基于LabVIEW的变压器运输在线监测系统设计

2019-01-07熊树生徐宏飞姜振军周彩玲

现代机械 2018年6期

吕安，熊树生，徐宏飞，姜振军，罗源，周彩玲

(1.黄山派尼尔科技发展有限公司，安徽黄山245000；2.浙江大学能源工程学院，浙江杭州310027；3.浙江江山变压器股份有限公司，浙江江山324100；4.浙江大学工程师学院，浙江杭州310015)

0 引言

电力对人们日常生活有着极其重要的作用。将电能从发电站传输到每家每户的过程中，为了降低能量损耗往往采用高压电线传输的方式，同时需通过变压器将高压电能降压为常压(220V)电能，因此变压器是电力系统中不可或缺的重要电器之一。而变压器在运输过程中必然受到道路颠簸和环境的影响，如果保护措施不当则可能导致变压器元器件发生结构损伤变形或绝缘部分受潮导致短路，进而使变压器寿命减少甚至元器件被烧毁或损坏[1]。这不仅会影响供电系统的布置，延长电网建设时间，而且将增加额外的经济损失。且生产厂家与用户较难从传统的变压器运输在线监测系统中了解变压器的当前地理位置、行驶速度、环境温度和湿度、三相电压、低压回路电流等的详细信息[2]。

为了时刻监测变压器在运输过程中的状态并处理突发状况，本文针对本项目涉及的大型变压器的运输现状[3]，结合行驶速度、冲击加速度、油温、电压电流等参数，开发了基于LabVIEW平台的物联网技术、TCP传输技术、共享变量技术等为一体的变压器在线监测系统。

1 在线监测系统构成

对比分析了现存的几类大型变压器运输监测方案，结合本项目的具体情况，确定了以下方案：本系统主要由控制台、通讯服务器、手机服务器、本地操作工具四部分构成，系统整体结构如图1。系统的前台包括显示界面和手机终端上的实时数据显示、历史数据查询和报警信息显示以及设置报警阈值，后台包括各部分连接和监权、数据采集解析、实时报警和数据库存储等。

图1 系统结构组成

变压器终端需要监测的状态参数包括：本体油温、油压、环境温湿度、本体三轴加速度、芯体接地电流、低压回路电流和三相电压，运输车辆需要监测的信息包括车辆当前地理位置、车辆行驶速度。通过传感器采集上述信息，经由变送器汇总并转化为4-20A电流信息，在就地存储备份的同时通过TCP协议打包远程传输至通讯服务器。变压器终端还通过北斗定位技术将车辆实施地理位置信息反馈至远端通讯服务器，保证了地理位置无死角定位。为时刻监测变压器终端是否工作，控制终端每分钟向服务器发送一次单字节的心跳包，确保终端的变送器仍在正常工作。

通讯服务器对于首次登入的运输终端进行监权，识别与数据库中的终端识别码是否匹配，建立连接。而后通过TCP协议以轮巡的方式采集多个终端的数据并上传至控制台，其中采集的数据包括周期数据(温度、地理位置、电压电流等)和报警数据(周期数据超过报警阈值时发送报警信息)。在连接过程中，每隔一分钟接收一次运输监测终端上传的心跳包，根据心跳包的有无判断故障所在。服务器的端口通过控制台进行配置。

本地操作工具用于本地拷贝和擦除终端数据等。测试电脑在安装本地操作工具后，通过RS232串口直接与变压器终端相连。工作时采用指令/应答的方式，命令帧与应答帧一一对应，所有通讯通过打包的方式传递。利用LabVIEW中功能强大的VISA(vitual in strument software architecture)的各种模块实现数据的转移[4]。在用户名密码登陆成功后，可实现拷贝数据、擦除终端数据、配置连接端口以及设置报警阈值的功能。显示界面如图2。

图2 本地操作工具显示界面

控制台接收通讯服务器传来的TCP协议格式打包的数据，将其过滤解析后通过OBD组件存储至数据库并通过web发布到Internet上，同时将数据转为共享变量以供手机服务器调用。控制台将提供查询历史数据、滚动显示实时数据、显示报警信息、显示当前连接终端数和设置报警阈值等功能。当接收到报警信息时，控制台会将信息通过短信猫发送至用户手机，并优先通过手机服务器下发至每个手机终端。

手机服务器通过TCP协议管理多个手机终端。同通讯服务器一样，对首次登录的手机终端进行监权，成功连接后，通过轮巡的方式依次接收每个手机终端的请求数据包，按照事先约定的TCP协议中不同命令请求发送相应的应答数据包。手机终端可实现功能包括查询历史数据、显示实时数据、显示报警信息以及修改报警阈值等。

2 LabVIEW平台介绍

本系统是借助LabVIEW平台搭建的在线监测系统。LabVIEW是由美国国家仪器公司(NI)开发的一款适用于多操作系统的基于图形程序的虚拟仪器仪表开发平台，应用范围覆盖了工业自动化、测试测量、嵌入式应用、计算机仿真等众多领域[5]。LabVIEW的程序由前面板和程序框图组成。前面板集合了用户输入和显示控件，相当于传统仪器的面板；程序框图中用功能模块和适当的连线构成控制流程图，其中每个功能模块均为封装好的子程序(子VI)，即图形化代码。程序的执行顺序依据数据流走向决定，从而控制前面板中的对象[6]。

2.1 基于LabVIEW的TCP协议

如同人的语言，计算机之间必须使用相同的通讯协议才能进行通信，共同遵守一组通信标准，才能在网络中互通信息。我们日常使用的因特网正是基于TCP/IP协议所建立的，是目前使用最为广泛的协议。

TCP采用网络服务器和客户端的方式进行通信。服务器主要负责发送数据至多个客户端或者从多个客户端读取数据，同样，客户端可以向所对应的服务器发送请求并获取所需数据。服务器与客户端传输是双向的，区别在于服务器可同时连接多个客户端。

TCP协议的通信过程为：服务器端必须首先通过指定IP地址以及端口名建立侦听，等待客户端响应连接；然后客户端向对应的服务器所设定的IP地址和端口发出连接请求；待服务器与客户端成功建立连接后，双方方可通过读写函数控件收发数据，完成数据传输时，需先从客户端断开连接后服务器才能断开连接。

本系统中的手机服务器与通讯服务器将通过TCP协议进行对外通讯。所使用的TCP协议规定的数据包格式如下：

一个完整的数据包应由起始符、命令单元、识别码、数据加密方式、数据单元长度、数据单元和校验码组成，数据包结构和定义见表1所示。除数据单元长度可变，剩余部分固定为24字节。多字节构成的数据，统一按照高字节在后，低字节在前的顺序编码和取用。

2.2 基于LabVIEW的网络发布

系统运行过程中，需要将数据呈现给变压器厂商以及客户，除了通过手机客户端的方式，还可以将程序发布到Internet上。在服务器进行外网发布系统并打开控制台程序的情况下，用户可在指定网站登入后，看到显示界面并获得其控制权。

表1 数据包结构和定义

WEB发布的流程包括：启用LabVIEW选项中远程前面板服务器，配置根目录、TCP/IP端口、使用记录文件、浏览器访问控制权等；再通过Web发布工具配置内嵌模式、网页说明内容、URL网址内容等，到此步完成内网发布步骤；通过netsh命令实现端口映射，使服务器上固定外网IP端口转接到内网IP指定端口，实现在任意电脑上输入用外网IP替换内网IP后的URL指定网址即可访问显示界面。

3 在线监测系统设计

由于篇幅限制，本文着重介绍在线监测系统的数据传输模块和数据解析处理模块两部分。数据传输模块主要在通讯服务器与手机服务器中得以体现。而数据解析处理模块以控制中心处理数据为例。

3.1 数据传输模块

通讯服务器的数据流主要从变压器终端流向通讯服务器，相比于手机服务器的协议内容较少。因此本文以手机服务器为例，更好地描述该模块。

第一章系统结构介绍中有提到手机服务器的功能，主要是监权、根据手机端的请求包做出应答、接收并下发报警数据。手机服务器的软件流程图如图3，包括初始化、状态确认、接收上行数据、发送下行数据、下发报警数据和停止六个部分。

图3 手机服务器流程图

初始化中设定TCP端口并建立监听以及初始化状态参数；根据停止键是否按下进入状态确认或是停止部分；状态确认中需要把监听到的新手机端加入现有手机客户端数组，若有连接的手机端则进入收发数据部分，否则返回判断是否按下停止键；收发数据根据数据流可划分接收手机端的请求数据、向手机端发送应答数据以及直接下发实时数据和报警数据。根据TCP协议规定，手机端发送的请求数据包一次包含一种命令，可发送的命令包括登入、登出、查询历史数据和修改报警限值。

3.2 数据解析处理模块

在接收外部传来的TCP数据包后，应该在保证数据包格式正确的情况下，对数据包进行解析处理以获得所需数据。数据包格式错误表明本次数据发生偶然性错误或是该连接本身发生错误，系统将丢弃该帧数据或严重时将直接断开该连接并且报错。本节以控制中心的数据解析处理为例，如图4。当控制中心接收到终端的TCP数据包时，需要进行转义处理来过滤解包、异或校验判断数据包完整性，而后截取状态参数部分，根据TCP协议倒推计算出状态参数具体数值，判断该数值是否在报警阈值内，若是，将正常显示该数值、存入数据库并赋值给共享变量；否则将依据实际情况显示报警信息并下发至手机服务器。解析过程封装在数据解析小程序中，由主程序调用，如图5。用户在安装LABVIEW或者安装插件LABVIEW run-time engine之后，即可通过IE浏览器访问服务器发布的显示界面网页。部分网页如图6所示，可直观地看到当前运行的终端数量、地理位置、报警信息以及指定终端的状态参数。此外，该网页功能还包括通过设定时间范围查询显示指定终端的历史数据、以表格形式滚动更新当前数据、修改状态参数的报警上下限值。