变压器安全监测系统设计＊

郭文强，王立贤，董瑶，张梦梦

变压器安全监测系统设计＊

郭文强1，王立贤2，董瑶2，张梦梦2

（1.陕西科技大学 电子信息与人工智能学院，陕西 西安 710021；2.陕西科技大学 电气与控制工程学院，陕西 西安 710021）

为了提高变压器安全运行的可靠性，设计了一款基于嵌入式技术和LoRa无线通信技术的变压器安全监测系统。该系统分为监测终端、网关及监测平台三部分，设计的监测系统具有变压器安全监测、自检和通信一体化的功能，提高了变压器运行的安全性与可靠性。

变压器；LoRa；监测系统；负荷电流

变压器作为输变电系统的核心主设备，有着极其重要的作用且造价昂贵[1]。变压器主要实现电能分配、电压转换的作用，对整个电网的安全、供电性能的可靠以及经济性都有着极其重要的作用[2]。变压器绕组温度、负荷电流、气体浓度等对变压器安全会产生很大影响，因此对这几个参数进行在线监测具有至关重要的作用。

1 系统总体设计

在变压器安全监测系统中，无线传输是监测系统中数据可靠传送的关键环节。文献[3]中采用GPRS/CDMA无线组网技术，能够实现远距离、快速数据传送，但成本高功耗大；文献[4]中采用Wi-Fi通信技术，数据传输速度快，但组网复杂、功耗高，通信距离短。根据变压器所处环境特点，综合分析以上无线通信技术，将其应用于变压器数据传送均存在一定问题。

因此，本文将LoRa无线通信技术应用于变压器安全监测系统中。LoRa网络采用星型拓扑结构，具有低功耗、低成本、抗干扰和远距离传输的性能[5]，能够满足变压器在复杂环境下工作的要求。

本系统由监测终端、网关、监测平台组成，总体方案如图1所示。

2 各模块软硬件设计

2.1 监测终端模块

监测终端是整个系统的监测数据来源，因此监测终端在整个系统中占据至关重要的地位。根据对系统的需求分析，监测终端应该具备以下功能：变压器监测点参数数据采集功能、数据传输的功能。综上所述，本文设计的监测终端由电源模块、传感器模块（比如温度传感器、电流传感器、气体浓度传感器等）、微控制器模块、LoRa通信模块等组成。

监测终端程序设计部分主要包括各传感器的采集程序设计，以及监测数据与设备信息数据的发送程序设计，完成了对变压器参数数据的采集以及数据的发送任务。

图1 系统总体框架

2.2 网关模块

网关是整个系统数据传输的核心部分，网关连接着监测终端与服务器，相当于两者之间的桥梁，网关接收监测终端发送的变压器参数数据，并将其发送至服务器。

在设计网关程序时，采用多线程运行的思想，在同一时间执行多个程序，进而提升整体系统的处理性能。具体程序设计流程如图2所示。

函数说明如下：①Thread_rf_recv。在监测终端入网后，以阻塞方式读取终端射频芯片发送的数据，即如有别的终端正在发送数据，则等待该终端发送完成后再进行数据的发送，接着将数据放入缓存中。②Thread_rf_handler。将存入缓存中的数据根据网关与服务器之间的通信协议进行数据格式转换后再发送至服务器。③Thread_sdcard_write。若遭遇意外情况数据没有发送至服务器，则数据存入网关的SD卡中。④Thread_preriodic_evnent。循环进行网关数据包的发送。⑤Thread_sdcard_read。在系统正常后，网关等待读取命令，将存入SD卡的数据再一次发送至服务器。所有的程序均为循环进行。

图2 网关程序设计流程图

2.3 监测平台

监测平台的开发也是变压器安全监测系统的重要组成部分，网关将数据上传到监测平台的服务器，在监测平台的后台服务器利用算法对监测数据进行分析处理，然后将数据提供给Web端查询显示。

2.3.1 数据接收功能

监测平台接收监测终端实时采集的变压器绕组温度、电流强度、气体浓度等监测数据，以及变压器内的监测终端详细信息，主要为终端的地址、运行状态、故障情况等信息，并将数据存储到对应数据库。

2.3.2 数据处理功能

对监测终端所监测的数据进行管理并分析，主要包括对变压器历史数据的展示功能，以及对各变压器实时监测数据的分析，利用深度学习网络算法对变压器安全有直接影响的绕组温度进行预测。

2.3.3 信息管理功能

监测平台信息管理模块用来实现系统管理员对电厂工作人员，即用户的信息管理，比如用户信息查询及修改等功能，以及监测终端的信息管理，比如终端设备ID、电压状态、工作模式、信号强度/链路质量以及对监测终端信息的修改删除等功能。

2.3.4 Web通信接口功能

处理Web端请求，分析其需求，从数据库读取数据并根据对应逻辑处理，最后将数据以JSON格式返回。

3 系统测试

对整个变压器安全监测系统进行整体调试，主要测试系统各板块间的数据交互以及整个系统的运行状态。测试过程：先确保系统的监测终端、网关节点、监测平台均处于正常运行状态，然后通过监测终端采集变压器参数数据，最后在监测平台上显示数据的变化情况。

4 结论

本文设计的变压器安全监测系统实现了变压器参数数据实时在线监测，可以为工作人员预防变压器事故提供重要依据。

［1］许修乐，李金忠，王健一，等.变压器可靠性评价及状态评估方法综述［J］.高压电器，2017（8）：211-216.

［2］许杨.变压器油在线监测系统的研究与应用［D］.淮南：安徽理工大学，2018.

［3］赖小龙，黄颖，申海龙，等.智能家居接入技术的分析和比较［J］.数字技术与应用，2017（7）：133，136.

［4］曹霞，余笑，王家豪.配电线路安全监测系统设计［J］.电视技术，2018，42（9）：103-108．

［5］张恩满，赵春焕，钟晨，等.基于LoRaWAN的远程抄表系统［J］.建设科技，2017（6）：41-43.

2095－6835（2019）22－0063－02

TP29

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.22.020

郭文强（1971—），男，副教授，研究方向为智能系统与模式识别。

陕西省教育厅产业化研究项目（编号：18JC003）

〔编辑：张思楠〕