一種配電變壓器非電量監測裝置

沈劍韜，劉 偉，劉 毅

（上海置信電氣有限公司，上海 200050）

配電變壓器作為配電系統的核心設備，其安全平穩運行直接影響配電網運行的可靠性。對其工作狀態進行監測，進而及時發現故障，并且對可能發生的故障進行預警，這對于延長變壓器使用壽命、提高電網運行可靠性和經濟性有著重要意義[1-2]。而配電變壓器各類非電量可以有效反映其運行工況和健康狀態，本文針對配電變壓器的結構特點設計了深度集成微功耗傳感器的非電量監測裝置，實現了對配電變壓器油溫、油位、油壓、樁頭溫度和局放等非電量的實時監測。并且在實際應用時，各類非電量監測功能可以根據不同需求靈活組合。

1 總體設計方案

非電量監測裝置的設計方案包括結構設計、硬件電路設計及軟件設計。裝置在原有管狀油位計的基礎上進行了一體化結構設計，集成了油位、壓力、油溫和局放等非電量測量功能。裝置的整體結構基本保持原有的管狀油位計結構，溫度傳感器PT100 鉑電阻從金屬連桿和浮子中穿過，壓力、油位、局放和樁頭溫度等傳感器集成于PCB 板上安裝于裝置的最頂部，壓力釋放閥安裝于側面，裝置頂部的太陽能電池板可作為備用供電電源，裝置的結構設計圖如圖1 所示。

圖1 非電量監測裝置結構設計圖

裝置的硬件設計主要包括MCU 最小系統、電源、傳感器信號的處理和串口通信等，設計框圖如圖2 所示。其中MCU 選用兆易創新GD32F330 系列芯片，相比于同類型國外芯片，國產芯MCU 具有成本低、技術自主可控等優勢。該MCU 基于ARM 架構的Cortex-M4內核，最高主頻可到84 MHz，存儲方面集成了64 KB嵌入式FLASH 與8 KB 的RAM，具備各類通用總線以及豐富的模擬、數字外設。

圖2 非電量監測裝置硬件設計框圖

2 非電量傳感器的應用

裝置監測的非電量類型包括油溫、油位、壓力、環境溫度、樁頭溫度和局放等，在本裝置設計時設定油溫、油位、壓力為必選項，其他為選配項，可根據實際需要靈活組合。油位傳感器選用某型號紅外傳感器，測距范圍2～15 cm，分辨率1 mm，利用紅外線反射原理將傳感器和被測物體間的距離轉換為模擬電壓輸出。傳感器將測量的擋板移動距離等效為油位變化的距離，傳感器輸出的電壓信號需進行調理后再輸入到MCU 的ADC 通道（圖3）。

溫度傳感器選用常用的PT100 鉑電阻[3-4]，溫度傳感器信號接入TPS02R 測溫模塊，該測溫模塊可用于配合溫度傳感器PT100 進行溫度測試，可同時進行2 通道溫度檢測（兼容油溫和環境溫度），模塊通過IIC通信接口與MCU 通信。測溫范圍-200～850 ℃，測溫分辨率0.01 ℃（圖4）。

圖4 油溫測量模塊應用電路原理圖

壓力傳感器選用某型號壓力測量芯片，內有封裝的壓力傳感器與信號調理芯片，對傳感器的偏移、靈敏度、溫漂和非線性進行數字補償。并且調理芯片內置溫度傳感器，可以輸出高精度的壓力值和溫度值。壓力測量范圍0～200 kPa，測量精度±4 kPa，傳感器也通過IIC通信接口與MCU 通信。樁頭（電纜接頭）溫度測量采用無線測溫傳感器[5-6]，傳感器為捆綁式結構，使用時安裝于電纜接頭位置，配套接收模塊集成與裝置內部的PCB 板中。測溫傳感器與接收模塊之間利用無線通信方式連接，通信頻率433 MHz，傳輸距離約200 m，溫度數據最終通過裝置MCU 利用串口通信方式讀取。

3 軟件設計原理

系統軟件的設計流程主要包括系統初始化、傳感器參數設置、數據采集及濾波處理、數據校驗和上傳等。初始化包括括系統時鐘初始化、I/O 口初始化、IIC初始化、A/D 轉換初始化和相關傳感器設置的初始化，在初始化成功后需設置當前傳感器的使用參數。傳感器在采集數據的過程中會先與設置的條件參數進行比對，對不符合要求的數據則重新采集，同時為了濾除相關的干擾信號，在程序中加入數字信號濾波算法，再對采集到的數據進行校驗分析，根據當前的通信狀態按協議傳輸數據。最后，對各個非電量測量值設置相應的閾值，用于可能出現異常情況的預警，后續在搜集大量現場運行數據的基礎上可建議評估模型對變壓器的工作狀態進行評估[7]，軟件設計流程圖如圖5 所示。

圖5 非電量監測裝置軟件設計流程圖

油位傳感器直接輸入模擬電壓信號，通過MCU 的I/O 口進行AD 轉換，在程序設計中加入濾波算法，確保讀取油位數據的穩定性。油溫及壓力數據均IIC 方式與MCU 通信，在程序設計時首先配置MCU 的IIC 讀寫功能函數，然后在傳感器配置參數時正確調用即可。由于2 個傳感器共用一組IIC 通信，因此還需在程序中配置相應的延時。樁頭測溫傳感器通過UART 接口與MCU 進行數據通信，最后配置Modbus 通信協議將各類監測數據上傳至臺區融合終端。實際應用時用Modbus Poll 讀取數據如圖6 所示。

圖6 實際應用時非電量監測數據的讀取

各非電量監測數據從上到下依次為油溫、油位、壓力、裝置內部溫度、環境溫度、樁頭溫度，其中環境溫度傳感器暫時未安裝，樁頭溫度因傳感器本身的采樣間隔未能在同一時刻顯示數值。另外，對于油溫、油位、樁頭溫度都設定相應的閾值，在超出閾值的情況下裝置可以發出告警信息。

4 非電量監測數據的傳輸

基于變壓器非電量在線監測技術，利用相關的通信技術對監測數據進行遠傳，確保通信方式的可靠和便利性。在配電臺區不具備融合終端的條件下，監測裝置通過4G 通信模塊與后臺主站通信。用4G 通信模塊和變壓器測溫裝置通過RS-485 進行數據通訊，將變壓器的非電量數據傳送至通信模塊，再由通信模塊通過透傳上送至云端進行數據的存儲及展示，其原理框圖如圖7 所示。

圖7 4G 通信方式傳輸原理框圖

監測裝置通過RS-485 連接通信模塊，利用4G 通信模塊的專用配置軟件，按照產品說明書或技術手冊將模塊配置為可聯網透傳的狀態。打開瀏覽器進入4G模塊云控制臺，在圖8 所示網頁界面，通過“添加設備”將需要聯網透傳的4G 通信模塊配置完成后進入“編輯設備”。

圖8 添加聯網設備

進入“編輯設備”界面填寫設備的基本信息，配置好設備間的數據傳輸協議和4G 模塊的透傳方式。修改保存好設備信息和配置后，返回圖9 界面，進入“數據查看”，即可在此界面獲取到所需的非電量數據。

圖9 非電量監測數據查看

在配電臺區具備融合終端的條件下，監測裝置通過RS-485 方式與融合終端通信。配電臺區作為電力系統的基礎單元，對未來電網的數字化和智能化建設具有重要意義。未來的配電臺區將以配電變壓器為主體，以智能終端為核心，融合各類一二次設備。具有電能分配、電能計量、用電安全、電能質量治理、信息采集、統計分析、狀態監測、安全防護、配網相關信息系統數據接入、用戶互動、電氣結構感知以及設備自動管理等諸多功能，成為新型電力系統中的重要一環，配電臺區的總體架構如圖10 所示。

圖10 配電臺區架構示意圖

而非電量監測裝置未來會在配電臺區中體現其重要意義，根據裝置測量的油溫、油位、壓力及臺區終端測量的電壓、電流、功率等數據，可以進一步建立相關評估模型[8]，然后將所有的數據匯集到融合終端進行計算。例如，根據相關文獻分析，變壓器油溫、環境溫度、負荷情況存在明顯的相關性，則可以進一步建立評價模型對以上指標進行實時監測，對異常情況進行預判。另外，根據監測裝置測得的油溫、油位、壓力數據可以對變壓器運行時的健康狀態做出評估[9]。

非電量監測裝置本身預留的多種傳感器接口可以作為未來的功能拓展，例如可以增加微水傳感器、環境溫濕度傳感器等，則相應的狀態評估模型也會得到拓展。微水、油溫、環境溫濕度可以用于評估變壓器油的絕緣性能，還可以根據變壓器油溫、環境溫度、負荷情況評估變壓器的老化速率。因此，未來非電量監測裝置的功能會有更大的拓展和提升，在推進配電臺區的數字化和智能化方面有著重要意義。

5 結論

從未來電力系統的發展看，對變壓器等一次設備的狀態監測及狀態評估是未來的重要趨勢。配電變壓器非電量監測裝置可以實時監測配電變壓器的運行工況并進行數據傳輸，并且可以對異常情況進行預警。監測裝置后續會進一步完善相關的評估模型，更好地評估配電變壓器的工作狀態以及確保配電變壓器運行的安全性和穩定性，最終有力地推動配電網系統的數字化和智能化建設進程。