基于單片機的變壓器油中溶解氣體在線監測供電故障報警裝置研制

王云飛 劉少輝 劉昊 吳焯軍 張殷

摘要：本文為解決變壓器油中溶解氣體在線監測（以下簡稱油色譜在線監測裝置）斷電后無法遠程指示具體故障原因的問題，設計了一種基于ARM單片機的斷電故障報警的裝置，該裝置包括了電源切換、信號采集及調理，無線傳輸等功能模塊。能夠實時油色譜裝置的供電電壓斷電故障報警，并實時發出斷電故障報警信息，提高在線監測設備智能化運維水平，提高運維工作效率。

關鍵詞：油色譜;斷電報警;在線監測;單片機

引言

變壓器作為電網系統中的核心設備，其運行可靠性對電網系統的至關重要。油色譜在線監測設備以其自動化、少維護和安全可靠等特點，近十年來，已經逐步成為保障變壓器安全的可靠技術監督手段。

大量在役設備在降低了主變壓器的運行風險的同時也帶來了新的問題。首先，在增加運維人員工作量。根據統計某供電局整體裝置數量有逐年增多的趨勢。在役裝置存量的增加，必然導致故障數量的增多。其次，增加了運維的難度和風險，人員在對在線監測裝置運維時始終存在誤觸碰帶電設備和誤操作的風險，而造成該風險的原因之一就是對油色譜在線監測裝置故障原因的不明確。而在油色譜在線監測裝置的各類故障中，供電系統故障占據了較高比例。因此，研制一種能夠有效指示油色譜在線監測裝置斷電故障的的裝置有其現實必要性。

1、油色譜在線監測裝置供電結構

油色譜在線監測裝置是利用氣相色譜分析技術，分析變壓器油中溶解氣體含量的技術。該技術因其準確程度高、可重復等特點，獲得過諾貝爾化學獎。裝置主要包括了油氣分離模塊、氣體組分分離模塊（色譜柱）、氣體組分檢測模塊以及數據處理及通信模塊和附屬元件[1]。而油色譜在線監測裝置在工作中各組成元件需要消耗電能，例如：油泵需將變壓器油從本體泵入油氣分離模塊，油氣分離模塊在油氣分離過程中需要使用氣泵進行頂空脫氣，載氣進入色譜柱需要啟動電磁閥門，色譜柱進行特征氣體分離過程中需要保持色譜箱中的溫度恒定，以上過程均需要消耗電能。因此，油色譜在線監測裝置中的供電可靠性至關重要[2]。

油色譜在線監測的供電系統的核心部件是交流-直流AC-DC整流電路，從上級交流220V電源整流后轉換成不同直流電壓，向油色譜在線監測裝置中的油泵、氣體循環泵、恒溫箱、閥組控制電路、溫度控制器、載氣泵等部分供能，筆者根據多種型號油色譜在線監測裝置的設計圖和實物裝置情況，梳理出油色譜在線監測裝置中主要的監測對象如表1所示。

根據表1所列的監測對象，斷電報警裝置的監測電壓通道包括：1路220V交流電壓、3路24V直流電壓、3路12V直流電壓以及1路5V直流電壓。因此，該斷電報警裝置根據電壓等級和監測對象分為4類，即交流電壓（220V）、直流電壓（24V、12V和5V）。

2、基于ARM單片機供電故障報警裝置結構和功能

斷電報警裝置的檢測對象是油色譜在線監測裝置的整流轉換模塊，該模塊負責向油色譜在線監測裝置中的耗能元件提供不同電壓等級的直流電或交流電，更具體是將220V交流電轉化為24V、12V和5V的直流電，不同的油色譜在線監測裝置生產商所采用的設計方案可能不同。本發明裝置利用ARM單片機（具體型號STM32F407）的內置電壓比較器，以油色譜在線監測裝置整流轉換模塊的輸入側的交流220V電壓整流和輸出側24V、12V和5V的直流電作為具體的參考電壓值，通過設置的軟件邏輯，判斷各個參考電壓值是否降為零，最后通過軟件報警程序遠程傳輸報警信息。具體的實現過程是：

首先將輸入側交流220V通過電源切換電路中的整流部分變為5V直流電后，與備用電池組相連。電源切換電路輸出的5V直流電升壓后接入12VDC直流模塊，經直流模塊降壓至3.3V直流電壓，最后以該3.3V直流電壓作為參考值，接入STM32F407主控芯片的電壓比較器引腳。經比較器判斷后，決定是否啟動斷電報警程序。一旦斷定交流220V電壓判斷為零，則啟動電源切換電路，此時油色譜在線監測裝置以備用的鋰電池組作為供電電源，保障斷電報警裝置正常運行，最后通過4G模塊將斷電報警信息傳輸到后臺管理人員處。具體硬件圖如圖1所示。

圖1中，AC-DC是交流整流模塊，負責將油色譜在線監測裝置輸入的220V交流電轉化為直流5V直流，并將5V電壓作為電源切換模塊的輸入。

電源切換模塊負責判斷是否需啟動磷酸鐵鋰電池組，判斷的條件是交流220V電壓是否降為0.

12V DC-DC模塊負責將5V輸入直流電壓升壓到12V直流電壓，以此作為4G無線傳送模塊的電源。

3.3V DC穩壓模塊負責將5V輸入直流電壓變換到3.3V作為STM32處理器芯片的電源。

電流互感器和電壓互感器負責將220V交流電源轉化為STM32芯片引腳能夠承受的直流電壓和電流，作為判斷是否斷電的評判依據。

4G模塊負責將STM32主控芯片判斷后得到的斷電指令，轉化為4G信號向軟件后臺傳送。

DC采集通道1～4分別為24V、12V和5V電壓采集點，主要負責采集油色譜在線監測裝置中的直流電壓信號，作為判斷油色譜在線監測裝置整流模塊直流輸出側的電壓是否為零的依據。

2.1主控電路設計

主控電路基于ARMSTM32F407型控制芯片，該部分的功能包括：晶振負責產生時序時鐘、信號采集及解調、PWM輸出控制，以及過電流保護功能。主芯片的VCC引腳接3.3V。系統的晶振分別接入ARM芯片的PH0和PH1引腳。系統的ADC IN0-ADC IN7腳作為電壓采集，其中ADC IN0-ADC IN1作為交流電壓采集，ADC IN2-ADC IN3作為三路直流電壓采集。斷電報警結果通過USART1和USART2引腳輸出。

2.2采集電路設計

采集電路分為交流電壓采集和直流電壓采集兩部分，根據圖3和圖4所示，R24為取樣電阻，R25和R26分壓，形成1/2VCC分壓，中點直接過互感器副邊，接運放同相端。運放輸出經過R29和R32放大后，接入主控芯片的內置比較器。

2.3無線通信電路設計

本斷電保護裝置采集到斷電故障并生成報警信息后，通過采用4G數據網向后臺管理人員，在斷電報警信號中涵蓋了故障點的位置信息，為保證通信信號的運行穩定性，本模塊采用WH-LTE-7S5 作為通信芯片，該芯片是一款插針式4G模塊，實現UART轉4G雙向透傳功能，具有高速率、低時延的特點。在芯片的VCC腳與3.3V電壓相連接。傳輸數據經TX、RX兩腳，與主控制芯片PA9 和 PA10腳相連接。

2.4裝置供電以及電源切換電路

斷電報警系統的供電部分主要有兩個部分：一是AC220V電源，二是由鋰電池組成的備用電源。在正常情況下，斷電報警裝置通過AC220V電源供電。油色譜裝置發生斷電故障后，通過電源切換電路，切換至備用鋰電池供電，進行故障的判斷和報警信號傳輸。但因為220V電源為交流信號，所以需要通過AC-DC整流為直流信號，作為電源切換的參考信號（VCC_SW）。因此，在具體設計結構上，電源切換電路（如圖6所示）通過比較VCC_SW引腳電壓和VBAT引腳（鋰電池輸出）電壓，在檢測到VCC_SW引腳電壓為零時，切換至鋰電池供電。

3、軟件設計功能

該斷電故障報警裝置的主要檢測流程包括：斷電報警裝置上電初始化、采集數據、邏輯判斷條件輸入電壓是否為零、斷電報警信息上傳流程以及判斷斷電報警裝置本身的“定時上傳數據”流程。

該斷電故障報警裝置的檢測對象分為交流和直流電壓兩種，對交流220V電壓信號斷電報警裝置在檢測到電源切換模塊動作信號后，直接啟動斷電報警程序。同時，對直流電壓信號，斷電故障報警裝置采用輪巡的方式，以固定時間間隔采集直流電壓信號，當檢測到某個電壓的下降至0時，裝置斷定在線監測系統出于斷電狀態，以遠程通信方式告知管理者相關設備斷電故障信息。

4、斷電報警裝置的應用

該斷電故障報警裝置應用于某型油色譜在線監測裝置上，經現場多次通斷電測試，后臺軟件均接受到斷電報警短信（如圖8所示），證明了該設計能夠實現斷電報警的功能。

具體實驗接線如圖：將斷電報警裝置的AC1端子接入外部220V電源，AC2端子接入變壓器油色譜在線監測裝置的整流模塊輸入端。DC1～DC4直流電壓監測端子并聯接入變壓器油色譜在線監測裝置的整流模塊的直流電輸出側。斷開外部220V交流電源，裝置通過短信向指定手機發送報警短信。在系統重新接通后，報警裝置發送短信提示外部電源恢復正常。

5、結論

綜上所述，本文設計了一種基于單片機的斷電故障報警自動檢測裝置，裝置以ARMSTM32作為主控制芯片，能夠分別采集油色譜在線監測裝置整流模塊的交流電壓和直流電壓，并依據程序判斷，通過4G遠程通信實現斷電報警功能。為保障裝置的穩定運行，本文同時設計了備用電池電源和電源切換電路，能夠裝置在突發斷電情況下的遠程報警。

參考文獻

[1]變電設備在線監測技術工程應用[M]中國電力出版社，2014.

[2]變電設備在線監測與故障診斷[M]中國電力出版社，2010.