基于物联网的变压器远程监测系统开发

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(浙江大学 能源工程学院，浙江 杭州 310027)

0 引言

我国工业的快速发展，使得现代的电力系统向着大电网、大容量、高电压的方向转变，越来越多的电气设备被使用，因此保证电力系统的安全运行，对整个国民经济的稳定和发展至关重要[1]。在各种电气设备中，变压器作为电力系统中的一种关键设备[2]，它主要是完成电压、电流的转换工作，其运行故障不仅会影响供电的可靠性，并且严重威胁到电力系统的运行安全[4]。

物联网近年来得到了飞速发展，各行各业都可以见到物联网的身影[3]。在变压器行业也依然必不可少。利用物联网技术实现对变压器的状态参数进行实时的监测，会大大降低变压器的故障概率[5]。倘若变压器物联网远程监测系统得到广泛应用，将能有效整合通信基础设施资源和电力系统基础设施资源，进一步实现节能减排，提升电网信息化、自动化、互动化水平，提高电网运行能力和服务质量[6]。

1 系统整体设计

变压器远程监测物联网系统包括监控信息采集传感器、现场信息分析整合系统、远程信息发送及接收终端、网络服务器、信息处理中心客户端五部分。系统通过传感器获取变压器运行参数，本次试验主要检测变压器的冷却油面温度、压力、电压等，传感器测得信号会实时发送到信息整合系统，信息整合系统通过A/D转换，将各传感器获得的模拟监测信号转换为数字信号，并通过特定的处理策略，将监测信号转换为特定的协议，本套系统所监测到的信号满足RS485通信协议，定时汇总到远程信息发送及接收终端。远程发送终端将监控信息通过打包成通用协议格式，发送到远端的网络服务器，由服务器进行信息的存储和调度。信息处理中心通过网络客户端连接网络服务器，获取监测信息，并对远端的变压器进行实时监控。变压器远程监测物联网系统的整体设计如图1所示。

图1 系统整体设计

2 系统硬件设计

变压器远程监测物联网系统的硬件设计如图2所示，主要包括温度传感器、压力传感器、电压传感器等不同类型传感器，嵌入式系统、DTU设备以及物联网平台。

温度传感器主要是用于变压器的油温测试，变压器的油温是变压器是否处在正常工作状态的一个非常重要的参数。压力传感器主要用来监测变压器内部的压力是否正常。电压传感器主要是用于对变压器的局部放电进行监测。

图2 系统硬件设计

嵌入式系统主要是STM-32为处理器，同时搭载的外围部件AD采集芯片、NAND FLASH模块、ADXL312模块、GPS模块、RS485通信模块等，从而实现对传感器信号的采集、处理、保存、传输等功能。

DTU设备的主要功能是实现读取嵌入式系统传输的RS485信号，并以GPRS的形式将信号传给物联网系统。DTU设备的组成如图3所示。

图3 DTU设备组成

3 系统软件设计

本次的变压器远程监测的软件设计主要实现上电后进入查询状态，等待间隔层IED下发来的采集命令，接收到采集指令后，DSP就按一定的数据规约形式给传感器下发读取指令，并开始接收传感器的返回值，直到接收到这一帧数据的结束符为止。之后通过返回数据的校验位进行CRC校验，判断是否读取成功。读取成功后，去掉数据头和控制字、命令字等，仅将数据重新打包，并按与IED进行RS485通信的规约形式给IED返回之前IED下发的读取命令的返回值。其软件流程图如图4。

图4 软件设计流程图

4 系统的试验验证

在完成了整个系统的设计之后，更为重要的就是对系统的准确性和实时性进行试验验证。

4.1 试验设备

本次试验的设备包括PT100温度传感器、铜-康铜热电偶、压力传感器、电压传感器、指针式温控器、信号检测仪、海高斯HL300DTU设备、恒温油槽、毫伏计、温度计、220V电源、24V直流电源、变压器、普通电缆若干、屏蔽电缆若干等。

4.2 试验测试

4.2.1 热电偶的标定

热电偶的温差电动势主要取决于所选用的材料和两个端点的温度，而材料中所含的杂质和加工工艺过程也会对它产生一定的影响。因而，即使都是由同样的两种材料组成的热电偶，它们的温差电动势与温度的关系也可能有差别[7]。所以对于每一支焊好的热电偶，必须标定其热电势与温度的对应关系方可用于互换和对比测定。实验室通常采用比较法和固定温度点法进行标定[8]。

图5 恒温油槽

固定参考点的温度与恒定的温度源在本实验室获得较为容易，因此本实验采用固定温度法标定热电偶。具体操作将热电偶置于恒温油槽图5中，通过标准温度计测得油槽实际温度，以及通过毫伏计读出热电偶中的电势。标定数据进行整理后如图6所示，而通过最小二乘法进行拟合的函数如表1所示。

图6 热电偶标定曲线

表1 拟合函数

4.2.2 试验设备的安装与调试

首先将PT100热电阻传感器和指针式温控器连接在一起，再通过电缆线把指针式温控器和信号检测仪连接在一起，在信号检测仪的485信号输出端用屏蔽电缆线连接海高斯HL300DTU设备，屏蔽电缆线的目的主要是防止信号的干扰，以确保测试的准确性。同时，在温度显示仪的端口接出一个220V的电源线，连接电源。同理，连接好其他的传感器。所有的传感器的信号都集中到信号检测仪之后，再用电缆线连接信号检测仪的RS485信号端口和DTU设备。这样就完成了设备的连接工作，检查无误后就可以进行检测了。

4.2.3 试验过程

温度的检测：

1)插上电源以及将海高斯HL300DTU设备通电，并调试海高斯HL300DTU设备通电，确保DTU设备与中国电信以及网络服务器三者之间保证信号的通畅。

2)将温度传感器放到冰水中去，读出此时温度显示仪所显示的温度T1，以及读出在信息处理中心客户端(计算机)上所看到温度T2。同时，再用已经标定的热电偶传感器去测冰水的温度T0，并把该温度作为标准温度来检验系统的准确性。

3)再将冰水换成常温的水，再次测得一组数据T0、T1、T2。

4)将常温的水换成高温沸水，再测得另一组数据。

压力的检测：

1)打开24V直流电源，确保压力传感器得到供电。

2)将压力传感器放在空气中，也就是输入压力为一个大气压P0。此时观察信号检测仪上所显示的数据P1以及读出在信息处理中心客户端(计算机)上所看到的数据P2。

3)再把压力传感器放到半个大气压的环境中，读取P1，P2的值。

4)在断开电源读取P1，P2的值。

电压的检测：

1)设备连接完毕后，首先直接在传感器的输入端接上U0为220V的交流电，然后读取此时信号检测仪上的电压值U1以及信息处理中心客户端(计算机)上的电压值U2。

2)用变压器把输入电压U0调到110V然后读取U1和U2。

3)在没有电压输入的情况下也就是U0为0的情况下读取U1和U2。

4.3 数据处理与分析

通过试验测试，对于温度的测试数据如表2所示。

表2 温度检测表

根据所测的三组数据，可以看出来，T1的值和T2的值始终保持一致，这说明通过热电阻所测的温度信号可以通过该变压器远程监测物联网系统准确的传送到客户的计算机中，从而对变压器的状态很方便的进行远程监测，同理，我们也可以推断，变压器其他的状态参数也可以得到很准确的远程监测。在以上数据中，我们还可以看出Δ=T0-T1，±Δ小于0.2，该设备测得的油温与实际值之间误差较小，说明该系统的测量精度较高，满足监测要求。

表3 压力检测表

从上表3看出，P1和P2始终保持一致，更进一步的验证了该变压器远程监测物联网系统可以实时准确的对变压的参数进行远程监控。同时Δ=P0-P1，±Δ小于0.3，表明该检测设备的精确度较高，可以较为准备的测量出变压器的压力参数。

表4 电压检测表

通过表4交流电压的检测又进一步验证了以上观点，该变压器远程监测物联网系统同时也可以对变压器的交流电压进行一个远程准确的实时监控。

5 结论

为了实现对变压器的物理状态进行远程的实时监控，本文利用物联网技术设计出了一套基于物联网的变压器远程监测系统，介绍了系统的整体设计，分别对硬件和软件设计做了介绍，并且同时通过试验对系统的准确性、实时性进行了分析，通过试验也表明：1)该变压器远程监测物联网系统可以实现对变压器各种参数的远程监测，同时在信息处理中心客户端所看到的数据与传感器所测得的数据保持一致。2)该变压器远程监测物联网系统所监测的数据与真实数据相比误差小，精度高，可以满足监测的要求。

[1] 张清.基于模糊支持向量机的变压器远程故障诊断研究[D].北京：北京交通大学，2011.

[2] 玄兆燕，王凯良，吴卓繁.基于物联网的矿井通风机远程监测系统设计[J].工矿自动化，2017，43(1)：81-84.

[3] 王德玉.基于物联网的电梯状态远程监测与控制系统设计与实现[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2016.

[4] 赵建峰，王巍.基于物联网技术的车辆超载远程监测系统设计与实现[J].公路，2017，62(10)：251-257.

[5] 张莉敏，冯英伟.基于物联网技术的智能电源监测系统研究[J].电源技术，2017，41(6)：940-942.

[6] 李萍萍，陈美镇，王纪章，等.温室物联网测控管理系统开发与数据同步研究[J].农业机械学报，2015，46(8)：224-231.

[7] 宋小勇.园艺产品真空预冷过程温度检测与品质变化研究[D].上海：上海交通大学，2011.

[8] 孙志强，周孑民，张宏建.热电偶测温系统的不确定度评定与分析[J].传感技术学报，2007，(5)：1061-1063.