基于无线传感器网络的变压器呼吸器在线监测系统

王玉财，李志远，王振锋，张思齐

(1.国网宁夏电力有公司宁东供电公司，宁夏 灵武 750411；2.国网宁夏电力有限公司检修公司，宁夏 银川 750011)

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)是一种分布式网络[1-3]，它的末梢是各类集成化的微型传感器，WSN中的传感器以无线方式通讯，能对环境中的各种信息进行实时监测和感知，是目前用于监测环境信息的重要方式。相较于传统式的网络和其他传感器，无线传感器网络具有组网方便、功耗低、覆盖区域大等显著优点[4-6]，是实现现代监控系统的重要基础。

呼吸器安装于油枕与空气连通的管道末端，当变压器储油柜内的空气随变压器油的体积膨胀或缩小时，排出或吸入的空气都经过呼吸器，呼吸器内的硅胶吸收空气中的水分，对空气起干燥、过滤作用，从而保持变压器油箱内绝缘油的清洁[7-8]。目前，呼吸器无在线监测装置，运维人员对变压器呼吸器采用固定周期现场巡视检查，该方式下呼吸器异常时，运维人员无法及时发现，易造成呼吸器过度使用。

本文在无线传感器网络的技术背景下，设计了1种基于LoRa技术的变压器呼吸器在线监测系统，该系统可对变电站所有呼吸器状态进行在线监测，当发现呼吸器过度使用后能够及时报警至站内后台及监控主站，有效避免了呼吸器过度使用造成的变压器绝缘油含水量超标，该系统具有良好的现场应用效果和推广价值。

1 呼吸器在线监测原理

1.1 硅胶变色原理

呼吸器内填充的硅胶主要成分为SiO2，其外观为蓝色的球形状颗粒，对空气中的水分具有较强的吸附能力。硅胶内部孔隙表面附着有一定的CoCl2，CoCl2会依据内部结晶水含量的不同呈现不同的颜色，随着硅胶水分含量的增加，硅胶的吸湿能力也不断下降甚至失效，其外观会由蓝色逐渐变成粉红色[9]。

变色失效的硅胶可采用热脱幅的方式对其进行再生处理。CoCl2与水分子结合形成CoCl2·6H2O，该物质呈现粉红色。对CoCl2·6H2O加热，其所含的结晶水会失去，重新变成蓝色的CoCl2[10]。

1.2 硅胶吸湿状态判别方法

随着硅胶不断吸收空气中的水分，其吸湿性能也不断下降，相应的呼吸器内湿度也会发生变化，本系统通过在呼吸器内部安装湿度传感器来判断硅胶的状态。为了探究呼吸器内湿度值与呼吸器变色比例的关系，本文搭建了如图1所示的实验平台。利用该平台得到呼吸器内湿度值与呼吸器变色比例关系，如表1所示。

图1 呼吸器湿度测试试验平台

表1 呼吸器内湿度值与呼吸器变色比例关系

依据表1，绘制了呼吸器内湿度值与呼吸器变色比例关系散点，如图2所示。

图2 呼吸器内湿度值与呼吸器变色比例关系

2 系统硬件设计

2.1 监测系统总体框架

在线监测系统整体框架如图3所示。系统主要由湿度传感终端及数据处理终端组成。湿度传感终端由湿度传感器、无线组网模块、处理模块及电源模块组成，其主要作用是监测呼吸器内湿度值，并将该湿度值通过无线传感器网络传输至数据处理终端。

图3 监测系统框架

数据处理终端由数据分析及处理模块、触控显示模块及报警模块组成，完成对湿度传感终端上送信息的分析及处理。

2.2 湿度传感器的选型

本系统湿度传感器主要用于监测呼吸器内湿度值，传感器选用高度集成的数字式温、湿度传感器SHT11芯片[13]。该芯片采用LCC封装，集成温湿度传感器、信号放大与调理、AD转换与接口为一体，输出标定的湿度相对值，相对湿度测量精度为±3.0%，测量范围为0～100%，且功耗低(30 mW)，输出线性，能与单片机I/O口直接连接，满足对呼吸器内湿度值的采集需求[14]。

2.3 湿度传感终端

湿度传感终端由湿度传感器、处理模块、无线组网模块及电源模块组成，其结构如图4所示。

图4 湿度传感终端结构

湿度传感器SHT11芯片负责对呼吸器内的湿度信息进行采集，并且将该信息转换成特定格式的数据。

处理模块功能处理湿度数据的采集与存储，包括自身节点的数据以及其它节点传来的数据。

无线组网模块的主要作用是与数据处理终端进行无线通讯，交换信息及数据。

本系统处理器集成无线收发器，支持LoRa协议[15]。考虑到湿度传感终端与数据处理终端之间的通讯距离需大于1 km，本系统设计的节点无线通讯协议采用传输距离较远的LoRa技术。

电源模块是湿度传感终端的关键部分。湿度传感终端一旦失电，将无法对呼吸器内湿度信息进行有效的采集。本系统要求湿度传感终端放置于呼吸器内需10年免维护。经测算，电源模块采用1 200 mA·h的锂电池，且设定每2 h刷新1次湿度信息，当湿度传感终端进入深度休眠时，切断开关管，可使整个湿度传感终端处于极低功耗状态。

2.4 数据处理终端模块

数据处理终端由处理器、报警模块及显示模块组成：处理器负责对数据进行接收和处理；报警模块的功能是当监测到呼吸器内湿度值超定值后，告警模块动作，及时上送告警信息至后台及监控主站；显示模块负责告警信息及菜单的显示，为了省去按键模块，本系统显示模块采用带按键功能的触控屏。数据处理终端实物如图5所示。

图5 数据处理终端

3 系统软件设计

3.1 湿度传感终端软件架构

湿度传感终端的软件部分主要包括湿度的采集、无线收发及湿度采集模块与数据处理终端之间的通信等。JN5139的SDK提供了完整的网络协议框架和向导生成程序框架，可参照其实现网络通讯。节点间数据传输过程如图6所示。首先对JN5139进行初始化配置，配置完成后按需要编写数据的发送和接收程序。

图6 湿度传感终端与数据处理终端的数据传输过程

3.2 数据处理终端软件架构

数据处理终端软件架构如图7所示。主要包括在线监测、报警查看、设置管理、运行日志4个模块。在线监测模块能够看到呼吸器编号及所监测呼吸器内湿度值。报警查看模块用于查看动作报警报文。在设置管理中可对湿度定值、装置通讯参数进行设置。运行日志模块对系统运行中产生的数据以文本文件的格式存储在装置内，以便运维人员进行调取和查看。

图7 数据处理终端软件架构

4 系统测试与实验

4.1 测试平台的搭建

本文所开发的基于无线传感器网络的变压器呼吸器在线监测系统由湿度传感终端及数据处理终端2部分组成，相应的测试平台也由2部分组成。现场测试环境为1台运行的110 kV变压器，现场接线如图8所示。

图8 监测系统现场接线

4.2 测试项目及结果

4.2.1 通信性能测试

传输距离测试情况如表2所示。经测试传输距离最大为1.2 km，大于1 km，满足现场应用需求。

表2 传输距离测试

4.2.2 湿度测量精度测试

在本文构建的基于JN5139的呼吸器在线监测系统中，湿度传感终端和数据处理终端实现通讯后，打开数据处理终端，就可以读取到各呼吸器内湿度数据，在线监测界面如图9所示，湿度数据见表3。

图9 在线监测界面

表3 湿度测试

测试结果表明：可以得到相对湿度误差不超过±3%的测量值，能够满足测量准确度的要求。

5 结 论

(1)提出基于无线传感器网络技术的变压器呼吸器在线监测系统设计方案,搭建了呼吸器状态的测试平台，利用模拟实验法，探究了呼吸器湿度值与呼吸器变色比例的关系，经过数据采集和分析发现呼吸器内湿度值与呼吸器变色比例正相关，并且当硅胶有1/3变色时，呼吸器内湿度值大约为36.8%RH，为呼吸器在线监测的研发提供了理论依据。

(2)湿度传感终端利用高精度湿度传感器对呼吸器内湿度进行监测，开发的湿度监测模块小型化封装，抗干扰性能良好，易于安装和维护，实现在复杂电磁环境下呼吸器状态的有效监控。

(3)数据处理终端能够对呼吸器内湿度进行实时显示，并且具有定值设定，遥信告警等功能，当判断出呼吸器内湿度超定值后，能够将该告警信息上传至后台及监控主站，有效地避免了变压器呼吸器的过度使用问题。