配电变压器运行参数监测系统研究与设计

祝 贺，李映桥

(东北电力大学 建筑工程学院，吉林 吉林 132012)

在日常的电力生产及运行维护中，为保证配电变压器能够正常稳定运行，需要对其内部的电压、电流等重要的运行参数进行监测并记录，设定其在正常运行时的参数范围区间，实时监测了解配电变压器的运行状态.一旦运行数据发生异常，超出设定的范围值，监测系统应该能够及时发出报警消息，提醒相关技术人员采取措施，才能避免电力安全事故发生[2].但由于配电变压器的安装位置相对较为分散，其柱上变压器所占的比例较大，传统的配电变压器运行参数监测系统存在很多实质性问题，例如实时性差、安全性差，而且全面监测运行状态所需劳动量较大，这样使得很多异常情况难以及时发现，容易造成事故的发生[3～4].通过研究分析传统配电变压器监测系统的优缺点，对优点加以优化、对缺点加以改进，设计新型的配电变压器运行参数监测系统，通过利用数据采集技术和信息传输技术，对配电变压器的运行状态进行实时监测，同时采集一定周期下的电压、电流等重要参数，通过整合处理将数据存储到系统数据库中，定期上传至远程PC终端；如果参数超过限定的正常范围值，报警装置会及时将报警信息以短消息的形式发送给远程操作员.本文通过分析国内外配电自动化的发展现状，从配电变压器运行参数监测系统的结构功能、基本组成以及通信方式加以研究，结合计算机技术、单片机技术和通信技术，对新型配电变压器运行参数监测系统进行设计研究[5～6].

1 国内外发展现状

发达国家对于配电网自动化的应用开始较早，发展较为成熟.从20世纪70年代开始，一些发达国家就开始了配电网自动化的试点工作[7].国外一些非常著名的电力系统设备的大型制造厂家如：美国的COOPER公司和摩托罗拉公司、日本的东芝公司、德国的西门子公司等均推出了各具特色的配电网自动化产品[8].

我国的配电自动化发展起步较晚，较一些发达国家滞后约30年.我国早期研发的配电变压器运行参数监测系统功能单一、通信能力方式简单，只能完成一些基本的参数监测且实时性较差[9].近年来我国各领域的科学技术不断发展，各学科领域间相互融合，网络通信和计算机等技术相继运用到配电网的优化运行上，使配电网实现自动化成为必然趋势，进一步向更高程度的智能化迈进.如今研制出的智能化、小型化、多功能化并具备多种通信方式的配电变压器运行参数监测系统，进一步提高了我国配电系统自动化的发展进程[10～11].

2 系统整体设计

在对硬件的选择上，通过研究比对大量的单片机结构和功能，最终选用了型号为MSP430F149单片机.该单片机在满足系统设计要求的前提下，有着能耗低，性价比高，安全性和稳定性好，抗干扰能力强等优良性能[12].GSM通信模块TC35i利用无线传输可以实现数据的采集与存储、判断配电变压器运行状态是否正常，以及将故障信息及时发送给远程操作员.硬件部分还包括：传感器、信号与调理电路、电源模块、液晶显示模块、报警器等其他辅助电路的配合.软件部分设计时应注意软件应该具备容错功能和相应的保护措施.系统应自带检测程序，例如状态检测和诊断程序等，以便在系统内部发生故障时，系统通过自身判断很快查找到故障部位.系统还需设置固定的周期定时存储运行参数等重要数据，防止因发生故障或断电等情况造成数据的丢失.软件部分选用了Keil C语言汇编程序，该软件编程简便且运行速度较快，主要针对上位机的主程序和发送与接收中断程序进行编程调试[13].

配电变压器运行参数监测系统的基本组成结构，如图1所示.

图1 配电变压器运行参数监测系统原理框图

3 单片机选取与介绍

MSP430F149是一种16位超低功耗的FLASH单片机，它拥有16位精简指令集、16级中断和高效的寻址方式，将强大的功能和超低功耗相结合，实用性强，性价比高，是作为系统硬件的最好选择之一[14～15].MSP430系列单片机系统性能上具有强大的处理能力，工作系统相对稳定、片内外资源丰富、具有方便高效的开发环境，广阔的应用范围和发展前景.这些优良性能成为本次设计系统的最佳硬件选择.

4 系统硬件部分设计

4.1 控制核心模块

控制核心模块对单片机的功能要求较高，计算任务较为繁重[16].通过查阅相关文献资料，对大量型号的单片机进行分类并分析比较，最终选用了型号为MSP430F149的单片机作为该系统的控制核心模块.配电变压器运行参数监测系统功能框图，如图2所示.

图2 配电变压器运行参数监测系统功能框图

4.2 交流采集与调理模块

为了监测配电变压器运行状态下的各种参数，需要将配电变压器中的三相电压信号和电流信号等信号进行采集整合.在配电网中，谐波信号的出现会干扰了设备的正常运行.在A/D转换之前加入低通滤波电路的作用是为了降低谐波信号对A/D转换的影响.模拟信号调理电路为了方便A/D转换，需要对传感器进行放大信号、限定幅值、过滤谐波等处理方式.本系统采用带反馈的二阶有源的低通滤波电路，能明显提高系统抗干扰能力[17～18].信号调理电路,如图3所示.

图3 信号调理电路

4.3 单片机模块

MSP430F149主要完成以下任务：

(1)控制整个数据采集过程；

(2)接收A/D转换后的数据，并进行处理；

(3)在收到相应的操作指令后，自带的串口会将数据自动发送到控制终端.

本系统采用模块化结构分类编排，对每个模块又细分研究，分块改进，整个过程目标明确、思路清晰、简便快捷.

4.4 GSM模块TC35i

本系统采用GSM网络模块TC35i，利用无线电传输技术，使操作员在远程利用能上网的电脑或电话对一台或多台配电变压器进行实时监测，对异常情况及时报警.该系统的主要工作原理是：能够实时监测配电变压器的运行状况，采集和记录运行参数数据，定期存储到数据库里，若运行参数超出设定的正常参数范围，该系统的报警装置能够迅速将报警信息发送至远程操作员.

4.5 辅助电路

除去以上主要模块外，该监测系统的主体部分还需要以下辅助电路来完成：

(1)电源模块：使用7805稳压芯片给系统稳压，提供5 V电源；

(2)液晶显示模块：监测终端现场的主要显示模块，本系统采用点阵式液晶显示器；

(3)键盘：作为人机交互界面里最常用的输入设备，通过键盘输入数据或简单命令来实现正常的人机通信；

(4)报警器：选用一个5V的有源蜂鸣器，通过PNP三极管的开关作用，用单片机I/O口控制电路的通断，控制蜂鸣器的报警发音；

(5)温度传感器：测量温度选用最常用的DS18B20温度传感器.

5 系统软件部分设计

5.1 系统设计特点

变压器参数监测系统软件采用模块化设计，每个部分的程序被编写成独立的模块，这样的设计优点在于[19]：

(1)便于独立模块的编写容易调试；

(2)程序移植性好，在需要更换类似功能芯片时程序不需要较大改动；

(3)方便功能扩展，添加程序.

5.2 程序设计

本文设计主程序的职责是将所有功能模块构成一个整体，以此实现各功能模块之间的调度和相互联系.主程序的工作流程，如图4所示.TC35i规定由命令接口定义的AT命令接口，它为移动平台和数据终端设备提供了通用接口.数据终端设备进行通信的前提是通过标准的AT命令与GSM网络引擎交换数据[20].为了降低功耗，数据的发送和接收是在中断模式处理后进行的.发送与接收中断程序，如图5所示.

图4 主程序工作流程图图2 发送与接收中断程序流程图

5.3 功能实现

变压器参数监测系统的软件部分负责实时监测配电变压器运行状态，采集运行参数，通过整合处理，将得到的实时数据保存到存储器中，同时可以显示在液晶屏上；远程操作人员通过键盘操作，可以看到任何时段的配电变压器参数，并且可以修改系统设置，设定系统功能，定时休眠和唤醒[21].

6 结 论

本文以配电自动化及配电变压器监测系统的国内外发展现状为研究背景，分析比较了现有的配电监测终端的优点与不足，最终选用了型号为MSP430F149的单片机作为控制核心，结合GSM模块TC35i的无线传输技术，研究和设计了集实时监测、记录存储、及时报警为一体的配电变压器运行参数监测系统.

该配电变压器运行参数监测系统能够对运行参数进行实时监测并及时采集、定期储存数据、及时发送报警信息，且该系统运算精度高、功能完善、实时性好[22].基于GSM网络TC35i模块的配电变压器运行参数监测系统，具有功能丰富、价格低廉、系统控制灵活，控制参数可以根据用户需求通过键盘进行调整[23].系统可在设定时间范围内连续记录数据，由工作人员设定每种参数的正常值范围，系统负责实时监测数据、定期累计数据、采集存储数据等.系统的数据会定期传送至远程的PC终端，对于各项参数的统计分析结果可为电力系统管理人员提供参考数据.