基于微机控制下的变压器参数采集及监控系统设计

2021-12-08钟建伟董伟广戴小剑龙玉雪杨雄威孔子杰

电工材料 2021年2期

秦勉，钟建伟，董伟广，戴小剑，田波，龙玉雪，杨雄威，孔子杰

（1.湖北民族大学信息工程学院，湖北恩施 445000；2.国网湖北省电力有限公司恩施供电公司，湖北恩施 445000；3.湖北英孚电力有限公司，湖北恩施 445000）

引言

配电变压器连接着高压输电线路与用户，用于分配电能，在电力系统中起着重要的作用。配电变压器是否正常工作，会对电力系统的安全性起至关重要的作用。如果配电变压器发生事故，会导致生产暂停或影响正常的设备，造成经济损失。利用单一的在线监测系统无法对变压器各种各样的问题进行检测。目前的研究趋势是开发能监测多种电力设备和能完整准确反映设备状态信息的综合在线监测分析系统。

本研究基于STM32F103ZET 6F控制的变压器监测系统[1]。将STM 32F103ZET6F作为核心CPU来控制信号的采集及处理，最后通过WINCC实现对所采集参数的集中监控。在本系统的设计中包括信号处理器、温度采样信号单元、电压电流采样单元、信号变换单元、方波信号处理单元、通讯模块、警报模块、显示模块。

1 变压器在线监测的系统结构

变压器参数采集及监控过程流程图如图1所示。将所得各信号利用STM32F 103ZET6F处理器对所得电参数和温度参数进行判断是否处于正常值范围内，若所得数据处于异常状态可触发蜂鸣器报警。利用SIMATIC Wincc人机图形界面软件制作了变压器在线监测的监控画面，通过其单片机与WINCC间的通信功能将数据传送到WINCC监控画面中，并且在上位机中能够制作界面故障报警显示系统，可以实现二次报警功能，在应用中也可以实现多组变压器的终端控制[2-6]。

变压器在线监测的工作程序图如图2所示。调试过程中可以通过按键来实施系统的运行停止以及系统的复位功能。本设计系统会对所监测的变压器进行实时监测，根据所采集到的电压、电流以及温度等信号，自动识别判断数据是否处于异常值，做到异常值报警功能。温度传感器采集的温度信号和经AD转换后的电压、电流数据以及经过波形变换电路处理过后得到的频率和功率因数发送到CPU中，CPU会根据获得的信息，将变压器相关电参数及温度数据保存[7]。本系统利用WINCC软件制作了一个上位机界面能够更加方便地观察整个系统的运行状况。

2 系统实现的总体设计

单片机属于低压器件，而所要采集的信号为高压信号，所以需要利用互感器进行采集的同时将电压、电流信号进行变比处理以及设计滤波电路和放大电路来得到小信号值，以便AD转换芯片接收转换，并且能够符合单片机的信号应用范围。在系统运行中，其负载端不一定是三相对称的状态，所以在接入时将电压、电流互感器接成Y0/Y0形，用以供给要求测量线电压的仪表和测量装置以及要求供给相电压的监察装置。

在得到电压、电流信号后，通过滤波放大电路处理，得到小信号的电压和电流。将小信号接入到AD637转换芯片中实现数据的转换，并将转换后数据发送到微控制器中进行储存。同时，为了得到变压器运行时的功率以及功率因数，系统采用了波形变换电路进行监测。该变换电路能够将正弦波转换到方波的同频率、同相位变换，方波的频率即为正弦波的频率。

将电压、电流正弦波信号变换成方波信号后，再利用变换后两路方波信号的相位差来获得电压与电流的相位差，对这个相位差进行处理就能够得到变压器输出侧的频率及功率因数。通过“异或”逻辑器件处理两路方波，当两路输入信号的电平不同时输出高电平，电平相同时输出低电平，一个周期内高电平的持续时间即为采集到的电压与电流的相位差。

使用Pt100温度传感器利用预埋温度计探头法对变压器的温度进行采集。整个系统完成参数检测后由微处理器处理，对变压器实时采集的数据进行分析，当信号处于异常值时系统能够触发报警信号。同时，由单片机处理器储存数据，并通过通信功能传送到上位机中进行二次监控管理。单片机采用R232通讯口进行通讯。因为WINCC软件中采用了modbus协议，所以在单片机程序中需要写入一个标准的modbus协议，以实现单片机与WINCC之间的通讯，进而实现在WINCC软件中建立系统监控界面[8,10]。采用WINCC人机界面管理能够方便管理员对系统进行监测，并且WINCC内部的编程也能够实现对数据的二次分析，若发现数据异常能够产生二次预警的效果，有效地保证了系统的稳定运行。

3 系统仿真结果

在WINCC监控画面中，首先设置根画面作为登录界面，只有当工作人员正确输入登录界面的用户名及密码时，才能够进入到系统的监控界面，可以防止系统数据的泄露。当进入系统监控界面后，监控人员可以观察到变压器运行的实时数据（电压、电流、温度、频率及功率因数等）。在监控界面下可以直接进入登陆界面中，而再次从登陆到监控时仍需要输入密码才能进入监控数据的界面。