一种配电变压器非电量监测装置

沈剑韬，刘 伟，刘 毅

（上海置信电气有限公司，上海 200050）

配电变压器作为配电系统的核心设备，其安全平稳运行直接影响配电网运行的可靠性。对其工作状态进行监测，进而及时发现故障，并且对可能发生的故障进行预警，这对于延长变压器使用寿命、提高电网运行可靠性和经济性有着重要意义[1-2]。而配电变压器各类非电量可以有效反映其运行工况和健康状态，本文针对配电变压器的结构特点设计了深度集成微功耗传感器的非电量监测装置，实现了对配电变压器油温、油位、油压、桩头温度和局放等非电量的实时监测。并且在实际应用时，各类非电量监测功能可以根据不同需求灵活组合。

1 总体设计方案

非电量监测装置的设计方案包括结构设计、硬件电路设计及软件设计。装置在原有管状油位计的基础上进行了一体化结构设计，集成了油位、压力、油温和局放等非电量测量功能。装置的整体结构基本保持原有的管状油位计结构，温度传感器PT100 铂电阻从金属连杆和浮子中穿过，压力、油位、局放和桩头温度等传感器集成于PCB 板上安装于装置的最顶部，压力释放阀安装于侧面，装置顶部的太阳能电池板可作为备用供电电源，装置的结构设计图如图1 所示。

图1 非电量监测装置结构设计图

装置的硬件设计主要包括MCU 最小系统、电源、传感器信号的处理和串口通信等，设计框图如图2 所示。其中MCU 选用兆易创新GD32F330 系列芯片，相比于同类型国外芯片，国产芯MCU 具有成本低、技术自主可控等优势。该MCU 基于ARM 架构的Cortex-M4内核，最高主频可到84 MHz，存储方面集成了64 KB嵌入式FLASH 与8 KB 的RAM，具备各类通用总线以及丰富的模拟、数字外设。

图2 非电量监测装置硬件设计框图

2 非电量传感器的应用

装置监测的非电量类型包括油温、油位、压力、环境温度、桩头温度和局放等，在本装置设计时设定油温、油位、压力为必选项，其他为选配项，可根据实际需要灵活组合。油位传感器选用某型号红外传感器，测距范围2～15 cm，分辨率1 mm，利用红外线反射原理将传感器和被测物体间的距离转换为模拟电压输出。传感器将测量的挡板移动距离等效为油位变化的距离，传感器输出的电压信号需进行调理后再输入到MCU 的ADC 通道（图3）。

温度传感器选用常用的PT100 铂电阻[3-4]，温度传感器信号接入TPS02R 测温模块，该测温模块可用于配合温度传感器PT100 进行温度测试，可同时进行2 通道温度检测（兼容油温和环境温度），模块通过IIC通信接口与MCU 通信。测温范围-200～850 ℃，测温分辨率0.01 ℃（图4）。

图4 油温测量模块应用电路原理图

压力传感器选用某型号压力测量芯片，内有封装的压力传感器与信号调理芯片，对传感器的偏移、灵敏度、温漂和非线性进行数字补偿。并且调理芯片内置温度传感器，可以输出高精度的压力值和温度值。压力测量范围0～200 kPa，测量精度±4 kPa，传感器也通过IIC通信接口与MCU 通信。桩头（电缆接头）温度测量采用无线测温传感器[5-6]，传感器为捆绑式结构，使用时安装于电缆接头位置，配套接收模块集成与装置内部的PCB 板中。测温传感器与接收模块之间利用无线通信方式连接，通信频率433 MHz，传输距离约200 m，温度数据最终通过装置MCU 利用串口通信方式读取。

3 软件设计原理

系统软件的设计流程主要包括系统初始化、传感器参数设置、数据采集及滤波处理、数据校验和上传等。初始化包括括系统时钟初始化、I/O 口初始化、IIC初始化、A/D 转换初始化和相关传感器设置的初始化，在初始化成功后需设置当前传感器的使用参数。传感器在采集数据的过程中会先与设置的条件参数进行比对，对不符合要求的数据则重新采集，同时为了滤除相关的干扰信号，在程序中加入数字信号滤波算法，再对采集到的数据进行校验分析，根据当前的通信状态按协议传输数据。最后，对各个非电量测量值设置相应的阈值，用于可能出现异常情况的预警，后续在搜集大量现场运行数据的基础上可建议评估模型对变压器的工作状态进行评估[7]，软件设计流程图如图5 所示。

图5 非电量监测装置软件设计流程图

油位传感器直接输入模拟电压信号，通过MCU 的I/O 口进行AD 转换，在程序设计中加入滤波算法，确保读取油位数据的稳定性。油温及压力数据均IIC 方式与MCU 通信，在程序设计时首先配置MCU 的IIC 读写功能函数，然后在传感器配置参数时正确调用即可。由于2 个传感器共用一组IIC 通信，因此还需在程序中配置相应的延时。桩头测温传感器通过UART 接口与MCU 进行数据通信，最后配置Modbus 通信协议将各类监测数据上传至台区融合终端。实际应用时用Modbus Poll 读取数据如图6 所示。

图6 实际应用时非电量监测数据的读取

各非电量监测数据从上到下依次为油温、油位、压力、装置内部温度、环境温度、桩头温度，其中环境温度传感器暂时未安装，桩头温度因传感器本身的采样间隔未能在同一时刻显示数值。另外，对于油温、油位、桩头温度都设定相应的阈值，在超出阈值的情况下装置可以发出告警信息。

4 非电量监测数据的传输

基于变压器非电量在线监测技术，利用相关的通信技术对监测数据进行远传，确保通信方式的可靠和便利性。在配电台区不具备融合终端的条件下，监测装置通过4G 通信模块与后台主站通信。用4G 通信模块和变压器测温装置通过RS-485 进行数据通讯，将变压器的非电量数据传送至通信模块，再由通信模块通过透传上送至云端进行数据的存储及展示，其原理框图如图7 所示。

图7 4G 通信方式传输原理框图

监测装置通过RS-485 连接通信模块，利用4G 通信模块的专用配置软件，按照产品说明书或技术手册将模块配置为可联网透传的状态。打开浏览器进入4G模块云控制台，在图8 所示网页界面，通过“添加设备”将需要联网透传的4G 通信模块配置完成后进入“编辑设备”。

图8 添加联网设备

进入“编辑设备”界面填写设备的基本信息，配置好设备间的数据传输协议和4G 模块的透传方式。修改保存好设备信息和配置后，返回图9 界面，进入“数据查看”，即可在此界面获取到所需的非电量数据。

图9 非电量监测数据查看

在配电台区具备融合终端的条件下，监测装置通过RS-485 方式与融合终端通信。配电台区作为电力系统的基础单元，对未来电网的数字化和智能化建设具有重要意义。未来的配电台区将以配电变压器为主体，以智能终端为核心，融合各类一二次设备。具有电能分配、电能计量、用电安全、电能质量治理、信息采集、统计分析、状态监测、安全防护、配网相关信息系统数据接入、用户互动、电气结构感知以及设备自动管理等诸多功能，成为新型电力系统中的重要一环，配电台区的总体架构如图10 所示。

图10 配电台区架构示意图

而非电量监测装置未来会在配电台区中体现其重要意义，根据装置测量的油温、油位、压力及台区终端测量的电压、电流、功率等数据，可以进一步建立相关评估模型[8]，然后将所有的数据汇集到融合终端进行计算。例如，根据相关文献分析，变压器油温、环境温度、负荷情况存在明显的相关性，则可以进一步建立评价模型对以上指标进行实时监测，对异常情况进行预判。另外，根据监测装置测得的油温、油位、压力数据可以对变压器运行时的健康状态做出评估[9]。

非电量监测装置本身预留的多种传感器接口可以作为未来的功能拓展，例如可以增加微水传感器、环境温湿度传感器等，则相应的状态评估模型也会得到拓展。微水、油温、环境温湿度可以用于评估变压器油的绝缘性能，还可以根据变压器油温、环境温度、负荷情况评估变压器的老化速率。因此，未来非电量监测装置的功能会有更大的拓展和提升，在推进配电台区的数字化和智能化方面有着重要意义。

5 结论

从未来电力系统的发展看，对变压器等一次设备的状态监测及状态评估是未来的重要趋势。配电变压器非电量监测装置可以实时监测配电变压器的运行工况并进行数据传输，并且可以对异常情况进行预警。监测装置后续会进一步完善相关的评估模型，更好地评估配电变压器的工作状态以及确保配电变压器运行的安全性和稳定性，最终有力地推动配电网系统的数字化和智能化建设进程。