基于移動網絡的絕緣油色譜遠程自動化分析裝置研究

馬小林 董杰 任麗閃 劉湘 錢建華

[摘 要]針對目前傳統實驗室絕緣油色譜分析人工操作引起的系統誤差大、需要人員全程值守的問題，采用基于移動網絡的遠程智能控制技術研制了一種可以實現遠程自動分析的絕緣油色譜分析裝置。該裝置利用自動脫氣及閥進樣技術，避免了分析過程中的人為誤差，通過預設智能控制裝置及無線控制反饋功能，能夠利用手機進行儀器遠程操作控制、數據查詢及智能分析，可以滿足多種環境的應用，提高了工作效率及樣品分析結果的重復性。

[關鍵詞]遠程控制;移動網絡;自動化分析;絕緣油色譜

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2020.12.040

[中圖分類號]F273;TM855[文獻標識碼]A[文章編號]1673-0194（2020）12-00-03

0 ? ? 引 言

現階段，電能是人們生活必不可少的部分，也是經濟發展的重要支撐，因此保證電網安全穩定運行具有重大意義。電力變壓器作為重要的輸變電設備，運行狀態對電力系統至關重要。隨著社會對電網可靠性運行的要求越來越高以及電網自身的發展要求，變壓器的狀態檢測技術顯得尤為重要。目前，國內采用的變壓器大部分是油浸式變壓器，通過油中溶解氣體色譜分析技術可以在變壓器不停電的情況下，及時準確地判斷出變壓器是否存在故障，發現變壓器中的局部以及潛在缺陷，保障電力系統可靠穩定運行。目前，便攜式色譜儀和實驗室色譜儀均無法實現遠程控制，需要人員進行現場操作，在一些應急搶修過程中工作效率不高。如果儀器可以實現遠程控制開機，就能減少等待時間，提高分析效率，更快地得到分析結果，為及時開展應急搶修奠定基礎。如果便攜式設備具備遠程控制能力，則可以在現場持續工作，配合在線監測設備，得到更準確的實時分析結果。本文介紹了一種基于移動網絡的遠程智能控制技術實現遠程自動分析的色譜裝置、利用自動脫氣及閥切換自動進樣技術，使從注油到色譜分析的整個過程無須人工操作，避免人為操作導致的系統誤差。隨著移動網絡技術的發展，利用其通訊低時延的特性，配合預設智能控制裝置及無線控制反饋功能，通過手機遠程控制裝置啟停及進樣，實時觀察氣相色譜裝置運行狀態，將操作人員從煩瑣的分析工作中解放出來，提高了分析效率。

1 ? ? 自動化分析方案設計

傳統實驗室絕緣油色譜分析裝置主要包括脫氣裝置及氣相色譜儀兩部分，多為分體式結構，造成了分析過程中人工操作步驟煩瑣的問題，同時，分析結果還會受操作水平影響，導致試驗結果重復，再現性較差。針對以上問題，該色譜裝置利用自動脫氣及閥切換進樣技術實現了進油、脫氣、進樣、分離、檢測器檢測及數據分析存儲過程的自動化，避免了人為誤差，大大提高了分析結果的準確性。

1.1 ? 全自動脫氣技術

利用氣相色譜儀進行變壓器油中溶解氣體分析時，油氣分離是整個分析過程中的關鍵環節之一，影響分析結果的穩定性和準確性。傳統實驗室色譜分析多采用利用頂空取氣原理的機械振蕩-溶解平衡法，該方法裝置簡單，且穩定性和重復性比較好，但是該方法步驟煩瑣，且對操作人員的試驗水平有一定要求。因此，本文介紹了一種活塞式真空負壓脫氣方式，通過步進電機控制，對脫氣室用變壓器油樣品進行沖洗，通過步進電機的位移控制，控制進入脫氣室的樣品體積。關閉脫氣室外圍電磁閥，步進電機帶動活塞下移，在活塞和油樣中間形成真空，隨后，油樣在重力作用下下移，脫出的氣體上移到脫氣室頂部?；钊诘撞勘３忠欢螘r間，保持脫氣室內部的真空度。活塞上移到壓力傳感器到零壓附近，繼續下移，進行多次脫氣。脫氣完成后，活塞上移，排出脫出氣體到進樣系統，具體結構如圖1所示。這種方式是一種低成本、工作可靠、脫氣過程可控、全密封、工作效率高的脫氣方式。

1.2 ? 自動進樣技術

目前，國內的變壓器油色譜分析工作絕大部分都利用手動進樣方式進行，色譜分析數據的誤差有很大部分是進樣操作過程中人為產生的。該裝置利用六通閥，通過切換閥的狀態實現自動進樣，主要包括脫氣狀態及進樣狀態，具體工作流程如圖2所示。

1.3 ? 系統檢測性能驗證

GB/T 17623-2017《絕緣油中溶解氣體組分含量的氣相色譜測定法》中對色譜系統的最小檢測濃度、重復性及再現性均有明確要求，依據國標中的檢測方法，對該裝置檢測性能進行了測試，檢測結果均滿足國標中規定的要求，說明該裝置的檢測數據是準確可靠的，具體檢測數據如表1所示。

2 ? ? 遠程控制方案設計

為解決傳統實驗室色譜全程需要人工值守、勞動強度大的問題，該裝置基于移動網絡技術可實現絕緣油色譜分析裝置的遠程控制，由智能外部組件和智能控制軟件組成，智能控制軟件分別安裝在色譜分析裝置和預設智能控制裝置中，通過手機APP遠程控制進程，發出指令控制減壓閥、氫氣發生器、空氣發生器、色譜儀的啟停及進樣分析，最終實現絕緣油色譜全自動流程化分析，工作站電腦分析軟件利用人工智能算法進行數據分析篩選，及時發現異常設備，使輔助管理人員識別有效數據，提高檢測數據的準確性和精度，形成一套全自動化絕緣油色譜分析系統。

2.1 ? 遠程控制的硬件設計方案

色譜儀遠程控制裝置的硬件包括3.5吋單板電腦、控制電路板和電源模塊。3.5吋單板電腦內運行色譜工作站，色譜工作站是整個系統的程序控制核心。一方面，通過和色譜主機通信完成色譜儀的原始數據采集以及色譜狀態信息讀取，然后根據移動端或本地的控制程序給色譜儀發送各種控制指令;另一方面，通過和云端控制平臺通信，把色譜分析數據以及色譜儀工作狀態數據上傳到云端。同時，按照接收到的移動端應用程序發出的指令發送給色譜儀實現色譜儀遠程控制。此外，色譜工作站和遠程控制裝置中的控制電路板通信實現對色譜儀主機電源、氣源電源、鋼瓶開關的控制指令交互控制，實現對儀器電源的遠程開關控制。電路控制板含有復位功能和就地模式，啟動復位功能，色譜儀、氣源和工控電腦主板的電源會同時重啟;就地模式主要在沒有4G信號的情況下使用，啟動就地模式后，色數數據會保存在工作站中，待4G信號恢復后，自動上傳到APP終端。開關電源用于為工控電腦主板、電路控制板供電。指示燈板用于電源控制的通電顯示和無線通信狀態的顯示，方便判斷故障。

2.2 ? 遠程控制的軟件設計方案

隨著科技的進步和互聯網的發展，即時通信軟件逐漸得到普及，所以使用即時通信軟件對色譜進行遠程控制對色譜控制系統的研發具有重要意義。釘釘是阿里巴巴集團為中國企業打造的免費溝通和協同的多端平臺，易操作，穩定性強。通過手機釘釘遠程控制分析系統進程，發出指令控制減壓閥、氫氣發生器、空氣發生器、色譜儀的啟停及進樣分析，實時觀察氣相色譜裝置運行狀態，且該裝置能支持多個手機終端控制。

2.2.1 ? 系統程序設計

在色譜系統上連接智能控制模塊，再通過無線收發模塊將采集的數據發往阿里云服務器。手機外網服務器部署在阿里云，接收無線模塊上傳的數據，給手機端提供程序服務。電路控制板通過無線通信功能接收到手機APP終端的控制命令，控制色譜儀、氣源和工控電腦主板電源的通斷。

2.2.2 ? 控制電路

遠程控制單元包括智能控制中心、通訊模塊和執行電路。智能控制中心由單板電腦和色譜工作站組成，是整個系統的控制核心。單板電腦上有多個通信接口，一個USB接口用來和色譜主機通信，一個RS232接口和智能控制電路板通信，工控板上的網口可以用來實現就地控制或者通過局域網實現基于游線的遠程控制。遠程控制單元中的控制電路板包括MCU處理核心、4G無線通信模塊、RS232通信接口單元、動作執行單元。MCU處理核心處理工作站發出的指令，同時把各個控制單元的狀態反饋給工作站，4G無線通信模塊完成和移動客戶端的信息交互。在把工作站通過RS232傳輸過來的工作狀態及色譜數據等信息轉發出去的同時接收移動客戶端發送的控制指令。RS232通信接口單元，通過和3.5寸單板電腦通信實現和色譜工作的信息交換。動作執行單元由4路帶狀態反饋的繼電器電路實現，可以最多控制4個外設的220 V交流工作電源。通訊模塊和控制執行電路設計在一塊電路板上，無線通信模塊采用板載式4G無線模塊。執行電路板通過RS232接口和智能控制中心通訊。無線通信模塊和工作站之間的通信由控制電路板上的MCU進行數據中轉，4G模塊將控制數據發送到安裝釘釘軟件的應用手機上控制客戶端?？刂齐娐钒迳显O計了4路控制繼電器，可以分別控制色譜儀主機、氫氣發生器、空氣發生器、色譜工作站等設備的電源。智能控制電路板有單獨的供電模塊，需要長期供電，保持4G無線通信模塊和控制電路板的正常工作。

2.2.3 ? 數據通信

智能控制模塊與外網手機服務器的數據通信采用TCP協議，以串口數據轉發的方式將指令數據或色譜數據打包成字節流進行點對點傳輸，保證數據在傳輸過程中的安全性。用戶在手機端查看數據與遠程控制則通過訪問服務器網站進行操作與管理。

2.2.4 ? 系統安全

手機端系統面向用戶提供服務，主要面臨來源于網站應用層面的風險與數據層面的風險。其中，數據層面的風險主要來自數據庫自身的漏洞、用戶權限、用戶密碼、數據通信等。針對涉及數據庫的安全風險，通過數據庫用戶的密碼及用戶權限配置進行安全防護，通過升級數據庫版本以及及時升級漏洞補丁等防護風險，且不對外開放數據庫端口。針對數據通信方面的安全風險，為保證數據在傳輸過程中的安全性，系統要求在數據進行交換時對傳遞參數進行token驗證，驗證方式采用DES安全加密，如果驗證不通過，則無法獲取正確數據，進行安全防護。應用層面的風險主要來自網站應用和系統運行軟件自身的一些風險漏洞。針對Web應用層面的風險，系統依托釘釘應用的驗證方式過濾用戶，只有通過驗證的用戶才能進行數據查看、遠程控制等操作，非法登錄的用戶則無法獲取任何信息，以此保證數據安全。

3 ? ? 結 語

本文研發了一種基于移動網絡的遠程智能控制技術實現遠程自動分析的色譜裝置，與傳統實驗室色譜相比，融合了自動脫氣、閥切換自動進樣及智能控制技術，解決了傳統實驗室變壓器油色譜分析工作中人工操作煩瑣、系統誤差大及工作強度高的問題，極大提高了工作效率及分析結果的準確性，并通過試驗驗證了系統的各方面性能，得出如下結論。①研發的自動脫氣模塊及自動進樣模塊，脫氣速度快，效率高，避免了人工操作引入的系統誤差，提高了工作效率及其準確性。②自動分析裝置各方面性能突出，依據國標分別進行了最小檢測濃度、重復性及再現性測試，該裝置檢測性能均優于國標中的要求。③基于移動網絡的遠程智能控制技術的應用，可以使用戶通過手機進行色譜系統操作、數據查詢及數據分析，及時發現異常設備，使輔助管理人員及時識別有效數據，提高檢測數據的準確性和精度，形成一套全自動化絕緣油色譜分析系統。

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