基于超声波和GSM/GPRS 的变压器监测及防盗装置

顾 博，薛 伟，李 杨

（重庆市电力公司江北供电局， 401147）

基于超声波和GSM/GPRS 的变压器监测及防盗装置

顾 博，薛 伟，李 杨

（重庆市电力公司江北供电局， 401147）

针对户外变压器的防盗现状，成功研制出一种新型的、具有自主知识产权的、基于超声波和GSM技术的10kV变压器监测及防盗装置。该装置已在重庆市电力公司下属的多个农村供电所使用。

变压器;超声波;GSM/GPRS;单片机

0 引言

处于电力系统末端的配电网中，10kV配电变压器的数目众多，且直接对用户供电，其可靠稳定性是电力公司对用户供电质量最直接的保障，也是电力企业责任感最直接的体现，因此，10kV配电变压器正常运行的重要性十分显著。

由于变压器绕组是由金属铜制成，因此成了不法分子垂涎三尺的目标。以重庆江北供电局为例，因有大量农电区域地处偏远地区，经常出现一些电力设施被盗或被损坏现象，一直干扰着工农业正常生产。为保证配电变压器的安全运行，防止被盗事故的发生，要求对分散的配电变压器进行实时监控和统一管理，从而提高配电变压器的安全、经济运行和供电企业的管理水平，才能产生很好的经济效益和社会效益。

目前，依靠运维人员的定期巡视这种方式无法及时获得变压器的运行状态信息，特别是在当意外事故发生或变压器被盗时，不能得到及时处理。尤其是在变压器防盗问题上，存在一定的难度。由于不能及时发现变压器工作的异常，往往给不法分子以可乘之机［1］。10kV变压器监测及防盗问题引起了电力部门的高度重视。目前，对10kV变压器监测及防盗已经可以实现在线检测。通过比对同类的装置，已有的装置其监测方式单一，监测方法比较落后，因此急需研制出安装方便，监测数据精度高、报警信息准确的自动装置。

1 10kV变压器监测及防盗装置的基本原理概述

变压器监测及防盗装置是利用GSM/GPRS网络作为传输的介质，把分散的变压器的工作状态及时传输到控制中心（电力公司），不仅可以随时检测变压器的工作状态，而且可以很好地解决变压器防盗功能。本系统中采用了基于GSM/GPRS网络方式，用户只需一台在线的手机就可以对控制范围内的变压器进行实时监控。该新型装置的目的是提供一种测量精度高、检测准确、检测结果可靠的10kV变压器监测及防盗装置。本设计在现有变压器防盗装置检测方式的基础上，采用了一种新的方案，通过电压电流检测变压器运行状况，出现异常后，将启动另一可靠性高、实现简单、造价低廉，体积小、便于隐蔽放置的超声波来对变压器进行位移检测，通过检测到超声波异常的发射接收时间差来判断变压器是否被移动，再通过单片机信息处理，借助GSM/GPRS网络，将信息及时反馈给配电网变压器管理人员。整个装置操作简单，便于维护。其基本原理如图1所示。

图1 10kV变压器检测及防盗装置的基本原理图

基于上述原理可以看出，本设计中的变压器监测及防盗装置包括超声波测量位移模块、电流电压检测模块、电源管理模块、GSM/GPRS模块、单片机控制的数据分析模块、GSM/GPRS通信模块，最后通过手机短信传递给用户。系统硬件总体结构如图2所示。

本设计的创新亮点有两个:一是基于 GSM/GPRS的无线网络信息传递方式;装置采用由中国移动提供的全球移动通信系统GSM/GPRS。通过在各终端安装GSM/GPRS模块，采用现有的GSM/GPRS网络服务，可实现配电变压器监测防盗装置与维护人员在GSM/GPRS网络内的实时通信，具有功能齐全、构思巧妙、成本低廉等突出特点。二是采用了超声波来检测变压器的位移。超声波技术成熟可靠，借助单片机计时器计时计算超声波的发收时间差的精度高，电路可靠性好。

图2 系统硬件总体结构

2 装置的主要技术参数

由于10kV变压器的工作环境是野外，比较特殊，其技术要求也比较高，要求如下:

1）防区:设备标配有线、无线防区;

2）网络:GSM/GPRS、TX发射输出功率为:1W;

3）接警号码:发送5个手机短信号码;

4）欠压保护:市电欠压保护启动时间≤1秒;

5）数据响应:时间≤5秒（GSM/GPRS网络正常状态）;

6）工作电源:输入AC110～220V/50Hz;

7）整机功耗:＜3W;

8）后备电池:DC12V（赛特2.2mAh电池）;

9）备用电池工作时间（基本配置、GSM发射待机）≥4小时;

10）工作环境:温度－20～+60℃;

11）湿 度:20～95%无凝露;

12）电磁兼容:三级。

3 系统的总体结构

本系统由上位机（用户手机）、下位机（变压器防盗装置）和GSM/GPRS公用网络组成一个防盗报警系统。其中，上位机由一台手机组成。系统通过GSM/GPRS网接收各个终端报警点发来的各类信息（包括报警信息、布/撤防信息及巡检信息等），所有安装了变压器防盗单元的变压器可在一张电子地图界面上显示，而且在图标上同时显示变压器安装的具体位置，负责人的手机号码与姓名，系统监控主界面能够导入当地的电子地图，每个防盗器的位置能在电子地图上进行标注。一旦接收到报警，以高亮显示，并驱动监控室内的报警喇叭，使警情及时得到判别及处理，实现技防与人防有机结合。

基于GSM的配电变压器防盗报警系统以ATMEGA16十六位单片机为主要控制芯片，由一台GSM/GPRS接收机主机、一台手机（连接用户）和一个超声波发收器组成。移动通信模块通过RS－232接口与单片机相联，构成监控中心，放在变电站室内，电力线或变压器一旦被盗、三相断线或停电，监测报警装置立即探知，并将报警信息通过GSM/GPRS短信方式向用户手机报警。值班领导得到报警信息后后立即派管理维护人员到现场查验情况，处理有关问题。

图3 系统总体框图

系统组成框图如图3所示。由图3可知整个装置由两部分构成:一部分是位于变电站内的装置，对变压器的电压电流进行实时监测、对变压器箱体进行超声波检测，并将检测到的信号进行处理判断，最后将信息以GSM/GPRS通信方式发射信号给用户，并能接收到用户通过手机发射出的信号后对其进行相应的准确的响应;另一部分就是用户随身携带的手机，将信号及时准确显示给用户。

4 系统工作原理及特点

在软件初始化完成后，利用超声波对变压器和传感器之间进行测距。这个距离是相对的，不需要达到毫米级精度，这对传感器的安装降低了要求。同时，所测的这个距离也为对变压器产生异常位移的检测提供了基准。在测量完相对距离后，系统进入定时测量电源电压工作状态。这个过程采用定时500ms的间隔实时检测。一旦失压便通过GSM/GPRS模块对管理人员发送失压报警信息。当系统检测到变压器失压时，即启动超声波测距模块。这样更能可靠地检测出变压器是否存在异常移动，并将此时所测的距离与开机时所测的距离相比，一旦差值较大便发出报警短信。这样更能可靠地判断出变压器是否被异常移动。

在变压器被切断电源的同时，该系统也进入了电池供电的状态。为节约电池电量的消耗，超声波传感器的检测采用1秒的间隔进行检测。同时，对电压电流检测芯片的数据进行计算后的参数，也不通过ISP进行读取，而是只检测超声波芯片对外输出的步进电机脉冲信号。当收到脉冲信号时，即变压器电源接通。这时通过ISP接口验证电压是否正常，并向管理人员发送电源电压恢复的警示信息。若还不能检测到电压信号，将启动超声波检测，检测是否发生变压器移位，若存在，则发送报警信号，若不存在移位，则发生变压器可能故障的信号。

5 结论

将GSM/GPRS通信技术的SMS业务和超声波位移测量技术引入到变压器监测及防盗装置设计中，设计了一种实用的10kV变压器监测及防盗装置，解决了户外10kV配电变压器难于管理、难于防盗的问题。也为类似的产品设计提供了新颖的设计思路。

本课题制作的10kV变压器监测及防盗装置已经成功通过重庆市电力公司的科技项目验收委员会专家的审评，有效解决了农村偏远地区10kV变压器的防盗问题。目前，已有多台装置在重庆市电力公司下属的多个农村供电所推广使用。该课题所完成的原始装置已经成功获得国家实用新型专利授权1项，并获得全国电力职工技术创新成果三等奖一项。

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［3］ 上官甲天，薛军，王智伟，等.智能型配电变压器防盗报警系统设计［J］.中国农村水利水电，2009，（3）.

［4］ 王建新，屈万民.GJFD-1型变压器防盗报警系统［J］.电气设备，2008，（9）.

［5］ 王辉，鲍长庚.电力设施防盗信息系统的研发［J］.上海电力，2010，（1）.

［6］ 崔爱国，刘永军.GSM电力线路及变压器防盗报警系统［J］.农村电气化，2008，（5）.

［7］ 张军.AVR单片机应用系统开发典型实例［M］.北京:中国电力出版社，2007.

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［12］ 李春.农村配电变压器防盗分析［J］.大众用电，2009，（9）.

A Transformer Monitoring and Anti-Theft Device Based on Ultrasonic and GSM/GPRS

GU Bo，XUE Wei，LI Yang
（Jiangbei Power Supply Bureau of Chongqing Electric Power Corporation，Chongqing 401147，China）

In order to improve the anti-theft situation of outdoor transformers，this essay introduces a late-model 10 kV transformer monitoring and anti-theft device with self-owned intellectual property right based on ultrasonic and GSM/GPRS，which has been put to use in many rural power substations subordinate to Chongqing Electric Power Corporation.

transformer;ultrasonic;GSM/GPRS;SCM

TM421

A

1008-8032（2011）01-0070-02

2010-11-12

顾 博（1981－），助理工程师，研究方向:配电网运行监测及供用电技术的创新和应用。

重庆市电力公司江北供电局自控项目（2008渝电科技46#-7-2）。该项目获2010年全国电力职工技术创新成果三等奖。