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智能配电变压器发展趋势分析邱建春

发表时间：2021/6/10 来源：《中国科技信息》2021年7月作者：邱建春

[导读] 近年来，国家大力推进智能电网的发展。电力物联网是物联网技术在智能电网中的应用成果，围绕电力系统各个环节，利用传感技术和计算机技术等现代信息技术，实现电力系统各个环节的互联和人机交互。

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摘要：近年来，国家大力推进智能电网的发展。电力物联网是物联网技术在智能电网中的应用成果，围绕电力系统各个环节，利用传感技术和计算机技术等现代信息技术，实现电力系统各个环节的互联和人机交互。                               关键词：智能配电变压器；应用；发展趋势
        前言
        在电力物联网环境中，配电变压器的监测需求也在提高，除了电气量的测量采集及数据处理等基本功能，监测系统还应实现远程通信、数据存储和集成等功能，为后续的分析处理及信息化管理提供数据，实现配电变压器的智能化监测。
        1配电变压器智能感知终端结构设计
        1.1配电变压器智能感知终端结构单元
        配电变压器智能感知终端部署在设备侧，承担物联网基本结构层中的感知层功能，负责电能数据的采集及电能质量事件分析，并与后端物联网平台服务器建立通信，完成配电变压器数据的上报，配电变压器智能感知终端结构单元包括微处理器（MCU）最小系统、采样单元、人机交互单元、通信单元、数据存储单元功能模块及供电电源等模块，能够对电压、电流等电气数据进行在线测量，具备数据存储、数据分析统计及电网事件判断功能，并与后端物联网平台进行数据交互。MCU最小系统为配电变压器智能感知终端的核心模块，负责软硬件时序运行及算法计算，所有功能模块都依赖于此模块工作。采样单元通过电压互感器及电流互感器实现配电变压器一、二次侧a，b，c三相电压和三相电流共12路信号的实时采样，以及有效值、功率、电能等电力参数的采集。同时，采样单元还可在实时采样中断线程中完成电压的骤升和骤降事件判断，电压偏差、频率、谐波、总谐波失真和电压波动等电能质量指标的数据处理，实现电网故障判断分析。人机交互单元包括显示和按键2部分功能电路，负责实现数据实时显示及按键操作功能。采用点阵液晶进行详细数据显示，采用6键式界面管理方式，显示控制多层结构菜单，便于现场操作人员对设备信息的即时访问控制。通信单元具备3个通信接口：RS485，WiFi和以太网通信接口，它们使用各自的通用异步收发传输器及以太网口资源进行全中断式收发控制，可以根据实际应用场景中不同的通信要求选择接口。通信单元可实现读取、配置等交互，并通过本地通信及远程通信实现事件主动上报功能，自动上传事件波形。数据存储单元用于存储配置数据及电力参数历史数据。配置数据（包括校准数据、配置参数等信息）存储在铁电存储器中，并有变更存储功能。本地历史数据存储于终端安装的TFlash卡中，最短间隔1min保存1次，存储容量超过30d，且掉电不丢失。数据存储单元还具备掉电检测功能，在掉电发生后不再进行历史数据存储，直至再次恢复供电，可避免存储数据异常。
        1.2配电变压器智能感知终端软件系统
        配电变压器智能感知终端的核心模块是MCU最小系统，所采用的软件总体结构为：主程序循环运行，进行稳态数据的数据处理、显示及存储功能，实时采样线程、RS485线程、以太网线程和掉电检测线程4条中断线程实时处理，流程如图2所示。在感知终端初次上电时，MCU最小系统进行资源初始化，通过实时采样中断线程来实时采样配电变压器一、二次侧电气数据，在主循环中进行稳态数据的数据处理，然后通过人机交互单元实现按键扫描、显示送显等信息交互功能，最后由数据存储单元完成配置数据及电力参数历史数据的存储，进入下一次主循环。在主程序循环运行中，对4条中断线程进行实时处理，实时采样线程由采集单元执行，完成信号的实时采集，RS485线程及以太网线程由通信单元执行，实时进行信息通信，掉电检测线程的中断保证在终端掉电发生后不再进行历史数据存储，避免数据异常。

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        2设计与研发
        2.1温度在线监测就地装置硬件设计
        2.1.1温度传感器的选择
        温度测量是本项目开展的基础内容，在选择温度传感器时，需要考虑极端温度情况，且还需确保测量精度。本项目综合考虑各种因素，最终选择标准A级铂电阻，该传感器体积小巧，仅有3*3*20mm大小，测量温度范围（–50℃-300℃）。长期稳定性：R0漂移小于等于0.04％（500℃，1000小时后）；抗振动等级：至少40g加速度（10-2000Hz）；绝缘电阻：＞100MΩ，20℃时；抗冲击等级：至少100g加速度（波动8.5mS后）自热系数：0.4K／mW（0℃时）。在实际使用中，引脚部分作额外防水处理，防止极端情况下凝露的产生对测量电路产生干扰。
        2.1.2通讯模块选择
        为提高数据传输的稳定性，使用工业现场常用的RS-485总线作为数据传输手段。RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。
        2.1.3MCU选择
        MCU是就地装置进行数据获取、处理、发送的核心部件，需具备高速运行能力与丰富的IO接口。本项目选用ST公司的STM32F103作为主控芯片，该芯片基于ARM内核的设计，性能完全满足项目需求。
        2.1.5电路板设计
        使用AltiumDesigner进行电路板的设计，将各个模块绘制封装尺寸，再绘制得到硬件原理图。
        2.2铂电阻温度检测程序设计
        金属铂（Pt）的电阻值随温度变化而变化，并且具有很好的重现性和稳定性，利用铂的此种物理特性制成的传感器称为铂电阻温度传感器，通常使用的铂电阻温度传感器零度阻值为100Ω，电阻变化率为0.3851Ω/℃。铂电阻在低温段，虽然可以近似为直线，但是其实际电阻与温度的关系是一条抛物线。由于本项目对温度的检测要求较高，因此本项目在计算温度时采用的是抛物线。
        2.3通信程序设计
        RS232串口通信波特率为9600Bps，1位起始位，1位停止位，无奇偶校验位。通信协议的帧结构，0xEE+data+0xFF0xFC0xFF0xFF，帧的起始位为0xEE，中间数据个数可以任意，帧结尾处以0xFF0xFC0xFF0xFF结尾。
        结束语
        配电变压器智能感知终端能够实现变压器的数据监测及故障判断，并提供人机交互接口，为现场工作人员提供了便捷的访问控制途径，也为设备的现场检修维护提供了支持。基于物联网技术，配电变压器智能感知平台实现了对变压器数据的采集、处理，并上传存储于物联网平台中，汇集成信息共享数据池，为后续变压器的状态分析等信息化管理提供了数据基础。
参考文献：
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［2］肖白，周文凯，姜卓，等.泛在电力物联网研究现状分析［J］.发电技术，2020，41（1）：88-93.
［3］高阳，李天豪，王宁，等.基于物联网架构的智能变电站数据管理系统设计［J］.物联网技术，2020，10（8）：71-73.
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［5］郝思鹏，张济韬，张仰飞，等.融合在线监测数据的变压器状态评估［J］.电力自动化设备，2017，37（11）：176-181.
［6］柴谦益，郑文斌，潘捷凯，等.基于大数据分析的智能配电网状态监测与故障处理方法研究［J］.现代电子技术，2018，41（4）：105-108.