基于物联网技术的变压器故障预警及健康诊断系统研究

陈淑春，刘大永，胡宝玲

（河北软件职业技术学院，河北保定，071001）

1 基于物联网技术的变压器故障预警及健康诊断系统总体架构分析

在基于物联网技术的变压器故障预警及健康诊断系统中，其架构主要包括三层，分别是感知层、网络层以及应用层。在该系统中，感知层会利用传感器来对温度、湿度等信息进行检测，然后将这些检测到的信息发送至单片机处理，单片机则会利用通信模块把处理后的变压器状态信息传输至网络层中，从而使供电企业能够利用计算机等终端设备来实时查看这些变压器状态信息。

2 基于物联网技术的变压器故障预警及健康诊断系统硬件部分设计

2.1 感知层中的硬件设计

在基于物联网技术的变压器故障预警及健康诊断系统中，其功能实现的基础便是感知层，为了确保能够进行数据检测与传输，需要在感知层中应用到传感器、通信模块与单片机。

2.1.1 单片机型号选择

对于单片机来说，其功能在于信息处理，单片机中包含有时钟电路、中断电路、定时电路、网络接口、处理器、ROM、电源、RAM等。单片机在检测变压器状态数据时需要确保其检测稳定性与实时性，并且还要满足低功耗性、经济性等要求。考虑到采用51系统单片机时，其运行速度并不高，而且容易造成芯片烧毁，如果采用STM32芯片，该芯片成本低、功耗低，芯片性能也较好，不过其缺点是不能对敏捷开发进行支持。为此，在该系统中需要采用phyCORE-AM57x处理器芯片，该芯片集成了 C66 DSP 内核与ARM Cortex A15 内核，在AM57x中内置的多种加速单元，这能够使其具备敏捷开发功能，具有很强的应用性，在本系统中应用了phyCORE-AM57x处理器芯片。

2.1.2 传感器型号选择及电路设计

(1)传感器型号选择

在对变压器健康状态进行诊断时，需要分析其中一个重要的参数，即油温，而这便需要应用到温度传感器，在对温度传感器进行选型时，需要确保采用的油浸自冷式或油浸风冷式变压器，其上层油温需要控制在85℃以内。在该系统中应用了BWY-803A（TH）温度传感器，该传感器的测温范围在0℃至120℃之间，以此满足油温测量要求。为了防止变压器有人靠近，需要安装接近传感器，这样当有人或小动物接近变压器时，接近传感器便会自动发出警报，考虑到普通的接近传感器容易出现误报，所以选择的接近传感器应采用红外线检测方式，型号为ADIS16209CCCZ，该型号红外接近传感器能够在-40℃至125℃的温度范围下正常工作，而且检测距离可达到7m，检测锥角在180度左右，更重要的是其具备良好的防电磁干扰性能与感知性能，这样便可满足系统的远程监测要求。

(2)信号采集电路设计

在对基于物联网技术的变压器故障预警及健康诊断系统进行设计时，还要设计信号采集电路，以确保采集的数据能够精确、可靠，该电路需要利用外部电源来进行供电，电路中的GND、OUT、VCC引脚则和phyCORE-AM57x处理器的GND.6号数字引脚以及5V电源接口分别连接。在对接近感应电路进行设计时，其GND、OUT以及VCC三个引脚则分别连接至phyCOREAM57x处理器中的GND接口、7号数字引脚以及5 V电源接口，如果电路感应到有人体接近，则会输出1来表示有人接近，如果没有检测到人体接近，则会输出0来表示无人接近。

2.1.3 通讯模块及其电路设计

在基于物联网技术的变压器故障预警及健康诊断系统中，选择SIMCom企业所研发的SIM900A模块作为系统通讯模块，该模块不仅稳定性好，而且在功耗及成本方面也有良好的优越性。通信模块利用5V电源来进行供电，在phyCOREAM57x处理器中，其TX和RX引脚分别连接至SIM900A模块内的RX与TX引脚。此外，系统还将SIM卡插入到SIM900A模块内，以确保数据业务的正常连接，AT指令则由phyCOREAM57x处理器来执行，以确保服务器和SIM900A模块实现无线化的数据连接。

2.2 网络层中的硬件设计

应用层和感知层是利用网络层来进行连接的，网络层由服务器与通讯基站所构成，这样便可通过终端设备来进行参数采集与传输，在网络层中采用的服务器为阿里云服务器，并应用了Windows Server操作系统。

2.3 应用层中的硬件设计

在基于物联网技术的变压器故障预警及健康诊断系统中，需要将相应的监测软件安装到系统中，该系统分为手机端系统与PC端系统两种，其中PC端系统采用Windows 10，而手机端系统则采用Android 9.0，这样工作人员便可利用PC端或手机中安装的软件来实时掌握变压器的运行数据变化情况。

3 基于物联网技术的变压器故障预警及健康诊断系统软件部分设计

3.1 感知层中的软件设计

在基于物联网技术的变压器故障预警及健康诊断系统中，Arduino IDE软件采用C语言来进行集成化开发，结合变压器远端监测工作需要，确保系统软件能够实时采集与上传变压器监测信息。在对感知层中的Arduino IDE软件进行设计时，具体包括以下流程，分别是初始化、数据采集、数据整合及传输。

3.1.1 初始化及数据采集

在对单片机进行供电以后，系统会进行初始化操作，以确保AT指令在被执行后，系统能够和服务器进行TCP/IP连接，这样系统便可对红外传感器以及温度传感器所检测到的变压器状态数据进行采集，然后对这些数据进行转换后使其成为具体的数值。

3.1.2 数据整合及传输

数据整合及传输实质上是汇总传感器所检测到的数据，然后将这些数据统一传输至相应的服务器端，系统在进行数据传输之前，还要制定相应的通信协议，以确保感知层、应用层和网络层得以连接起来。在通信协议中，其包括三个组成部分，即包体、包头与检验位，其中设备识别信息是通过包头部分来完成的，各个请求数据包内的包头长度和格式都是固定的，包头指的便是标志位。在包体中则含有不同传感器所检测的各类数据，而且这些数据是转换完毕的数据，通过执行程序，能够使这些数据被统一封装至包体内。检验位则能够校验包体中含有的数据，其是采用奇校验方法来完成的。系统在整合数据及传送过程中，需要对设备的ID进行获取，然后依据通信协议来整合传感器数据，使这些数据被打包以后能够通过AT指令传输至服务器中。

3.2 网络层中的软件设计

在对基于物联网技术的变压器故障预警及健康诊断系统进行设计时，需要将Visual Studio 2019作为系统网络层的开发环境，并利用C#语言来进行系统开发，网络层能够实时采集感知层信息，并对应用层中的数据请求进行存储、转发及处理。

3.3 应用层中的软件设计

3.3.1 手机端设计

在基于物联网技术的变压器故障预警及健康诊断系统中，其手机端系统采用Android 9.0，并通过Java语言来进行软件开发，服务器端口所收到的请求数据及请求连接等指令则是利用TCP/IP协议来完成的，系统会在连接至服务器后对手机终端设备所采集的数据进行接收。

3.3.2 PC端设计

在基于物联网技术的变压器故障预警及健康诊断系统中，其PC端系统采用Windows 10，并利用Visual Studio 2019作为软件开发环境，通过C#语言来作为软件程序开发语言。PC端和手机端的连接方式是相同的，PC端软件不仅能够对变压器故障进行报警，还能对变压器的健康状况数据进行分析，并可离线存储变压器的历史健康数据。当服务器将数据包发送至PC端系统软件后，PC端会自动对这些数据包实施拆包处理，然后从包体中提取其中的红外传感器数据以及温度数据。

4 结语

通过设计一种基于物联网技术的变压器故障预警及健康诊断系统，能够使供电企业利用移动端和PC端来诊断变压器的健康状况数据，并且当变压器出现故障时还能实现自动预警，这势必能够帮助相关人员更加全面、实时的掌握变压器的运行状态，这不仅大幅缩短了变压器的巡检时间，而且也能使供电企业对变压器的巡检效率得到显著提高，