傳輸軟件主要由NB-IoT 模塊驅(qū)動程序和數(shù)據(jù)處理程序2 個部分組成。NB-IoT 模塊驅(qū)動程序負(fù)責(zé)控制NB-IoT 模塊和單片機的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)處理程序負(fù)責(zé)解析傳感器數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)上傳至云平臺。數(shù)據(jù)傳輸軟件流程如圖4 所示。

4 系統(tǒng)測試與驗證

為了驗證系統(tǒng)的可行性和有效性，對系統(tǒng)進(jìn)行了一系列的測試和驗證。在實驗過程中，通過運行模擬變壓器來演示實際中的變壓器工作情況及變壓器可能產(chǎn)生的故障情況，并通過此實驗數(shù)據(jù)來對系統(tǒng)的故障檢測和預(yù)警能力進(jìn)行測試。

4.1 溫度、濕度和電流測試

在測試過程中，通過使用模擬變壓器產(chǎn)生的電流變化來演示變壓器在實際工作過程中產(chǎn)生的電流變化。通過傳感器模塊采集溫度、濕度和電流數(shù)據(jù)，可以對變壓器的運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測。測試結(jié)果顯示，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地采集到變壓器的溫度、濕度和電流數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳至云平臺進(jìn)行分析和處理。在變壓器故障發(fā)生時，系統(tǒng)可以快速檢測到異常，并發(fā)出預(yù)警信號，及時通知相關(guān)人員進(jìn)行處理[8,9]。

4.2 故障檢測和預(yù)警測試

在測試過程中，需要對變壓器繞組斷線、接地、繞組短路等故障情況進(jìn)行模擬，測試系統(tǒng)對故障的檢測和預(yù)警效果。測試結(jié)果顯示，系統(tǒng)可以快速地檢測到異常，并發(fā)出預(yù)警信號。在故障發(fā)生后，系統(tǒng)可以及時通知相關(guān)人員進(jìn)行處理，有效避免了因故障導(dǎo)致的電力系統(tǒng)損失。

4.3 遠(yuǎn)程監(jiān)測和管理測試

在測試過程中，使用了中國移動通信集團(tuán)有限公司提供的NB-IoT 測試平臺進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測和管理。測試結(jié)果顯示，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地將采集到的數(shù)據(jù)上傳至云平臺，并能夠及時地響應(yīng)云平臺下發(fā)的指令，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測和管理。由此表明，本系統(tǒng)基于NB-IoT技術(shù)的變壓器故障實時監(jiān)測系統(tǒng)具有較高的準(zhǔn)確性、可靠性以及實用性，能夠有效提高電力系統(tǒng)的安全性和可靠性，部分測試代碼為

5 結(jié) 論

文章提出了一種基于NB-IoT 技術(shù)的變壓器故障實時監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過傳感器模塊采集溫度、濕度和電流數(shù)據(jù)，并通過NB-IoT 模塊將數(shù)據(jù)上傳至云平臺，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)測和管理。系統(tǒng)具有較高的準(zhǔn)確性。