预装式变电站主设备智能化监测终端设计与实现

作者/陈华山、刘宪成，河海大学常州校区信息中心

预装式变电站主设备智能化监测终端设计与实现

作者/陈华山、刘宪成，河海大学常州校区信息中心

预装式变电站主设备智能化监测终端采用模块化设计，主要涵盖了主电量数据采样模块、CPU 模块、环境参数采样模块、高低压开关驱动模块以及风机驱动模块。设计与实现各模块硬件电路的同时，对各模块中核心元器件进行了详细的选型阐述。

预装式变电站；智能化监测；物联网技术；变压器

近年来，我国国民经济的高速发展，带动了经济发展基础产业电力行业的迅速崛起。国家电网公司顺应发展需求，提出“建设坚强智能电网”的建设目标，旨在建立“三集五大”的全国大电网体系构架，以此来实现电力供应的高效与可靠。在这样一张“电力大网”中，枢纽变电站的核心设备—电力变压器当仁不让的成为了关键之一，直接影响着电网供电的安全和可靠。虽然现代电力变压器配备有数量众多、功能已较为全面的继电保护装置和运行控制设备，但随着其在电网中运行时间的不断增加，变压器部件故障进而导致局部事故并不能完全避免。一旦发生故障或事故，即便有提前的相关预案应急，也不能保证供电中断完全不影响居民的正常生活与企业的正常生产。因此，针对变压器运行的特殊性与复杂性，如何多方位、多角度、有效监测变压器，分析判断是否处于异常状态、是否存在潜在故障，以此为依据制定相应的设备寿命管理方案与设备检修策略，提高电力变压器运行可靠性，以确保电网安全运行，一直都是国内外电力行业探索解决的重要课题之一，有着重要的现实意义。

1. 预装式变电站系统组成及原理

预装式变电站是一种户外成套变电站的新型变电设备，采用标准化和模块化集成设计技术，整个设备包括五大模块如图1所示。

图1 预装式变电站系统组成模块

将上述五大模块在工厂内预制，舱式组合，模块化运送，现场土建完成后一次性吊装，整体联调，即可快速建成变电站，对现有预装式变电站监测系统升级，拓展物联网监控功能。

智能预装式变电站能实现在运行智能系统的基础上，通过通信网络方式与其他设备进行实时交互的功能。内部集成各种无线传感器和执行单元，实现智能化监测，从而保证设备的稳定和安全运行。将预装式变电站各设备的运行参数和结构信息输入到智能执行单元中，工作时各无线传感器实时采集信息，进行运行状态的分析和评估，同时根据与其他设备通信接收到的指令，不断的调整运行状态。

变压器是预装式变电站的核心组成部分。变压器的智能化程度对电力系统有着深远的影响。智能变压器的组成部分包括变压器、监测运行状态的传感器单元、执行器、标准化通信网络、智能组件和智能辅助设施。其中，智能组件包括变压器智能化单元TIED，计量单元，监测单元，保护单元，控制单元，通讯单元和电源管理系统。智能化预装式变电站在模块集成组合、综合体设计技术与导向散热技术、智能化程度等方面具有独特性和创新性，与传统产品比较，有着较强的竞争力和实用性。

2. 预装式变电站主设备监测终端设计与实现

预装式变电站主设备智能化监测终端由主电量数据采样模块、CPU模块、电力设备开关驱动模块，环境数据采集模块、RS—485接口等组成。在预装式变电站主设备智能化监测系统中，本文所设计的主电量数据采样硬件采集的是变压器部分输出的三相电流和三相电压，转化为小电压信号给微处理器的A/D转换模块；电力设备开关驱动模块则采用光电隔离法，当出现异常情况时，驱动电力设备各组件，本文中驱动电路有风机驱动电路、高压开关和低压开关驱动电路；环境监测终端中，温湿度传感器分别采集预装式变电站环境温度和湿度，并转化为数字量传输给微处理器，微处理器对传输来的数据进行进一步处理后传送至Zigbee终端节点。终端节点通过有线等形式与协调器节点进行连接与通信。协调器通过485—RS通信方式与无线通信模块进行连接，实现数据的接收/发送功能，无线传送到系统应用软件端。

2.1 主电量数据采集模块硬件设计

主电量数据采样硬件设计中选用高性能、测量多相位电能计量芯片IDT90E36，各方面参数与性能均能符合本系统设计要求。该模块核心作用是采集预装式变电站变压器的三相电量参数。主电量数据采集模块包括了电量信号采集电路、信号数据处理、接口电路等部分。通过将高压电能信号转化为弱电压信号后，经过电量芯片IDT90E36的采样与信息数据处理，从而得到一系列电量参数，包括三相电流有效值、三相电压有效值、对应的视在功率等。以IDT90E36为处理芯片的主电量采集模块通过SPI接口与CPU模块进行数据通信。

图2

2.2 电压、电流采样硬件电路

电压通道有效值测量范围为5mV～720mV,而预装式变电站实际运行时的电压信号不能直接进行测量，需要进行降压处理。在所设计的电路中接入110K/1W功率的电阻，实现将220V交流信号转换为系统所需的2mA交流信号。所采用的互感器规格为2mA/2mA，其作用是将高压与低压进行隔离。信号数据经过滤波处理后进入IDT90E36电压输入通道，得出所采样电压信号的有效值。实际预装式变电站变压器各相电压有效值计算方式为：样本电压信号有效值×电压互感器电压变比。电流采样硬件电路中，采用TA1005系列母线内置式交流电流互感器，额定输入/输出电流为5A，工作频率范围为20 Hz —20 kHz，常态时绝缘电阻大于1000M，可承受工频2000V 50 Hz /1 Min抗电强度，工作温度为—55℃～85℃。

2.3 CPU模块硬件设计

硬件电路微处理器采用的是三星公司的S3C2440A芯片。基于ARM920T内核研发，工作频率最高为400MHz，其各方面性能均能满足本系统设计需求。CPU模块分为存储电路、LCD 接口电路和JTAG接口电路等部分，为核心组成部分。另外还包括了通信接口（串口Uart 、SPI 、USB）和网卡接口等外围电路。PIO扩展接口用于高低压开关控制与风机控制，存储电路包括SDRAM以及Flash存储器，网卡接口电路功能在于实现网络应用。

2.4 环境温湿度、烟雾采样模块

环境温湿度采样模块使用AM2306型传感器作为采样终端。AM2306型传感器内集成温度、湿度传感与数字采集技术，在实际应用中有着极高的精确性。其电路中含电容式感湿器件和各个高精度集成测温器件，连接至单片机系统，集成标准单总线接口，可以应用于不同环境中。环境烟雾采样模块使用WT—828—2PL联网型传感器。WT—828—2PL传感器为光电型感烟探测器，其采用烟雾中颗粒折射红外光原理从而探测烟雾。此烟雾传感器内部含红外发射模块和接收模块，通过设置光学迷宫，在不影响烟雾进入传感器的条件下，过滤外界干扰光源。当有烟雾进入时，由于散射作用使得接收部分接收光信号得到增强，烟雾浓度达到限值时，此烟雾传感器输出报警信号。

2.5 驱动控制电路硬件设计

驱动电路是检测装置的重要组成部分。风机的启停对预装式变电站的正常运行有着深远的影响。当异常情况发生时能及时动作，能够有效保护电力设备。环境温度采集模块将数据信息传送到CPU模块，CPU模块获取到数据信息后经过处理电路获取到当前环境温度值，将当前环境温度数据信息与预先输入温度阈值进行比较，判断当前运行环境是否存在超温的情况。本系统设计了报警装置，将蜂鸣器接口直接与S3C2440A芯片连接。当发生超温或者通信故障时，CPU模块发送信号可控制蜂鸣器工作。JOUT1和JOUT2接S3C2440A输出端。采用TLP521型光耦隔离，可以有效防止继电器误动作，P7处端子外接风机。本系统中的风机开启方式分为手动和自动两种方式，且同一时刻只能处于一种模式下。所设计的风机自动模式下，当监测到的温度高于风机开启温度时，CPU模块给JOUT1高电平从而使电路导通，继电器闭合，风机开启进行环境降温;温度降低至风机关闭温度时，CPU模块给JOUT1端口低电平从而使得电路不导通风机停止工作。本系统所设计的风机启动手动模式，是使CPU模块给JOUT1高低电平来控制风机的工作与停止。

高低压开关驱动控制电路中采用松下公司的DS—P2A—DC24V型继电器和公司TLP627型光耦作为核心部件。DSP2A—DC24V型继电器为常开型、低功耗继电器，其最大的触点容量为1250VA，内部线圈电阻1920Ω。考虑到系统抗干扰性问题，避免由于外界干扰而引起的设备误操作，因此在高低压开关驱动电路设计中接入两个光耦。TLP627型光耦内部提供Darlington电路，其额定工作温度为—25℃～85℃，正向导通电流最大为25mA。所设计的驱动电路两个输入端连接S3C2440A的GPJ0与GPJ1。当GPJ0和GPJ1分别为1和0时，两个光耦同时导通，DSP2A—DC24V继电器提供驱动电流，继电器的常开触点闭合，实现对开关设备的断开操作；与此类似，所设计的驱动电路两个输入端连接S3C2440A的GPJ2与GPJ3，实现对开关设备的闭合操作。

3. 总结与展望

本文详细阐述了预装式变电站主设备电量参数采集模块、CPU模块、环境温湿度、烟雾采集模块、风机驱动控制模块和高低压开关驱动控制模块的设计思路，并对各模块中核心部件进行了分析。在实际测试中，设备工作噪声和环境噪声会对本系统硬件电路造成影响。为了保证系统的工作可靠性，满足系统采集数据的精确性，采取了以下的抗干扰措施：在硬件电路板设计时应当考虑应用环境的干扰源和干扰信号等问题，以及在各种干扰信号影响下设备所出现的误操作。合理设计硬件电路板，元器件选择高精度类器件，并且进行准确无误的焊接。除此之外，I/O 电路与其它控制电路中应加隔离电路。还有在初期的系统设计和实现中，主要以预装式变电站变压器的三相电流、电压为主。后期工作可以增加运行状态监测数量，例如：GIS 部分、油浸式变压器中油气色谱监测等，形成综合性运行状态监测。

＊ [1]李鑫,赖美云等.新型智能预装式变电站状态评价关键参量研究[J].变压器,2015,52:30—35.

＊ [2]王哲,孙纯军.物联网技术在智能变电站中的应用[J].电力建设,2011,32(10):41—46.

＊ [3]姜贝贝.预装式变电站主设备智能化监测与健康评估系统设计[D].河海大学,2017.

＊ [4]何金鑫.基于无线传感网络的智能变电站环境监测系统设计[D].安徽理工大学,2016.