基于NB-IoT 技术的变压器故障实时监测系统的设计与应用

路思雨，胡 严，张佳阁，刘睿卿，常传艺，周靖雄

（临沂大学 自动化与电气工程学院，山东 临沂 276000）

0 引 言

变压器作为电力系统中的重要设备之一，承担着将电力从一级电压变换到另一级电压的重要任务，变压器的正常运行对于保障电网的可靠运行至关重要。因此，变压器的故障监测和预警是电力系统运行管理的重要组成部分。目前，国内外已经有许多学者和企业在变压器故障监测方面进行了研究。传统的变压器监测方法主要是通过人工巡视和检修，存在工作量大、难以及时发现故障等问题。近年来，随着物联网（Internet of Things，IoT）技术的发展，物联网技术在电力系统监测与管理中的应用逐渐受到关注，越来越多的学者和企业开始采用物联网技术实现变压器的实时监测和故障预警。然而，该方法存在以下几个问题：一是传感器和数据传输技术的不稳定性，会影响到系统的可靠性和准确性；二是缺乏完善的故障预警机制和数据处理分析算法，无法对数据进行有效的处理和分析；三是缺乏实际应用的验证，无法证明系统的实际效果。窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）技术作为物联网技术的一种，具有低功耗、广覆盖、安全可靠等特点，在电力系统监测中的应用具有广阔的前景。因此，文章基于NB-IoT 技术设计了一个变压器故障实时监测系统，通过传感器和物联网技术实现对变压器的实时监测与数据传输，通过云平台处理和分析数据，实现对变压器故障的实时监测和预警[1-3]。

1 系统框架

文章设计的变压器故障实时监测系统主要由传感器、数据传输模块、云平台以及移动端应用程序4个模块组成，其框架如图1 所示。

图1 系统框架

传感器模块主要负责采集变压器的温度、湿度、电流等数据，并将数据传输给数据传输模块。数据传输模块主要负责将传感器采集的数据通过NB-IoT 技术传输至云平台。云平台主要负责接收、处理和分析数据，并通过移动端应用程序向用户展示数据和预警信息[4]。

2 系统硬件设计

2.1 传感器模块设计

传感器模块主要包括温度传感器、湿度传感器以及电流传感器3 个部分。温度传感器和湿度传感器采用DHT11 数字温湿度传感器，电流传感器采用ACS712 电流传感器，模块电路如图2 所示。

图2 传感器模块电路

2.2 数据传输模块设计

数据传输模块主要包括NB-IoT 模块和单片机模块2 个部分。NB-IoT 模块采用SIM7020C 模块，单片机模块采用STM32F103C8T6 单片机。

2.3 硬件实现

设计采用Arduino Uno 开发板来实现系统的硬件设计。传感器模块采用了DHT11 数字温湿度传感器和ACS712 电流传感器。通过传感器模块采集到的温度、湿度和电流数据，可以对变压器的运行状态进行实时监测[5-7]。

NB-IoT 模块采用了SIM7020C 模块，该模块支持NB-IoT 和基于LTE 演进的物联网接入技术（LTE enhanced MTO，eMTC）这2 种通信方式。通过NB-IoT 模块，可以将采集到的数据传输到云平台，实现远程监测和管理。单片机模块采用了STM32F103C8T6 单片机，该单片机具有较强的处理能力和丰富的外设接口，可以很好地满足系统设计的需求，主要负责数据采集和传输控制。

3 系统软件设计

3.1 传感器数据采集软件设计

传感器数据采集软件主要由单片机程序和驱动程序2 个部分组成。单片机程序负责读取传感器数据并将数据传输给NB-IoT 模块，驱动程序负责控制传感器和NB-IoT 模块。传感器数据采集软件流程如图3 所示。

图3 传感器数据采集软件流程

3.2 数据传输软件设计

数据传输软件主要由NB-IoT 模块驱动程序和数据处理程序2 个部分组成。NB-IoT 模块驱动程序负责控制NB-IoT 模块和单片机的数据传输，数据处理程序负责解析传感器数据并将数据上传至云平台。数据传输软件流程如图4 所示。

4 系统测试与验证

为了验证系统的可行性和有效性，对系统进行了一系列的测试和验证。在实验过程中，通过运行模拟变压器来演示实际中的变压器工作情况及变压器可能产生的故障情况，并通过此实验数据来对系统的故障检测和预警能力进行测试。

4.1 温度、湿度和电流测试

在测试过程中，通过使用模拟变压器产生的电流变化来演示变压器在实际工作过程中产生的电流变化。通过传感器模块采集温度、湿度和电流数据，可以对变压器的运行状态进行实时监测。测试结果显示，系统可以准确地采集到变压器的温度、湿度和电流数据，并将数据上传至云平台进行分析和处理。在变压器故障发生时，系统可以快速检测到异常，并发出预警信号，及时通知相关人员进行处理[8,9]。

4.2 故障检测和预警测试

在测试过程中，需要对变压器绕组断线、接地、绕组短路等故障情况进行模拟，测试系统对故障的检测和预警效果。测试结果显示，系统可以快速地检测到异常，并发出预警信号。在故障发生后，系统可以及时通知相关人员进行处理，有效避免了因故障导致的电力系统损失。

4.3 远程监测和管理测试

在测试过程中，使用了中国移动通信集团有限公司提供的NB-IoT 测试平台进行远程监测和管理。测试结果显示，系统可以准确地将采集到的数据上传至云平台，并能够及时地响应云平台下发的指令，实现远程监测和管理。由此表明，本系统基于NB-IoT技术的变压器故障实时监测系统具有较高的准确性、可靠性以及实用性，能够有效提高电力系统的安全性和可靠性，部分测试代码为

5 结 论

文章提出了一种基于NB-IoT 技术的变压器故障实时监测系统，该系统通过传感器模块采集温度、湿度和电流数据，并通过NB-IoT 模块将数据上传至云平台，实现了远程监测和管理。系统具有较高的准确性。