基于GSM的變壓器故障實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

段榮霞，趙小燕，于 辰

(1.軍械工程學(xué)院 電氣工程系，石家莊 050003；2.北京科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100083）

0 引言

變壓器作為電力系統(tǒng)中至關(guān)重要的電氣設(shè)備，數(shù)量眾多，分布廣泛，其安全運(yùn)行是大規(guī)模配電系統(tǒng)和電網(wǎng)安全的關(guān)鍵。目前變壓器設(shè)備監(jiān)控主要靠人工巡視，周期長(zhǎng)，人為因素制約現(xiàn)象嚴(yán)重，無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)在線監(jiān)測(cè)[1,2]。

本文結(jié)合HYDRAN20li氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和GSM無(wú)線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了變壓器故障實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量到現(xiàn)場(chǎng)變壓器油中的早期故障特征氣體超過(guò)安全設(shè)定值，即通過(guò)GSM無(wú)線模塊短信通知相關(guān)運(yùn)行人員；同時(shí)巡檢人員也可以通過(guò)手機(jī)隨時(shí)查詢現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)為確保變壓器的可靠運(yùn)行提供有力保障[3,4]。

1 變壓器故障實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 變壓器故障遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)組成

本監(jiān)控系統(tǒng)主要是由HYDRAN20li氣體在線監(jiān)測(cè)傳感器模塊、數(shù)據(jù)傳輸單元、服務(wù)站構(gòu)成。它的主要目標(biāo)是對(duì)采集的數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析診斷、傳輸通訊功能，系統(tǒng)模型如圖1所示。

1.2 HYDRAN20li變壓器油氣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

圖1 變壓器故障遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)模型

為確保變壓器類(lèi)充油電力設(shè)備的安全運(yùn)行，國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)了許多的監(jiān)測(cè)方法。變壓器內(nèi)絕緣油在熱和電的作用下，能分解出氫，一氧化碳、二氧化碳以及多種小分子烴類(lèi)氣體，充油電力設(shè)備內(nèi)部故障的類(lèi)型及其嚴(yán)重程度與這些氣體組分及產(chǎn)氣速率有著密切關(guān)系，因此通過(guò)測(cè)量變壓器油中溶解的不同氣體的類(lèi)別或濃度來(lái)分析變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，從而盡早的發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部可能存在的潛伏性故障。

目前常用的氣相色譜分析（DGA）成功應(yīng)用于許多充油設(shè)備的內(nèi)部故障，為電網(wǎng)的安全靠運(yùn)行起到了積極作用，但是這項(xiàng)技術(shù)檢測(cè)周期長(zhǎng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量。本文采用了HYDRAN20li氣體在線監(jiān)測(cè)模塊作為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x表可在線連續(xù)運(yùn)行，可以在測(cè)量過(guò)程中及時(shí)準(zhǔn)確地觀察到非瞬間發(fā)生的故障先。它采用薄膜電容傳感器能夠測(cè)量0～2000ppm等量的氫氣，一氧化碳，乙炔，乙烯等氣體。其工作原理如圖2所示。

圖2 HYDRAN20li氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理圖

該模塊包括傳感器和變送器單元，傳感器通過(guò)一個(gè)閥門(mén)可與變壓器箱體方便連接，使變壓器油與傳感器的滲透膜接觸。其變送器單元可以根據(jù)氣體濃度或氣體濃度變化率設(shè)定報(bào)警值，并具有串口通訊功能。

1.3 GSM 無(wú)線通信

全球移動(dòng)通信系統(tǒng)GSM（global system form mobile communication）是第二代蜂窩系統(tǒng)（數(shù)字蜂窩系統(tǒng)）的標(biāo)準(zhǔn)。GSM業(yè)務(wù)按ISDN的原則可分為電信業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GSM無(wú)線通信在生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用提高了自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水平，為及時(shí)處理遠(yuǎn)端設(shè)備異常事故提供可能。本監(jiān)控系統(tǒng)就是利用GSM 的短消息功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和控制命令的傳遞。

2 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)通過(guò)氣體檢測(cè)傳感器自動(dòng)采集運(yùn)行變壓器的相關(guān)數(shù)據(jù)，由RS232 或RS485 接口與GSM 數(shù)據(jù)傳輸單元（DTU）相連，將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)GSM DTU 終端的內(nèi)置微處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、協(xié)議封裝后發(fā)送到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的透明傳輸?shù)墓δ堋Ｓ布驁D如圖3所示。

2.2 GSM通信模塊硬件設(shè)計(jì)

基于GT900-C進(jìn)行無(wú)線通信模塊開(kāi)發(fā)[5]，在硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮到功能以及穩(wěn)定性的要求，從供電、串口、程序下載更新以及無(wú)線通信方面加以考慮，確定整體硬件的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。具體的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

圖3 變壓器遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理

圖4 GSM通信模塊硬件設(shè)計(jì)

其中GSM單片機(jī)MCU選擇ATMEL公司的ATmega162，它是8位微控制器。其特點(diǎn)是性能可靠、低功耗、簡(jiǎn)潔實(shí)用、功能齊全、處理功能強(qiáng)大。對(duì)于本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于單片機(jī)與GSM模塊用到UART串口通信，同時(shí)與后端的HYDRAN20li氣體在線監(jiān)測(cè)模塊鏈接又是通過(guò)RS485接口協(xié)議，因此要求單片機(jī)擁有2個(gè)串口，而ATMEGA162單片機(jī)完全滿足設(shè)計(jì)需要。

GSM模塊選擇了華為的GTM900-C。它內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧，擁有比較完善的AT指令集，最高網(wǎng)絡(luò)速率可達(dá)85.6Kbit/s，而且UART串口速率可達(dá)115200bit/s，這款芯片AT指令趨于成熟，在國(guó)內(nèi)其他行業(yè)中的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸方面有廣泛的應(yīng)用。

系統(tǒng)的電源電路主要由兩部分組成，一部分電路是由LM2576-ADJ組成的3.8V電壓產(chǎn)生電路，該部分電路只為GTM900C模塊供電，該模塊的工作需要一個(gè)相當(dāng)穩(wěn)定的電源電壓和比較大的工作電流，另一部分電路是由LM1085-3.3組成的3.3V電壓產(chǎn)生電路，為系統(tǒng)的其他部分模塊提供電源。LM2576ADJ內(nèi)部集成頻率補(bǔ)償與固定頻率發(fā)生器，開(kāi)關(guān)頻率為150KHz，與低頻開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器相比較，可以使用更小規(guī)格的濾波元件。由于該器件只需4個(gè)外接元件，可以使用通用的標(biāo)準(zhǔn)電感，優(yōu)化了LM2576ADJ的使用，極大地簡(jiǎn)化了開(kāi)關(guān)電源電路的設(shè)計(jì)。

3 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于以上硬件設(shè)計(jì)了上位軟件數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，充分考慮用戶以及工程的實(shí)際要求，方便工程師現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試服務(wù)器端IP 以及PORT 的變化，對(duì)數(shù)據(jù)終端的實(shí)時(shí)調(diào)試的要求，用戶可以通過(guò)串口對(duì)數(shù)據(jù)終端進(jìn)行參數(shù)設(shè)置以及對(duì)GSM通信模塊進(jìn)行在線調(diào)試。

3.1 系統(tǒng)軟件整體構(gòu)架

系統(tǒng)應(yīng)用的程序設(shè)計(jì)軟件為Image Craft公司生產(chǎn)的ICCAVR 6.31A。ICC帶有一個(gè)的代碼生成器，也可生成外圍器件的初始化代碼。軟件設(shè)計(jì)包括初始化CPU、初始化GSM模塊、設(shè)置和讀取DS1302時(shí)間、讀取短信、發(fā)送短信、來(lái)短信檢測(cè)、外部電源掉電檢測(cè)、外部脈沖計(jì)數(shù)以及外部設(shè)備防盜接口檢測(cè)等部分，系統(tǒng)總體軟件設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)工作流程圖

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)保障了各個(gè)功能模塊實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，為整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。

3.2 GTM900-C模塊初始化

由于GTM900C型GSM模塊對(duì)于本系統(tǒng)具有十分重要的作用，其能夠正常穩(wěn)定工作是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。主程序是系統(tǒng)穩(wěn)定工作的關(guān)鍵，系統(tǒng)的主程序主要包括：初始化CPU、初始化GSM模塊、讀取DS1302時(shí)間、來(lái)短信檢測(cè)、外部電源掉電檢測(cè)、外部脈沖計(jì)數(shù)以及外部設(shè)備防盜接口檢測(cè)等程序。系統(tǒng)在初始化CPU時(shí)加入了看門(mén)狗程序，能夠在系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)自動(dòng)復(fù)位系統(tǒng)，根據(jù)ATMEGA162的芯片手冊(cè)，復(fù)位時(shí)間在3.3V電壓工作時(shí)約為2.2s，初始化流程如圖6所示。

圖6 初始化GSM模塊程序框圖

3.3 收/發(fā)短信

當(dāng)變壓器現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接收到控制站操作人員或巡視人員短信時(shí)，需要先讀取短信內(nèi)容，目的有兩個(gè)：1）讀取內(nèi)容是否為服務(wù)器發(fā)出的指令內(nèi)容；2）獲取發(fā)件人號(hào)碼。如果以上兩個(gè)步驟不進(jìn)行操作，則可能因?yàn)槔绦呕蛘咤e(cuò)發(fā)短信出現(xiàn)額外的費(fèi)用損失，嚴(yán)重時(shí)可能泄露秘密，因此讀短信程序?qū)ο到y(tǒng)來(lái)說(shuō)同樣很關(guān)鍵。

如果讀取短信內(nèi)容后發(fā)現(xiàn)時(shí)服務(wù)器端發(fā)來(lái)的命令內(nèi)容，就需要將服務(wù)器端需要的測(cè)試儀表的信息讀取出來(lái)發(fā)送到服務(wù)器端了。發(fā)送短信程序的好壞將關(guān)系到系統(tǒng)操作是否成功，因此發(fā)送短信程序?qū)τ谙到y(tǒng)也很關(guān)鍵。

實(shí)驗(yàn)室中模擬現(xiàn)場(chǎng)變壓器故障給監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)模擬測(cè)試信號(hào)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，成功的實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的預(yù)期要求。服務(wù)器端向本系統(tǒng)發(fā)送“SEND”，系統(tǒng)能夠回復(fù)傳感器中的數(shù)據(jù)；如果外部電源掉電，則系統(tǒng)需要向服務(wù)器端發(fā)送“ALARM-01”，并在發(fā)送成功后關(guān)閉GSM模塊；如果外部電源掉電一段時(shí)間后，外部電源又來(lái)電了，則要求系統(tǒng)此時(shí)向服務(wù)器端發(fā)送“ALARM-00”；在系統(tǒng)上電后SIM卡內(nèi)的短信全部刪除，并且在讀完一條短信后也立刻刪除該條短信，在系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)系統(tǒng)能夠自動(dòng)復(fù)位。

4 結(jié)論

通過(guò)測(cè)試和實(shí)際運(yùn)行，無(wú)線通信模塊硬件運(yùn)行可靠，軟件基本實(shí)現(xiàn)了所要求的功能，能夠?qū)F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)根據(jù)時(shí)間設(shè)定實(shí)時(shí)傳送至指定號(hào)碼，同時(shí)便于巡檢人員隨時(shí)查詢現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，這將為變壓器可靠運(yùn)行提供保障。

[1] 操敦奎.變壓器油色譜分析與故障診斷[M].北京:中國(guó)電力出版社.2010.

[2] Su,Q.;Mi,C.;Lai,L.L.;Austin,P..A fuzzy dissolved gas analysis method for the diagnosis of multiple incipient faults in a transformer[J].IEEE Transactions on Power Systems,2000,15(2):593–598.

[3] 趙龍,李仁俊.基于GSM網(wǎng)絡(luò)的配變監(jiān)控系統(tǒng)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2003,23(6):57-59.

[4] McArthur,S.D.J.;Strachan,S.M.;Jahn,G..The design of a multi-agent transformer condition monitoring system[J].IEEE Transactions on Power Systems,2004,19(4):1845-1852.

[5] 華為GTM900-C無(wú)線模塊產(chǎn)品概述.V1.00[M].華為技術(shù)有限公司,2009:1-35.