配电变压器运行状态远程监控系统的设计

张碧帅

（山西兴新安全生产技术服务有限公司，山西 太原 030024）

引言

电力系统为煤矿生产的动力，供电系统的稳定性对于保证煤矿生产效率和安全性具有重要意义。配电变压器作为配电网络中的关键电力设备，其运行状态直接影响着整个配电网络的稳定性，继而影响煤矿生产的安全性和效率。随着煤矿自动化生产水平的提升，实现对配电变压器运行状态的实时监测，掌握配电变压器的负荷及温度情况对于保证配电网络的稳定性具有重要意义[1]。本文针对配电变压器的运行状态设计一套远程监控系统，为实现变压器的检修及配电的稳定性奠定基础。

1 配电变压器运行状态监测系统的总体设计

目前，煤矿自动化生产相匹配的配电网络主要可以分为现场设备层、区域集结层、配电自动化子控制中心层以及配电自动化总控制中心层四个层级。鉴于煤矿配电网络的复杂性且相对密集，一般通过混合通信手段实现各类参数信息的传输。结合煤矿生产的用电需要，配电变压器监测终端包括有信号及数据采集电路、数据通信接口电路、人机接口电路以及控制输出电路。综合煤矿生产对配电网络的需要，我们从功能和性能两层面分别对配电监测终端的需求进行分析。

首先，在功能需求方面配电变压器监测系统具备实时数据采集、实时监测、数据报表及存储、实时遥信等功能。其次，在性能需求方面其数据采集周期、终端工作电源、测量精度、消耗功率、传输及通信指标均在常规配电网络的基础上需更加严苛以保证其能够适应煤矿相对恶劣的工作环境[2]。配电变压器监测系统的总体结构如图1所示。

如图1所示，配电变压器监测系统主要由中央处理器、电力参数及温度采集模块、电源模块、GSM模块以及电源模块组成。其中，电力参数及温度采集模块为该监测系统功能发挥的关键，其主要对配电变压器的三相电压值、电流值、功率因数以及温度等参数进行采集。中央处理器根据所采集的参数信息得出相应的控制指令。电源模块为监测系统供电，GSM模块实现采集信息及控制指令的传输。

图1 配电变压器监测系硬件框图

对应的配电变压器监控系统的监测软件主要有录入信息和监测状态两部分，监测系统软件流程的总体设计如图2所示。

图2 配电变压器监测系统总体软件流程

在上述配电变压器监测系统硬件和软件总体设计的基础上，分别对配电变压器运行状态监测系统的硬件电路和主站管理软件进行设计。

2 配电变压器运行状态监测系统硬件电路设计

配电变压器运行状态监测系统的硬件电路主要包括有主电路、环境温度测量电路、交流数据采集电路、国零比较电路等。根据煤矿配电网络配电变压器的工作要求，为其远程监控系统配置型号为PIC18F458的单片机作为核心控制器[3]。远程监控系统的工作原理如下：系统所采集的电压、电流等信号通过稳压处理后再经过过零比较电路将比较后的结果传入单片机，经单片机对结果进行分析处理后基于GSM模块上传值上位机。

2.1 交流数据采集电路的设计

交流数据采集电路主要是对配电变压器的交流电压、电流、无功功率和有功功率等参数的获取，其核心在于对交流电压和交流电流两项关键参数的采集，对应的电路结构如图3所示。

图3 交流数据采集电路解结构图

如图3所示，电压互感器和电流互感器可将配电变压器中相应的工频电压和电流转换为低压电压和电流信号，通过多路模拟开关、采样保持电流后将相关的模拟信号转换为数字信号以备单片机处理。在上述交流数据采集电路的基础上配置智能电度表对相关的交流数据进行采集，所采集的交流数据基于RS485通信接口传输至交流数据采集电路进行处理[4]。

2.2 环境温度测量电路的设计

配电变压器工作环境的温度同样是影响其运行稳定性的关键因素。因此，在远程监控系统中配置有DS18B20的数字式温度传感器实现对配电变压器周围温度的监测。该传感器的温度测量范围为-55～125℃，测量精度为±0.5℃，与该传感器相匹配的环境测量电路如图4所示。

图4 环境温度测量电流图

2.3 通信接口及抗干扰电路的设计

GSM模块为配电变压器远程监控系统的核心通信模块，该通信模块功能的实现还需为其配置具备串行通信功能的串口接口芯片，芯片的具体型号为MAX3232。本系统所配置GSM模块的具体型号为TC35i。

鉴于煤矿相对恶劣的生产环境，为保证信号传输的准确性，系统在设计初期需要加入相应的抗干扰措施。首先，电源模块可能会对监控系统的造成干扰，因此监控系统电源模块中需要引入交流稳压器、隔离变压器以及低通滤波器的设计；其次，针对传输通路上的干扰项加入光电耦合器和相关的软措施进行解决。

3 配电变压器运行状态监测系统管理软件设计

煤矿供配电网络相对庞大，对于配电变压站而言可分为主站和分站，主站与分站且各个分站之间的通信均通过GSM模块完成，本节重点对主站的监控软件进行设计。煤矿配电变压站监测系统主站系统软件组成如图5所示。

图5 配电变压站监控系统主站组成图

如图5所示，主站下方对应的各个监控终端具备实时监控、数据采集、参数设置以及串口状态调整的功能。为保证系统及数据的安全性用户需登录“用户名”和“密码”后才可登录平台对所监测的数据进行查询。当在所监测区域内变压器的运行状态存在异常时，系统会及时发出报警，并对故障信息进行定位[5]。本系统针对配电变压器温度监测的报警功能如图6所示。

图6 监测系统温度报警功能

图中，在变压器监控界面可实时获取配电变压器的三相电压、三相电流、功率因数以及温度等参数。当A区的温度超出限值时，系统会发出报警并定位故障位于A区方便维修人员及时到位并排除故障。

通过试验可知，本文所设计的配电变压器监测系统所监测的变压器的电流值与电压值的误差在3%左右；而且当变压器的运行电压、电流等参数出现异常时系统会实时发出报警。通过几个月的试运行发现，该系统能够将所采集的数据准确、无干扰的上传至上位机进行显示、存储，实现了对配电变压器的精准监测。

4 结语

煤矿供配电网络属于一个较为庞大的系统，配电变压器作为配电网络的关键设备，其运行状态直接决定配电网络的稳定性，继而影响煤矿生产的安全性和开采效率。为此，本文设计了配电变压器运行状态的监测系统。经实际运行表明，该监测系统能够实时反映变压器的运行状态，并对故障及异常信息进行及时保证，极大地提升了配电变压器运行的可靠性。