轨道交通智能变压器系统的设计

韦家正

（广西交通职业技术学院 广西壮族自治区南宁市 530023）

目前，轨道交通高速发展，作为轨道交通电力系统关键设备之一的变压器的研究相对落后，传统的变压器已经不适应智能轨道交通的需求[1]。本系统立项研究节能型智能变压器及其管控系统[2]，设计制造一种基于STM32 的变压器整机工作参数的集采及4G 云变送的装置，提出以STM32F107 单片机为控制核心，CPLD 为多路变压器油温度、状态参数的并行采集及风冷集控输出，以太网Modbus TCP 协议为变压器油气分析仪检测结果采集[3‐5]，RS485 通信总线为三相万能电表和变压器档位控制器的测量数据采集及监控，同时搭载的TLE‐615 4G 模块实现变压器工作整机参数与阿里云平台上的组态软件进行数据交换。应用网络技术，打造云平台监控系统，在实现远程智能操作的同时，可以连接大量变压器，形成变压器运行的大数据。

1 系统核心控制器结构

1.1 主控制器机构的设计

系统核心控制器结构示意如图1所示，无线智能监测控制终端设备设计变压器运行的整机参数采集和监控系统，以Nios‐II 设计功能可裁减的32 位高性能处理器软核IP 适应变压器外接各种不同的数据采集终端外设通信，以磁藕隔离的RS485 设计通信总线，控制变压器档位控制器、油色谱分析仪以及多功能电表等多种不同通信协议标准的数据定时采集及实时控制命令的推送，设计多路高精度温度采集，并以采集的温度为依据开发可根据用户设定的阀值实现变压器风冷集控系统的风力分级输出、温度超高报警输出以及故障急停信号输出。

图1：系统核心控制器结构

系统STM32F107VC 主控制器通过8 位控制总线和16 位数据总线与CPLD 并行数据采集模块进行数据交换，获取数据采集信息或输出干接点的控制信号；通过其内部集成的以太网高性能工业标准接口与油色谱在线分析系统通信获取变压器油气的分析结果；通过RS485 总线控制变压器升降档控制器的工作及读取三相万能表的数据；通过I2C 总线存取系统的测量数据；通过RS232 与4G 无线模块相连，侦听、接收、响应来自阿里云服务器上的组态控制软件的监控信息，最终实现变压器整机工作参数及油气分析结果的云变送[6‐9]。系统中的CPLD 并行数据采集模块作为变压器整机工作各项参数的主要采集处理器，负责包括变压器的油面温度、绕组温度、主体油位表状态、有载开关油位表状态、轻重瓦斯状态及风机组的工作状态等输入信号的采集以及系统各项参数的声光报警、风冷集控和压力释放阀等控制信号的输出。

1.2 4G模块的应用

4G 模块可以实现快速的数据传输，实现高速下载，抗干扰性强，能够针对无线服务的需求提供服务。此外，只要手机信号能够覆盖的地方，都可以部署4G，具有明显的优越性。基于4G 模块的无线网络处理系统，将现场主控制器采集的数据实时传输到4G 基站，通过4G 网络以流量传输控制的方式下发至现场设备。通过远程界面发布功能，使用便携式设备做为监控终端，无论身处何处，都可以实时监控工业现场。

4G模块与主控制器STM32单片机通过标准的RS232接口通信，支持AT 命令，设置工作方式和数据传输方式，选用HTTP 通信方式来实现传输数据。终端选用多线程的工作方式，接收到的数据经过转换处理以后呈现给监控人员，监控人员操作后可将控制指令回传服务器基站，传输到现场，实现对现场设备的监测管理。当现场设备数据达到报警值时，产生报警信息，报警信息及时主动向用户终端发送报警信息。

2 主控制器系统实现途径分析

主控制器发指令给油气分析设备询问是否检测结束，根据油气分析仪的应答作出是否读取油气分析结果，之后读取三相万能表数据，读取油温、系统事件状态的值。再根据读取的检测值，先后判断油温是否过高、功率输出是否过大、系统是否有异常事件发生，并以此依据做出风机档位、变压器档位的调节以及油气分析仪的启动。最后侦听数据上传指令，向阿里云数据库上传检测的结果。系统控制流程如图2所示。

图2：控制流程示意图

主控制器为变压器无线智能监测控制终端，采用检测控制终端信号采集、信息传送、控制等功能实现的技术方法，实时采集变压器电压、电流、油温、绕组热点温度、油压、油中气体指标、铁心接地电流、气体继电器状态、压力释放阀状态、油位计状态等的信息，通过无线设备传送给云平台，接收云平台控制指令，对变压器实现远程控制。解决智能监测控制终端设备实时将压力释放阀等保护信号按优先级发出信号及指令的技术问题。

3 智能变压器云平台监控系统

智能变压器云平台监控系统，用于变压器设备数据显示、监控和数据分析[10]。系统选用阿里云服务器，集成上位机软件进行开发。将大量智能变压器设备连接在一个远程网络中，实现实时故障识别、报警推送和状态查询，形成数据报表，发送控制指令，实现设备历史数据查询，方便设备售后维护信息管理。云平台专门用于数据监控与分析，利用云计算技术，实现多站点通信，大数据存储和大数据分析挖掘。

平台可以实时获取变压器的电压、电流参数，统计传输容量、负载率、变压器效率等。可实时监测变压器油面温度、绕组温度、评估绕组热点温度、过载能力、紧急过负荷时间等，根据变压器油面温度向冷却系统发出操作指令并评估冷却效率。实时从油气监测装置中获取油气分析数据，并按IEC60599 或GB/T7252 推理诊断，给出变压器故障类型评估结果。解决智能监测控制终端设备实时从油气监测装置中获取油气分析数据的技术问题。系统界面如图3所示。

图3：监控系统界面

4 结语

随着智能变压器装置的示范应用，开发出的变压器支持标准通讯协议IEC61850 及TCP/IP，能够与智能保护系统协同操作。平台可以实时获取变压器的电压、电流参数，统计传输容量、负载率、变压器效率等。系统可实时监测变压器油面温度、绕组温度、评估绕组热点温度、过载能力、紧急过负荷时间等，根据变压器油面温度向冷却系统发出操作指令并评估冷却效率。实时将压力释放阀等保护信号按优先级发出信号及指令。实时从油气监测装置中获取油气分析数据，并按IEC60599 或GB/T7252 推理诊断，给出变压器故障类型评估结果。

轨道交通智能变压器系统的应用，既达到集中控制的效果，又提高了轨道交通供电智能化水平，符合中国制造2025 长远目标需求。