基于Cortex-M3的變壓器運行狀態在線監測系統設計

王紅亮，龐 佳

(四方特變電工智能電氣有限公司，遼寧 沈陽 110144)

變壓器是變電站內設備的核心組成部分，其安全穩定運行是國民經濟發展的前提。1臺大型電力變壓器價格要在幾千萬元，一旦發生故障損失非常大。因此，對變壓器運行參數進行實時監測意義重大。在其發生故障情況時，實時預警是發現問題、減少損失的最直接手段[1-4]。變壓器技術參數特征很多，開關量信號和4～20 mA占其很大部分。

傳統的變壓器常規信號監測都是將信號通過電纜接到信號箱內，然后再將信號引到監測裝置。這樣就需要大量的線纜，施工上也比較復雜。本設計終端采用Cortex-M3內核處理器作為變壓器數據遠程傳輸裝置的核心控制器，采用無線通信技術將采集數據上傳至后臺服務器，裝置采用小型化設計，可以單獨安裝在變壓器上，也可以將裝置安裝在信號箱內，實現將信號箱需要監測的信號進行采集并無線遠傳，安裝方式靈活，可以很好地減少現場走線[5-6]。此外，后臺服務器配有報警裝置，可在監測到故障信號時進行短信預警。

1 系統構架設計

基于Cortex-M3的變壓器遠程在線監測系統如圖1所示。包括現場采集裝置和后臺數據服務器兩部分。現場裝置可以選擇安裝在變壓器本體上，以減少變壓器因現場走線帶來的過多橋架設置及現場復雜走線，同時也可以安裝在控制箱內，對引進控制箱內的信號進行采集和傳輸，應用靈活。

監測系統支持4路4～20 mA信號、4路開關量信號、現場溫濕度信號的現場采集，監測信息可以進行就地顯示，同時通過TCP/IP協議將數據傳輸到后臺數據服務器，后臺服務器對監測數據進行解析并顯示。同時支持Modbus通信協議，可在現場對數據進行有線傳輸。用戶可以通過瀏覽器查看監測信息。后臺同時配置短信報警裝置，如果監測數據異常，將報警信息以短信形式發送給相應工作人員[7-9]。

圖1 系統構架示意圖

2 系統設計

2.1 系統設計功能

終端監測裝置采用ARM Cortex-M3內核處理器芯片為主CPU，主要實現對變壓器常規信號進行實時監測，裝置主要實現的功能如下。

a. 通信功能。接收上位機發送的指令，根據指令內容完成相應操作。并將現場采集數據無線傳輸到后臺數據服務器。

b. 支持4路4～20 mA、4路開關量信號及現場溫濕度信息進行就地采集，并對故障信息進行存儲及本地顯示。

c. 支持2路RS485通信，遵循mudbus協議，可實現數據現場有線傳輸。

d. 支持1路繼電器輸出，可驅動下一級繼電器或者將輸出節點信號傳至監控中心。

e. 支持SD拷貝功能，可就地讀取拷貝裝置監測數據及對裝置進行程序升級。

f. 后臺配置短信貓模塊，可對故障數據進行短信預警。

2.2 硬件設計

裝置硬件主要實現變壓器運行狀態數據信息、溫濕度信息的就地采集、顯示及數據的無線傳輸功能；支持現場2路RS485通信，同時支持繼電器狀態輸出，驅動下一級繼電器電路或裝置；支持SD卡現場拷貝數據功能。裝置可以遠程接收服務器后臺操作指令，實現對監測終端的控制和參數配置。監測終端主要包括：電源模塊，溫濕度電路，CPU單元，RTC實時時鐘，SIM900D無線通信單元，看門狗電路，RS485電路，繼電器電路，SD卡電路，裝置硬件結構如圖2所示。

圖2 裝置硬件結構

2.2.1 CPU電路設計

變壓器運行狀態在線監測裝置采用Cortex-M3內核處理器的LPC1768芯片，操作頻率可達 100 MHz，具有3 級流水線和哈佛結構。包含512 KB 的 flash 存儲器、64 KB 的數據存儲器、4 路UART、2路 SPI 接口、8 通道的 12 位 ADC、4個通用定時器、帶有獨立電池供電的超低功耗 RTC，適用于處理要求高度集成和低功耗的嵌入式應用。本設計中主要實現對監測參數采集控制及無線傳輸數據封裝整合，在接收到上位機指令時對指令進行解析判斷，并進行處理操作[10]。

2.2.2 電源設計

變壓器數據遠傳裝置電源部分采用DC24 V供電。電源芯片TPS54231將輸入DC24 V轉換成供GSM電路供電的DC4.2 V, TPS54231輸入電壓范圍廣，輸出電流最高可達2 A。DC4.2 V通過LDO芯片轉換成供MCU工作的MCU_3.3 V電源。MCU_3.3電源一方面通過PI型濾波電路為ADC電路提供基準電壓3.3 V，還通過金升陽電源隔離模塊F0303XT-1W為RS485電路提供DC3.3 V工作電源。隔離設計很好地保護CPU電源免受外界干擾。

圖3為電源系統方案設計，圖4為DC24 V轉DC4.2 V電路，圖5為DC4.2 V轉DC3.3 V電路。

圖3 電源設計方案

圖4 DC24 V轉DC4.2 V電路

圖5 DC4.2 V轉DC3.3 V電路

2.2.3 GSM無線通信電路

GSM電路選擇SIM900D通信芯片，采用工業標準接口，工作頻率為850/900/1 800/1 900 MHz，可以低功耗實現語音、SMS、數據和傳真信號的傳輸。GSM無線通信電路包括電源管理電路，SIM卡保護電路和GSM電路[11]。SIM900D在聯網瞬間，工作電流最高可達2 A，平時不傳數據時，工作電流在30 mA左右，本裝置設計通過MOSFET管實現對無線通信電路電源的管理，在需要數據或指令傳輸時，無線通信電路正常工作，裝置接收后臺服務器傳送的指令，或把采集到的數據無線發送給后臺服務器。無需通信時切斷無線通信電路工作電源,從而實現電源的有效管理。SIM卡保護電路，主要是實現對SIM900D芯片和SIM卡之間數據交互時的安全、穩定。

2.3 軟件設計

裝置實時采集4～20 mA信號，開關量信號以及現場溫濕度信號,并通過GSM無線傳輸將數據上傳至后臺服務器。同時具備2路現場RS485通信，支持Modbus協議，流程功能結構如圖6所示。

圖6 程序功能結構

程序功能結構主要對終端裝置任務分配及功能模塊進行劃分。其中裝置運行主程序初始化過程主要對端口的設置進行初值設定，規定了CPU片上外設的工作模式[12]。另外,初始化部分也對程序運行時狀態數組進行初值設定，使整個設備能夠從正常的狀態進入主循環運行，如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

此外，AutoCheck狀態查詢函數，用于查詢設備工作狀態，當有需要發送數據時發送，需要采集數據時進行采集，需要存儲時進行存儲，需要配置時要進行參數配置。該函數是整個設備的狀態檢查與任務調度中心，如圖8所示。

圖8 AutoCheck 流程

3 實際工程數據分析

基于Cortex-M3變壓器遠程在線監測系統終端已經完成樣機生產及系統測試工作，已成功在換流變現場運行使用，包括對變壓器頂層油面溫度、底層油面溫度、繞組溫度等進行實時監測，現場安裝圖如圖9所示。

圖9 現場安裝圖

在完成對現場頂層油溫、底層油溫、繞組溫度信息采集后，根據現場實際通信要求，選擇有線通信方式將采集數據上傳到后臺服務器。監測后臺軟件通過對裝置采集的數據進行解析，最終對監測參數進行顯示。圖10是選取2017年7月26日—8月27日，2組頂層油溫和1組繞組溫度的曲線。

圖10 數據曲線

4 結束語

本文給出一種基于Cortex-M3的變壓器運行狀態在線監測系統設計方案，監測終端采用Cortex-M3內核處理器，采用無線GPRS通信技術將數據上傳至后臺服務器，同時支持本地有線通信。系統可對變壓器4～20 mA信號、開關量信號及溫濕度信號進行采集，同時支持1路繼電器信號開出及SD卡拷貝功能，支持本地顯示。系統服務器配置短信報警功能，在監測數據出現異常時，可以第一時間進行短信報警。實際運行結果表明，本設計可以實時準確監測變壓器運行狀態信息，為變壓器安全運行提供可靠的保證。