郭文強(qiáng)，王立賢，董瑤，張夢(mèng)夢(mèng)

變壓器安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

郭文強(qiáng)1，王立賢2，董瑤2，張夢(mèng)夢(mèng)2

（1.陜西科技大學(xué) 電子信息與人工智能學(xué)院，陜西 西安 710021；2.陜西科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

為了提高變壓器安全運(yùn)行的可靠性，設(shè)計(jì)了一款基于嵌入式技術(shù)和LoRa無線通信技術(shù)的變壓器安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為監(jiān)測(cè)終端、網(wǎng)關(guān)及監(jiān)測(cè)平臺(tái)三部分，設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有變壓器安全監(jiān)測(cè)、自檢和通信一體化的功能，提高了變壓器運(yùn)行的安全性與可靠性。

變壓器；LoRa；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；負(fù)荷電流

變壓器作為輸變電系統(tǒng)的核心主設(shè)備，有著極其重要的作用且造價(jià)昂貴[1]。變壓器主要實(shí)現(xiàn)電能分配、電壓轉(zhuǎn)換的作用，對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的安全、供電性能的可靠以及經(jīng)濟(jì)性都有著極其重要的作用[2]。變壓器繞組溫度、負(fù)荷電流、氣體濃度等對(duì)變壓器安全會(huì)產(chǎn)生很大影響，因此對(duì)這幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)具有至關(guān)重要的作用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在變壓器安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，無線傳輸是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)可靠傳送的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。文獻(xiàn)[3]中采用GPRS/CDMA無線組網(wǎng)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離、快速數(shù)據(jù)傳送，但成本高功耗大；文獻(xiàn)[4]中采用Wi-Fi通信技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸速度快，但組網(wǎng)復(fù)雜、功耗高，通信距離短。根據(jù)變壓器所處環(huán)境特點(diǎn)，綜合分析以上無線通信技術(shù)，將其應(yīng)用于變壓器數(shù)據(jù)傳送均存在一定問題。

因此，本文將LoRa無線通信技術(shù)應(yīng)用于變壓器安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。LoRa網(wǎng)絡(luò)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有低功耗、低成本、抗干擾和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男阅躘5]，能夠滿足變壓器在復(fù)雜環(huán)境下工作的要求。

本系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)終端、網(wǎng)關(guān)、監(jiān)測(cè)平臺(tái)組成，總體方案如圖1所示。

2 各模塊軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測(cè)終端模塊

監(jiān)測(cè)終端是整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來源，因此監(jiān)測(cè)終端在整個(gè)系統(tǒng)中占據(jù)至關(guān)重要的地位。根據(jù)對(duì)系統(tǒng)的需求分析，監(jiān)測(cè)終端應(yīng)該具備以下功能：變壓器監(jiān)測(cè)點(diǎn)參數(shù)數(shù)據(jù)采集功能、數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋＞C上所述，本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)終端由電源模塊、傳感器模塊（比如溫度傳感器、電流傳感器、氣體濃度傳感器等）、微控制器模塊、LoRa通信模塊等組成。

監(jiān)測(cè)終端程序設(shè)計(jì)部分主要包括各傳感器的采集程序設(shè)計(jì)，以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)備信息數(shù)據(jù)的發(fā)送程序設(shè)計(jì)，完成了對(duì)變壓器參數(shù)數(shù)據(jù)的采集以及數(shù)據(jù)的發(fā)送任務(wù)。

圖1 系統(tǒng)總體框架

2.2 網(wǎng)關(guān)模塊

網(wǎng)關(guān)是整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵牟糠郑W(wǎng)關(guān)連接著監(jiān)測(cè)終端與服務(wù)器，相當(dāng)于兩者之間的橋梁，網(wǎng)關(guān)接收監(jiān)測(cè)終端發(fā)送的變壓器參數(shù)數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送至服務(wù)器。

在設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)程序時(shí)，采用多線程運(yùn)行的思想，在同一時(shí)間執(zhí)行多個(gè)程序，進(jìn)而提升整體系統(tǒng)的處理性能。具體程序設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

函數(shù)說明如下：①Thread_rf_recv。在監(jiān)測(cè)終端入網(wǎng)后，以阻塞方式讀取終端射頻芯片發(fā)送的數(shù)據(jù)，即如有別的終端正在發(fā)送數(shù)據(jù)，則等待該終端發(fā)送完成后再進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，接著將數(shù)據(jù)放入緩存中。②Thread_rf_handler。將存入緩存中的數(shù)據(jù)根據(jù)網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器之間的通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換后再發(fā)送至服務(wù)器。③Thread_sdcard_write。若遭遇意外情況數(shù)據(jù)沒有發(fā)送至服務(wù)器，則數(shù)據(jù)存入網(wǎng)關(guān)的SD卡中。④Thread_preriodic_evnent。循環(huán)進(jìn)行網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)包的發(fā)送。⑤Thread_sdcard_read。在系統(tǒng)正常后，網(wǎng)關(guān)等待讀取命令，將存入SD卡的數(shù)據(jù)再一次發(fā)送至服務(wù)器。所有的程序均為循環(huán)進(jìn)行。

圖2 網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計(jì)流程圖

2.3 監(jiān)測(cè)平臺(tái)

監(jiān)測(cè)平臺(tái)的開發(fā)也是變壓器安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)測(cè)平臺(tái)的服務(wù)器，在監(jiān)測(cè)平臺(tái)的后臺(tái)服務(wù)器利用算法對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，然后將數(shù)據(jù)提供給Web端查詢顯示。

2.3.1 數(shù)據(jù)接收功能

監(jiān)測(cè)平臺(tái)接收監(jiān)測(cè)終端實(shí)時(shí)采集的變壓器繞組溫度、電流強(qiáng)度、氣體濃度等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以及變壓器內(nèi)的監(jiān)測(cè)終端詳細(xì)信息，主要為終端的地址、運(yùn)行狀態(tài)、故障情況等信息，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.3.2 數(shù)據(jù)處理功能

對(duì)監(jiān)測(cè)終端所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理并分析，主要包括對(duì)變壓器歷史數(shù)據(jù)的展示功能，以及對(duì)各變壓器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，利用深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)變壓器安全有直接影響的繞組溫度進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2.3.3 信息管理功能

監(jiān)測(cè)平臺(tái)信息管理模塊用來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理員對(duì)電廠工作人員，即用戶的信息管理，比如用戶信息查詢及修改等功能，以及監(jiān)測(cè)終端的信息管理，比如終端設(shè)備ID、電壓狀態(tài)、工作模式、信號(hào)強(qiáng)度/鏈路質(zhì)量以及對(duì)監(jiān)測(cè)終端信息的修改刪除等功能。

2.3.4 Web通信接口功能

處理Web端請(qǐng)求，分析其需求，從數(shù)據(jù)庫(kù)讀取數(shù)據(jù)并根據(jù)對(duì)應(yīng)邏輯處理，最后將數(shù)據(jù)以JSON格式返回。

3 系統(tǒng)測(cè)試

對(duì)整個(gè)變壓器安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行整體調(diào)試，主要測(cè)試系統(tǒng)各板塊間的數(shù)據(jù)交互以及整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。測(cè)試過程：先確保系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)終端、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)平臺(tái)均處于正常運(yùn)行狀態(tài)，然后通過監(jiān)測(cè)終端采集變壓器參數(shù)數(shù)據(jù)，最后在監(jiān)測(cè)平臺(tái)上顯示數(shù)據(jù)的變化情況。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的變壓器安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了變壓器參數(shù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，可以為工作人員預(yù)防變壓器事故提供重要依據(jù)。

［1］許修樂，李金忠，王健一，等.變壓器可靠性評(píng)價(jià)及狀態(tài)評(píng)估方法綜述［J］.高壓電器，2017（8）：211-216.

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2095－6835（2019）22－0063－02

TP29

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.22.020

郭文強(qiáng)（1971—），男，副教授，研究方向?yàn)橹悄芟到y(tǒng)與模式識(shí)別。

陜西省教育廳產(chǎn)業(yè)化研究項(xiàng)目（編號(hào)：18JC003）

〔編輯：張思楠〕