配電變壓器失壓主動(dòng)報(bào)警裝置研究

石 燕 ，劉航航 ，張 霖 ，孫德達(dá) ，孫金燕

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司東營(yíng)市東營(yíng)區(qū)供電公司，山東 東營(yíng) 257091；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司東營(yíng)供電公司，山東 東營(yíng) 257091）

0 引言

目前，一些老舊小區(qū)、物業(yè)代管小區(qū)及用戶廠站，配網(wǎng)設(shè)備非智能且老化嚴(yán)重，極易發(fā)生故障停電或在受到線路波動(dòng)干擾的情況下失壓脫扣。針對(duì)上述情況，配網(wǎng)搶修人員無(wú)法及時(shí)、有效獲取相關(guān)信息，造成故障查找困難，用戶停電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。為此，需要研制一種配電變壓器失壓主動(dòng)報(bào)警裝置，及時(shí)解決用戶停電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等問(wèn)題。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)配電變壓器監(jiān)測(cè)的研究，僅限于在線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)［1-2］配電變壓器的運(yùn)行參數(shù)，無(wú)法精確定位故障位置［3］，研制一種低成本、高性能的配電變壓器失壓主動(dòng)報(bào)警裝置。該裝置通過(guò)MSP430F5438A微控制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，并基于SIM900短信模塊發(fā)送告警信息，變被動(dòng)搶修為主動(dòng)搶修，提高了供電可靠性，提升了用戶滿意度。

1 設(shè)計(jì)原理

設(shè)計(jì)的配電變壓器失壓主動(dòng)報(bào)警裝置按照功能可分為電源部分、MCU （Microcontroller Unit微控制單元）部分、告警部分、固定部分，如圖1所示。

圖1 失電主動(dòng)報(bào)警裝置設(shè)計(jì)原理

裝置以配電變壓器出線側(cè)電壓、電流作為監(jiān)測(cè)參數(shù)，通過(guò)微控制器將出線側(cè)電壓進(jìn)行數(shù)字化處理，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，定位失壓配電變壓器具體位置，并進(jìn)行失壓過(guò)流判斷，生成報(bào)警信息，送入GPRS無(wú)線傳輸組件，GPRS無(wú)線傳輸組件主要由SIM900通信模塊組成，可以將事故告警信息迅速準(zhǔn)確編輯，發(fā)送至運(yùn)維人員手機(jī)，確保故障第一時(shí)間通知到運(yùn)維人員。

2 系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 電源

配電變壓器失壓主動(dòng)報(bào)警裝置的電源部分取自線路低壓側(cè)電源，內(nèi)部配置鋰電池。線路正常時(shí)，電源取自線路低壓側(cè)，當(dāng)系統(tǒng)斷電后，可依靠自身鋰電池放電將信號(hào)正常發(fā)出。由于電路需要準(zhǔn)確可靠地判斷停電狀態(tài)，及時(shí)切換至后備電源供電，鋰電池必須滿足續(xù)航條件，為此選取型號(hào)為T(mén)F803040（容量1000 mAh）的鋰電池，循環(huán)次數(shù)大于500次。

電源電路的設(shè)計(jì)對(duì)配電變壓器失壓主動(dòng)報(bào)警裝置的性能尤為重要，為整個(gè)設(shè)計(jì)提供動(dòng)力支持。電源電路需要一個(gè)可以保持固定電壓同時(shí)又能向負(fù)載提供充足的驅(qū)動(dòng)電流的直流電源［4］。由于系統(tǒng)各個(gè)功能模塊和所使用芯片對(duì)電源的要求不同，系統(tǒng)需要5 V、12 V、3.3 V 3種不同電壓大小的電源，設(shè)計(jì)電路如圖2所示。

圖2 電源電路設(shè)計(jì)

輸入220 V電壓經(jīng)電源變壓器降壓、整流、濾波后得到12 V電壓，12 V電壓再經(jīng)過(guò)2塊LM1085芯片得到兩路5 V電源：Vcc和5V-I。12 V電源主要用于輸出控制，5V-I主要用于通信電路的供電，而Vcc是作為輸入電壓經(jīng)過(guò)SPX111M穩(wěn)壓芯片得到3.3 V輸出電壓，3.3 V電源主要為CPU部分供電。

2.2 MCU

MCU部分承擔(dān)整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)處理、邏輯分析及輸出控制工作。裝置選用具有高性能、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)、質(zhì)優(yōu)價(jià)廉等特點(diǎn)的單片機(jī)——MSP430F5438A微控制器。

若配電變壓器發(fā)生故障，采集到的電壓電流信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路發(fā)送至MCU。MCU內(nèi)嵌模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，且轉(zhuǎn)換精度為12位，完成模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為12位數(shù)據(jù)并存入轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)器。MCU對(duì)提取的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行預(yù)置判斷分析處理，并記錄故障發(fā)生時(shí)間及位置。若出現(xiàn)失壓過(guò)流，則觸發(fā)本裝置的短信告警模塊發(fā)出故障報(bào)警信息。若出現(xiàn)失壓不過(guò)流，則觸發(fā)本裝置的短信告警模塊發(fā)出停電報(bào)警信息。

2.3 報(bào)警

10 kV架空線路輸送距離長(zhǎng)、條次多，當(dāng)配電變壓器失壓時(shí)，需要將告警信號(hào)統(tǒng)一發(fā)出分級(jí)接收。裝置采用SIM900短信模塊的報(bào)警方式，具有成本低、可靠性高和實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)裝置檢測(cè)到異常時(shí)，通過(guò)短信模塊將異常用戶的編號(hào)位置發(fā)送給運(yùn)維人員，使其可以第一時(shí)間接收告警報(bào)警信息，快速定位巡線位置，及時(shí)恢復(fù)用戶供電。報(bào)警執(zhí)行部分如圖3所示。

圖3 報(bào)警執(zhí)行部分硬件

3 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

以IAR作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用C語(yǔ)言進(jìn)行數(shù)據(jù)編程。軟件設(shè)計(jì)部分主要由單片機(jī)數(shù)據(jù)處理單元和報(bào)警發(fā)送單元組成。

3.1 數(shù)據(jù)處理單元

該單元的主要功能是采集配電變壓器失壓數(shù)據(jù)并做出分析判斷。檢測(cè)判斷軟件采用匯編語(yǔ)言，把程序編寫(xiě)固化在微型單片機(jī)MSP430F5438A存儲(chǔ)器內(nèi)，單片機(jī)初始化后，對(duì)采集到的電壓信號(hào)進(jìn)行判斷，程序流程如圖4所示。

3.2 報(bào)警發(fā)送程序

微控單片機(jī)通過(guò)串口與SIM900實(shí)現(xiàn)GPRS通信［5］，當(dāng)程序判斷出配電變壓器失壓時(shí)，將立即執(zhí)行報(bào)警程序，發(fā)送對(duì)應(yīng)的報(bào)警短信信息至相關(guān)運(yùn)行人員手機(jī)。軟件流程如圖5所示。

圖4 邏輯判斷流程

圖5 發(fā)送程序軟件流程

4 終端測(cè)試

經(jīng)過(guò)對(duì)失壓主動(dòng)報(bào)警裝置的軟測(cè)試及硬件組裝，配電變壓器失壓主動(dòng)報(bào)警裝置整體實(shí)物如圖6所示。

圖6 配電變壓器失壓主動(dòng)報(bào)警裝置

為了測(cè)試所研制的用戶變失壓主動(dòng)報(bào)警裝置的性能，將產(chǎn)品安裝到某小區(qū)，模擬發(fā)生故障時(shí)的工作情況，如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)模擬工況

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的整體調(diào)試，實(shí)現(xiàn)各功能模塊的正常工作。中央處理器將信號(hào)采集模塊所采集的信號(hào)進(jìn)行處理，用戶變壓器失壓立即告警，并將告警信號(hào)發(fā)送至運(yùn)維人員手機(jī)終端。應(yīng)用該裝置后，由以往被動(dòng)處理故障恢復(fù)用戶供電變?yōu)樵O(shè)備失電2 s內(nèi)自動(dòng)發(fā)送停電信息的主動(dòng)搶修。

5 結(jié)語(yǔ)

配電變壓器失壓主動(dòng)報(bào)警裝置簡(jiǎn)單易用，高可靠性，造價(jià)低廉，獨(dú)立運(yùn)行，具有推廣價(jià)值。裝置應(yīng)用后，避免了老舊小區(qū)及非智能用戶線路發(fā)生故障時(shí)，線路巡視人員的盲目巡視、難以發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)、巡視時(shí)間長(zhǎng)以及用戶失壓后無(wú)法及時(shí)有效恢復(fù)供電等問(wèn)題，變被動(dòng)搶修為主動(dòng)搶修，提高了供電可靠性。