农村野外变压器风冷系统自动节能及远程监控系统设计

赵方等

摘要：针对当前农村野外变压器采用模拟温度传感器测温，利用有线传输优化远程监控存在的电路复杂、数据错误率高、传输距离有限以及风冷系统普遍不具备节能功能等不足，设计了以MSP430单片机和DS18B20数字温度传感器为主要控制器件，以变压器油面温度和变压器负荷结合作为控制标准，采用模糊控制算法对变压器的风冷系统实现了自动节能控制。利用GSM网络，将变压器的温度、风机及温度传感器等的运行情况以短信息的形式实时传送至管理员手机和监控中心上位机，实现了农村野外变压器温度的远程集中监控及自动节能。测试结果表明，该系统能使变压器温度在不同负荷、不同环境温度下，保持在一个相对稳定的范围内，利于延长变压器和风机的寿命和安全运行，方便农村野外变压器的集中管理。

关键词：DS18B20数字温度传感器；MSP430单片机；GSM远程监控；节能

中图分类号：TM403.9 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）17-4304-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.17.052

目前，油浸式变压器容量大于8 000 kVA的都采用风冷装置，容量在63 MVA以上的变压器一般均采用强油风冷或强油水冷的冷却方式[1]。引起变压器运行温度变化的原因主要有变压器的损耗和环境气温的影响，由于油浸式变压器易燃、不防火，因此对于油浸式变压器的温度控制至关重要。变压器的风冷控制设备大都采用传统的继电器控制模式，通过温度控制器机械触点的开闭来控制交流接触器的线圈，从而接通风机的工作回路。这种模式线路复杂、器件故障率高，并且变压器风冷系统的工作情况主要靠值班员的不断巡视来检测，尤其对于农村野外农用变压器的管理则需要花费大量的人力资源。

为方便农村野外分散在不同地区变压器的集中管理，设计了基于GSM网络的变压器风冷系统的节能及集中管理控制系统。该系统采用MSP430单片机作为控制核心，控制器功耗低、处理速度快、抗干扰能力强，能适应复杂的电磁环境。风冷自动控制系统中温度的检测是很重要的环节，设计采用单总线结构的数字温度传感器DS18B20对油浸式变压器上层油面的温度进行测量，目前变压器的集中监控都是通过无线发射模块或RS-485通讯或光纤传输等方式进行数据远传的，变电站电磁干扰很强，所以传统的远程传输方式容易引起数据错误或丢失。设计采用TC35i GSM通信模块，不需要增加额外的线路就可以实时将现场温度信息经由GSM无线通信网络以短信息的形式发送到管理员手机和监控中心上位机，管理员不需要巡视就可实时掌握自己管辖范围内的每台变压器的风冷系统的工作情况，而且GSM网络传输距离不受限制，实现了农村野外分散使用的变压器风冷系统的远程集中监控，有效地延长了变压器及其风冷系统的寿命。

1 整体设计

该系统设计的油浸式变压器温度自动控制及远程监控系统由3部分组成：一是以MSP430单片机和数字温度传感器DS18B20为核心的控制终端，设计了针对6个风机的风冷变压器，具有6个上层油面温度取样点，6个DS18B20可以挂在一条总线上，测量电路结构简单、方便，能够完成温度的实时检测。风机控制电路控制风机的自动启/停，还有温度显示、温度设定、故障报警等功能。二是以TC35i通讯模块和GSM网络为核心的变压器温度信息及风机的运行状态信息的远程传输系统，完成对变压器温度、风机运行状态等信息的远程传输功能。三是用户手机终端和监控中心上位机终端，用以接收控制终端的实时信息，从而实现对所管理的变压器风冷系统的远程实时监控。系统整体设计框图如图1所示。

2 硬件设计

2.1 控制器的选择

变压器工作环境比较复杂、电磁干扰强，主控制器选择TI公司的MSP430单片机，该单片机具有超低功耗、工作速度快、工作电压低、抗干扰能力极强[2，3]。MSP430单片机最小系统由电源电路、时钟电路和复位电路组成，电源电路采用二极管全波整流、滤波和固定稳压电路和可调稳压电路组成，可得到系统需要的各种等级的直流电压。复位电路采用专用复位芯片IMP809以保证可靠复位，时钟采用高频晶振电路。

2.2 温度检测电路的设计

目前，变压器油浸测温方式大都是对变压器的顶层油温通过铂电阻测量，电阻信号通过变送电路转换成4～20 mA电流信号经A/D转换后送入单片机，这种通过远距离传输后进行A/D转换的方式，测量误差大、抗干扰能力弱。本研究采用了DALLAS公司的数字温度传感器DS18B20，参考ZDGC 1103《110（66）～500 kV油浸式变压器（电抗器）运行规范》采用强迫风冷方式的变压器最高顶层油温的允许极限温度为85 ℃，而DS18B20的测温范围是55～125 ℃，完全可以满足测温要求。该传感器共3个引脚——地信号、数据输入/输出引脚和可选择的VDD引脚，具有低功耗、微型化、高性能、抗干扰性强等优点，其独特的单总线接口方式，只需一个引脚即可通信，大大简化了电路。工作电压范围为3.0～5.5 V，可用数据线供电，不需要额外电源接入。每一个DS18B20都有一个惟一的64位ROM序列码，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温且不增加额外电路；通过编程可设置分辨率为9～12位，温度分辨率可达0.062 5 ℃，完全可以满足精度要求。测量结果直接以数字信号形式输出，具有很强的抗干扰纠错能力，还可方便于远程传输。

温度控制器一般在变压器的工作现场，本设计采用DS18B20本身的数据线供电以简化电路。系统共设计了6个变压器上层油温的取样点，6个油温取样点的温度传感器挂在一条数据线上，通过单片机的P2.2口送给单片机处理，单片机根据每个DS18B20的ROM序列码查询是哪个取样点的温度。温度检测电路如图2所示。

2.3 键盘、显示、时钟及报警控制电路endprint

显示及按键控制电路的功能是在主控电路的控制下，设定变压器的温度、显示变压器的温度及风机的运行状况等信息。该设计采用独立式键盘，共设置了4个按键：设置键、加键、减键以及确认键，通过键盘的加键、减键设定变压器在不同时间所允许的上层油面的温度。系统选用LCD12864作为显示器件，以实时显示变压器的温度以及风机的运行情况和各种报警信息，LCD12864具有低电压、低功耗、显示程序和硬件电路结构简单等特点。

系统时钟采用美国DALLAS公司的DS1302时钟芯片，该芯片具有低功耗、高性能、价格低廉、使用方便等特点，该芯片自带RAM可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，系统时钟的功能是作为整个控制系统的时钟，以记忆故障具体时间等[3]。系统的报警电路采用声光报警，设有超温报警和风机故障报警等，通过声光报警及时提醒管理人员及时做出处理。这些功能分别占据了MSP430的P1、P2、P4、P5部分I/O端口，其电路图如图3所示。

2.4 GSM通讯电路

选用TC35i通讯模块，TC35i是西门子工业GSM模块，支持中文短信息，TC35i由供电模块、闪存、ZIF连接器、天线接口、射频模块等5部分组成，通过接口连接器和天线连接器分别连接SIM卡读卡器和天线。TC35i的数据接口（CMOS电平）通过AT命令可双向传输指令和数据，支持Text和PDU格式的短消息（Short message service，SMS），可通过AT命令或关断信号实现重启和故障恢复[4，5]。

TC35i模块共有40个引脚，通过一个零阻力插座（Zero Insertion Force，ZIF）连接器引出，与单片机以及PC机的连接电路图如图4所示，TC35i和单片机之间通过串口P3.6和P3.7连接，由于TC35i的数据接口是CMOS电平，MSP430单片机的I/O口是TTL电平，因此在MSP430单片机驱动TC35i时在电路中加了集电极开路的高压驱动器7407以提供足够大的电流[6-9]。

GSM模块与监控中心计算机的连接采用串口完成。GSM模块供电电源采用PC机内部的5 V电源，不用外接电源，方便简单。PC机与GSM模块的通信仅利用了串行口的RXD、TXD和地线三线制完成，串口的DTR和RTS和模块的控制接口连接，从而既降低了系统的复杂程度[6，7]，也方便于实现PC机和GSM收发模块的数据交换，降低了系统成本，提高了系统的灵活性。单片机检测到的温度信息，通过驱动TC35i使之与所连接的SIM卡1发送至管理员手机和上位机管理中心计算机（连接SIM卡2），从而实现了利用免费的GSM网络对变压器的温度进行远程监控和实时监控（即随身携带的手机），实现了双重保险。

3 算法及软件系统设计

3.1 测温算法及指标

变压器油的顶层油温由DS18B20传感器测得，绕组温度通过对线圈电流采样、A/D转换后计算送到控制器的P2.3端口，变压器温度的计算公式如下：

示值温度=油温（传感器温度）+绕组温度

其中，绕组温度=20 ℃×i2，i为绕组电流，绕组电流由电流传感器测得，绕组电流范围是0～2 A，对应的线圈温度范围是0～80 ℃。

性能指标：①温度测量范围为0～100 ℃，绕组电流对应的温度范围0～80 ℃。②分辨力：温度传感器0.062 5 ℃，绕组电流对应温度0.75 ℃。③精度：温度传感器±0.5 ℃，线圈电流对应温度±2.0 ℃。

3.2 控制算法及软件流程图

本设计根据实际情况把油浸式变压器的风冷系统的6个风机分成3组，温度划分为4个区间，当温度低于45 ℃时，全部风机不工作；当温度达到45 ℃时，启动1组风机工作；当温度达到55 ℃时，启动2组风机工作；当温度达到65 ℃时，启动3组风机工作；当油温下降到65、55、45 ℃时，分别切除1组、2组、3组风机，当温度超过75 ℃时报警，同时将报警信息及时传送到上位机监控中心，据此采用模糊控制算法设计软件程序。同时单片机记录每组风机的运行时间，运行时间长的风机在被测温度低时停止工作，以保证各组风机运行时间相等，避免其中一组风机工作时间过长提前损坏，并且掉电后数据会自动保存以保证记录的风机运行时间不丢失，也实现了风机的节能运行。

以单片机为核心的控制终端程序设计主要包括主程序和各个子程序，主程序主要完成对MSP430单片机各个端口进行初始化设置，子程序有显示子程序、键盘子程序、故障报警子程序、GSM无线通讯子程序、温度控制子程序等。

其主程序流程图和温度控制子程序流程图如图5和图6所示。

3.3 上位机监控软件设计

上位机监控软件采用VC++作为开发语言，上位机监控软件系统中设有系统配置、帮助、远程温度设定、故障显示、查询等功能。系统配置中可以设置通讯端口号、波特率等参数。通过配置GSM模块TC35i的工作模式使其与上位机之间实现信息的交互，软件中还设有数据库，管理员可随时查看每个变压器温度的实时信息及历史信息。上位机监控界面如图7所示。

本软件在测试中监控了野外两台变压器，可以通过软件系统菜单中的添加功能添加更多的被监控变压器。

4 样机试验情况

本设计做出了试验样机，并在某村进行了试运行，结果表明，当油温低于45 ℃时，无风机运行，当油温在45～55 ℃时，一组风机投入运行；当油温在55～65 ℃时，两组风机投入运行；当油温在65～75 ℃时，三组风机投入运行；超过75 ℃时发出报警信号，手机和上位机均收到了详细的报警信息，并按照三组风机的累计运行时间自动进行循环切换。装置运行情况良好，达到了预期的目的。

5 小结

该系统实现了变压器温度的精确测量和风机灵活多样的节能控制方式，有效延长了变压器和控制风机的使用寿命。通过GSM网络将各种信息上传至监控中心和管理员手机，实现了变压器温度的远程监控，管理员可以实时监控管辖范围内的变压器温度，降低了不必要的损失。另外，该系统组网方便，低成本的无线网络的使用避免了远距离布线带来的不便，全部系统可以方便地应用到不同的变电站、农村野外变压器的集中管理等方面，具有良好的人机接口，在配、变电中，尤其是在农村野外农用变压器的监控中具有广泛的应用前景和推广价值。

参考文献：

[1] 巫付专，吴必瑞，牟政忠.基于MSP430和光纤传输的变压器温度检测系统[J].变压器，2009，43（6）：53-54.

[2] 沈建华，杨艳琴.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[3] 赵 方，吴必瑞，卢青波.基于MSP430F149的温室大棚温度远程监控系统[J].农机化研究，2012，34（5）：182-183.

[4] 周国祥，周 俊，苗玉彬，等.基于GSM的数字农业远程监控系统研究与应用[J].农业工程学，2005，19（6）：88-89.

[5] 朱向庆，陈志雄.远程分布式温湿度实时监测系统设计[J].计算机测量与控制，2010，18（1）：57.

[6] 张占龙，胡 平，王 科，等.基于GSM的电力线路故障监测系统[J].电测与仪表，2009，46（7）：38-39.

[7] 侯俊才，胡耀华，侯莉侠，等.数字式粮仓温湿度检测系统设计[J].农机化研究，2012，34（9）：105-106.

[8] 徐 振，时维铎，王 健，等.粮仓远程多通道测温系统的设计[J].湖北农业科学，2013，52（7）：1676-1679.

[9] 上官甲天，薛 军，王智伟.智能型配电变压器防盗报警系统的设计[J].中国农村水利水电，2009（3）：131-133.endprint