配电变压器运行远程监控系统

何思远，徐志

(云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217)

配电变压器运行远程监控系统

何思远，徐志

(云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217)

针对现有的远程监控系统存在接线过多、方式复杂、故障排查与维修繁琐等问题，提出了采用GSM无线网络进行配电变压器运行状态远程监控的全新解决方案和实现方法。以高性能的工业级16位单片机芯片PIC18F458为核心的硬件设计和以Visual C++6.0和MySQL作为后台数据管理软件设计。实现了配电变压器三相电压、电流、功率因数、变压器温度等参数的实时监控。

配电变压器；远程监控；GSM

0 前言

目前供配电系统中绝大多数配电变压器还没有配备智能化、可通信的监测装置。随着配电自动化的深入发展，研制一种能适合配电变压器监测并具有多种通信功能的智能化终端装置是符合市场需求的，也是提高电网供电质量的有效途径。

从国内外的研究现状可以发现，配电变压器监测终端数据传输的通信方式以及能够适应不同通信要求的多功能配电变压器监测终端仍然是目前的研究方向和亟待解决的问题[1]。

1 系统的总体方案

根据配变监测终端在配电自动化系统运行中所担负的任务，以及现场环境、使用操作的具体要求以及客户的需要，我们设计的配变监测终端的主要具有以下功能：

1)实时数据采集；

2)实时监测；

3)数据报表及存储；

4)实时遥信和遥控；

5)数据通信和传输；

6)报警与数据显示功能。

除了上述功能以外，作为智能化设备的TTU还应具备自诊断、失电数据保护和故障自恢复等功能。

监测系统硬件主要由电源模块、电力及温度参数采集模块、中央处理器和GSM模块四部分构成，其结构如图1所示。

图1 系统总体结构

电源模块：由于监测装置需在现场长时间连续运行，GSM模块对电源的要求也高，所以选择大容量的锂电池作为电源。采用简单的整流稳压电路将监测端的交流220 V变为直流5 V后通过充电模块给锂电池充电，锂电池在工作时电压不断下降，为使整个装置工作电压稳定，在电池输出端使用DC/DC升压模块。在该装置中工作电压稳定为4.5 V，满足所有模块的要求。

电力参数及温度采集模块：监测分机最重要的工作是准确地检测到配电变压器三相电压、电流、功率因数及温度等参数。采集模块采用的是精度0.5级的电压互感器和电流互感器，它们将强电信号转换为弱电信号，然后通过分压电路把各相信号降到单片机AD输入相匹配。功率因数的检测采用过零比较的方式，由单片机中断口读入相角差计算出功率因数。变压器温度采用数字式温度传感器 DS18B20，其温度检测范围为-55℃～125℃，完全适合系统要求。

GSM模块：本系统选用的是西门子公司的GSM模块TC35i[2]。监测分机检测到配电变压器的各项参数后由TC35i将这些数据发送到监控中心，监控软件再做下一步数据分析。

监控软件由 Visual C++6.0和 MySQL编写[3]。使用者分为系统管理员和普通用户。

2 硬件电路设计

由于配变监测系统的主电路担负着数据采集的控制、数据处理、人机接口的控制、数据通信的控制以及输出控制等任务，是系统的核心电路，本电路设计中根据用户的要求以及对电力系统监测设备的调研，采用了以高性能的工业级16位单片机芯片PIC18F458为核心组成了系统的主电路模块，实现终端的信号采集控制、数据分析与处理、数据通信控制等功能。

2.1 交流数据采集电路

交流数据采样主要是采集交流电压和交流电流，并以此计算除其他各种交流参数。交流数据采集电路的结构如图2所示。

图2 交流数据采集电路结构图

2.2 硬件抗干扰设计

配电变压器监测系统硬件终端由于使用环境一般较差，其抗干扰措施是设计中必须考虑的重要一环。通常，现场干扰一般都是以脉冲的形式进入单片机应用系统的，干扰窜入系统的主要渠道有三条：即供电系统干扰、过程通道干扰和空间辐射干扰。为了消除干扰对监测终端的影响，本设计采用了硬件抗干扰设计和软件抗干扰设计相结合的方式，在硬件抗干扰设计中主要采用了如下一些措施。

由于监测终端是直接采用交流电网供电的，因此，单片机应用系统中最重要并且危害最严重的干扰来源于电源的污染。当电网中有大的感性负荷或可控硅切换时，便会产生瞬时电压，引起电网电压波形的畸变。这一干扰电压主要将沿着电源引入线→仪器系统→大地→负载突变处的途径传播。理论分析和实践表明，由电源引入的干扰频率范围从近似直流一直可达1 000 MHz，因此，要完全抑制这样宽频率范围的干扰，只采取单一措施是很难实现的，需采取多种抗干扰措施结合的方法来抑制干扰。

为防止从电源系统引入干扰，监测终端的供电电源的结构如图3所示。

图3 监测终端的供电电源结构

考虑到高频噪声通过变压器主要不是靠初、次级线圈的互感耦合，而是由初、次级间寄生电容耦合造成的。因此，隔离变压器的初级和次级之间均用屏蔽层隔离，减少其分布电容，以提高抗共模干扰的能力。

电源系统的干扰源大部分是高次谐波，因此采用低通滤波改善电源波形。在整流电路之后采用双T滤波器，以消除工频干扰。

传输通道的抗干扰措施也有多种方法，本系统主要采取光电耦合器隔离加软件处理的方法。其中光电耦合器隔离的原理是因为光电耦合器件是以光为媒介传输信号的集成化器件，采用光电耦合器可以将主机与前向、后向以及其他主机部分切断电路的联系，以有效地防止干扰从过程通道进入主机。

3 主站管理软件设计

主站和各个配电变压器监控终端之间采用GSM短信的方式进行通讯，接收下位机采集到的电参量和温度参数，并对其进行处理和分析，如果有异常情况出现，则将报警内容通过GSM发短信的方式发送到责任人的手机上，以此来达到远程监控的目的。

主站后台监控中心管理系统软件主要的功能是和监测装置进行通信，为运行管理人员提供实时数据，整点数据，动作记录数据的采集，存入数据库中，实现数据的分析及图形报表生成及打印等一系列功能。系统构成如图4所示。

图4 主站系统软件构成

由于本系统主要是对配电变压器的运行状态进行实时监测，所以建数据库的时候，必须以其状态信息表 (trans_info)为核心搭建数据库，这个表的内容需要系统管理员手工输入，这个表内的参数就是系统判定其运行状态正常与否的标准，超过这个标准就会引发报警程序，并把报警内容存入报警日志表 (alarm_log)中。配电变压器的即时状态是根据GSM模块从监测终端收到的短信经过解码之后得到的，所以必须要有一个存储短信内容的表 (sms_info)，需要一个变压器即时状态表 (trans_stat)来存储从监测终端采集到的数据。

另外，由于设计的监测系统最终是通过GSM短信的方式和监测人员进行联系，所以还必须建一个责任人信息表 (duty_info)来存储这些人的基本信息，以便系统能够自动的查询到责任人的手机号码，有异常情况的时候就可以即时的和责任人取得联系。通过一个变压器-责任人表(trans_duty)绑定的方式给每台变压器指定至少一名责任人。搭建的数据库表的参数和各表之间的关系如图5所示。

图5 数据库表的结构和关系

考虑到系统的发展，随着存储和需要处理的数据量越来越大，单机版的数据库肯定不能满足要求。因此，可以采用一种分阶段的方法，即首先采用单机版的数据库，等到时间和条件允许了，将其扩展为客户/服务器版。在此，选择了MySQL数据库管理系统。通过MySQL Adminitrator在MySQL的root账号建立了一个数据库，数据库名为trans，在trans里面按要求建好各信息表。

本系统管理软件的界面是通过VC进行设计的，即通过VC对MySQL进行操作。MySQL提供了一套CAPI函数，它由一组函数以及一组用于函数的数据类型组成，这些函数与MySQL服务器进行通信并访问数据库，可以直接操控数据库。

本系统主站软件系统和监测硬件终端之间的通讯是采用基于GSM网络短信的方式进行通信。要实现和下位机进行有效的通信，主站软件还必须具有通过串口连接GSM模块收发短信的功能。这就牵涉到了短信的编解码的问题，由于系统是在VC环境下进行开发的，所以就要在VC平台下对SMS短信息进行编码和解码。我们采用的是用AT指令发送SMS短信。

系统自开启后对各台配电变压器的运行状态进行监测。系统报警的动作都是引发报警窗口，并播放报警声音，不同的是报警类别不一样。

系统管理平台只对系统管理员开放的。系统管理平台分为用户管理和变压器管理。用户管理主要是针对用户的权限，密码维护而设计的。相对于一次测量而言，随机误差是没有一定规律的，但是，当测量次数足够多时，测量结果中的随机误差服从一定的统计规律，而且大多数按正态分布。因此，消除随机误差最为常用的方法是取多次测量结果的算术平均值。尽管如此，算术平均滤波方法需要连续采样若干次后，才能进行运算而获得一个有效的数据，因而速度较慢。当系统要求数据计算速度较高时，该方法便无法使用。为了克服这一缺点，本系统采用递推平均滤波方法。

4 结束语

本文所开发和设计的配电变压器运行状态远程监控系统完全能满足用户对分散配变管理的需要，试运行情况良好，且施工安装简单，运行维护方便，由于采用GSM公共通讯传输机制，无需架设专用线路，综合投资成本较低。数据传送准确。

[1] L.Cristaldi，A.Ferrero，S.Salicone.A Distributed System for Electric Power Quality Measurement[J] .IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2002，51 (4)：776-780.

[2] SIEMENS Co.AT.Commands for GSM engine TC 35[Z] .SIMENS CO.，2000.

[3] 李现勇.Visual C++串口通信技术与工程实践 [M].北京：人民邮电出版社，2004.

[4] 国家标准.电能质量三相电压允许不平衡度 [S](GS/T 15543-1995).

[5] 全国电压电流等级和频率标准化技术委员会编.电压电流频率和电能质量国家标准应用手册 [M].北京：中国电力出版社，2001.

[6] 张力.Visual C++高级编程 [M].北京：人民邮电出版社，2002.

Remote Monitoring System Design of Distribution Transformer Operating Status Based on GSM

HE Siyuan，XU Zhi
(Yunnan Electric Power Research Institute，Yunnan Power Grid Co.Ltd.，Kunming 650217，China)

A new and efficient method by using GSM network in remote monitoring of Distribution Transformer(DT)operating status is proposed to aim at the problem of existing remote monitoring system wiring too much，too complicated，fault diagnosing and maintaining difficulty.The system hardware design based on 16 bit PIC18F458 chip and management software design with Visual C+ +6.0 and MySQL are discussed in detail.A real-time monitoring of parameters such as three-phase voltage，current，power factor and transformer temperature is finally realized.Experiments show that the system possesses accurate data gathering，strong ability of anti-interference，wide coverage，no region limitation and good operation performance.

distribution transformer；remote monitoring；GSM

TM421

B

1006-7345(2015)05-0077-03

2015-09-02

何思远 (1989)，男，助理工程师，云南电力科学研究院，从事电力系统分析、继电保护方面工作 (e-mail)358617956＠qq.com。

徐志 (1984)，男，硕士，工程师，云南电力科学研究院，从事电力系统电能质量分析，无功补偿方面工作。