箱式变压器温湿度、水位检测预警技术研究与运用

周帅，于虹，罗佼，周丽花

（1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650011；2.云南电网有限责任公司文山供电局，云南 文山 663000）

0 前言

随着现代经济的迅速发展和城市建设规模的扩大，逐渐代替了传统的集中降压、长距离配电、蜘蛛网这样的架空电力网箱型变压器。整个外壳没有裸露带电部分，人们对环境保护的意识越来越强，箱式变压器的出现符合现代生活的需要，可以确保安全[1]。应用范围非常广泛， 由于其结构紧凑、运行比较灵活、安全、安装简单、维护方便、环保等优点，如高层楼盘、高速公路、地铁、机场、小区、地下设施等。

箱式变压器的结构主要由高压开关系统、护套母线、变电站综合自动化系统、直流电源及一次设备等电气单元有序组合而成，相当于一个小型的变电站。虽然是一种能提供多种环境下的供电应用的设备，使用便捷，但是高压设备以及多种环境因素会产生很多不稳定的故障情况，设备一旦出了故障，难免会出现环境因素导致的停电、起火、漏电等危害人民生命财产安全的因素。

为了保证箱式变压器能长期稳定安全的工作下去，需要知道箱式变压器内部的工作环境情况、以及外部的环境情况[2]。分析是否可能会出现环境影响的故障情况，达到实时预警的目的。针对以上问题，本文提出了一种箱式变压器温湿度、水位检测预警系统，监测箱式变压器内外工作环境情况。

1 硬件部分设计

1.1 温湿度模组

温湿度模组实时监控箱式变压器内部的温度、湿度，获取温湿度数据，通讯管理模组与温湿度模组通讯数据交互获取到实时的温湿度数据[3]。温湿度模组管理电路如图1 所示。

图1 温湿度模组管理电路

工作原理：

利用探头作为测温元件，将温度和湿度信号采集出来，经过稳压滤波、运算放大、非线性校正、V/I 转换、恒流及反向保护等电路处理后[4]，转换成与温度和湿度成线性关系的电流信号或电压信号输出。

特点：

1）测量精度高、长期稳定性好、低飘逸；

2）适用性强、防水防尘、温湿度测量宽度大；

3）信号传输快、实时传输；

4）安装方便、设备一体化。

1.2 液位检测模组

液位检测模组实时监控箱体内外的水位变化情况，通讯管理模组与液位检测模组通讯数据交互获取到实时的水位数据[5]。液位模组管理电路如图2 所示。

图2 液位模组管理电路

工作原理：

传感器迎液面受到的压力公式[6]为：

式中，P：传感器迎液面所受压强（为方便理解，以下统称压力）；ρ：被测液体密度（调试时默认按照1g/cm3）；g：重力加速度（调试时默认按照9.8m/s2）P0：液面上大气压；h：传感器投入液体的深度。

当传感器投入到被测液体中某一深度时，被测介质的压力引入到传感器的正压腔，通过线缆导气管将液面上的大气压P0与传感器的负压腔相连，以抵消传感器正面的P0，使传感器测得压力为ρgh，显然,通过测取压力P，可以得出液位深度。

特点：

1）通讯距离远、抗干扰强、防雷击；

2）高量程、高精度；

3）防堵塞、防结垢；

4）稳定性好、相应速度快。

1.3 通讯管理模组

通讯管理模组是预警系统中嵌入式MCU 管理主控部分，所有的信号发起都是从通讯管理模组开始的，实时的去与温湿度模组、液位检测模组通讯，获取和监控各个模组的状态和实时数据。数据汇集发送到后台服务器，与后台服务器进行数据交互。通讯模组电路如图3 所示，MCU 主控电路如图4 所示。

图3 通讯模组电路

图4 MCU主控电路

工作流程：

MCU 和液位检测模组、温湿度模组、485接口、远程通讯4g 模组分别通讯。

1）MCU 与温湿度模组通讯获取温度数据、解析温度数据；

2）MCU 与温湿度模组通讯获取湿度数据、解析湿度数据；

3）MCU 与箱内液位检测模组通讯获取箱内液位数据、解析液位数据；

4）MCU 与箱内液位检测模组通讯获取箱外液位数据、解析液位数据；

5）MCU 与485 拓展接口通讯，汇集发送各个模组的数据和状态；

6）MCU 与4g 模组通讯，汇集发送各个模组的数据和状态到后台。

后台接收到各个模组的数据后，判断水箱状态。设水箱状态值S∈[G Y R]，其中G=0 正常、Y=3 轻度预警、R=5 报警，S值由Sout判断：

式中，w：湿度；uout：箱外水位；vout：箱外水位变化速度；uin：箱内水位；vin：箱内水位变化速度；A：箱内水位报警阈值；lon,lat,hig：水箱经纬高；Si：其他水箱状态（第i个水箱的状态）；loni,lati,higi：其他水箱经纬高；N：其他水箱个数；ax表示参数x的权重。

1.4 电源管理模组

电源部分提供电池和220 V 交流电源供电方式，用户可选择220 V 交流电源供电或者电池供电。电池供电方式，经过稳压、变压处理[7]，给各个模组和设备MCU 提供稳定的工作电源，保证各个模组正常工作。接上交流电源后，电源管理自动选择使用交流电源供电，220 V 交流电经过变压和稳压处理，提供一个稳定的直流工作电压到设备模组，没有接上交流电源时，自动选择电池供电[8]。交流电源还能为电池提供充电，保证断掉后，电池还有足够的供电能力。电压转换电路如图5 所示，电池充放电电路如图6 所示。

图5 电压转换电路

图6 电池充放电电路

特点：

1）供电电源稳定；

2）电池工作时间长；

3）可充电；

4）可电源直接供电。

1.5 485拓展通讯接口

预留485 接口用于和通讯管理模组汇集的数据信息通讯[9]，其他拓展设备可以通过数据解析出各个模组的状态和数据，也能实现实时监测箱式变压器状态的效果[10]，便于设备拓展。485 拓展接口电路如图7 所示。

图7 485拓展接口电路

1.6 硬件结构组成以及示意图

整个系统由1 个预警集成设备、2 个液位检测模组、天线延长线组成。内部结构示意图如图8 所示。

图8 内部结构示意图

整体安装结构示意图如图9 所示。

图9 整体安装结构示意图

2 软件部分设计

2.1 嵌入式软件部分

单片机控制各个模组的数据通讯和工作状态。单片机编程控制流程如图10 所示。

图10 单片机编程控制流程

2.2 Web端应用

提供后台web 端应用，在线远程监控多台设备状态和数据情况，分析计算是否存在需要预警状态的设备，提前进行相应的预警处理。

获取设备上传的服务器的数据，解析数据，实时显示到web 端，储存各个时间端的数据、分析对比每次数据的变化、以及变化趋势、通过指定的算法、算出是否存在温度过高、湿度过高、箱式变压器进水等风险预警[11]。

这样的一套预警系统、保证了箱式变压器更加安全的工作、大大降低了箱式变压器一部分环境因素影响带来的风险故障发生概率[12]，提供一个安全、智能的工作环境。测试数据以及界面展示如图11 所示。

图11 整体安装结构示意图

3 结束语

箱式变压器预警设备，可以做到检测箱式变压器内外的液位高度，箱内温湿度数据，通过远程传输到后台服务器，web 端获取服务器上的数据。实时监控和分析各台设备是否存在异常风险，设备的温湿度、水位数据信息，实现远程监控多个箱式变压器的数据信息，以及箱内外是否存在发生故障的风险，做到提前预警故障，减少安全事故的发生。