軌道交通智能變壓器系統的設計

韋家正

（廣西交通職業技術學院 廣西壯族自治區南寧市 530023）

目前，軌道交通高速發展，作為軌道交通電力系統關鍵設備之一的變壓器的研究相對落后，傳統的變壓器已經不適應智能軌道交通的需求[1]。本系統立項研究節能型智能變壓器及其管控系統[2]，設計制造一種基于STM32 的變壓器整機工作參數的集采及4G 云變送的裝置，提出以STM32F107 單片機為控制核心，CPLD 為多路變壓器油溫度、狀態參數的并行采集及風冷集控輸出，以太網Modbus TCP 協議為變壓器油氣分析儀檢測結果采集[3‐5]，RS485 通信總線為三相萬能電表和變壓器檔位控制器的測量數據采集及監控，同時搭載的TLE‐615 4G 模塊實現變壓器工作整機參數與阿里云平臺上的組態軟件進行數據交換。應用網絡技術，打造云平臺監控系統，在實現遠程智能操作的同時，可以連接大量變壓器，形成變壓器運行的大數據。

1 系統核心控制器結構

1.1 主控制器機構的設計

系統核心控制器結構示意如圖1所示，無線智能監測控制終端設備設計變壓器運行的整機參數采集和監控系統，以Nios‐II 設計功能可裁減的32 位高性能處理器軟核IP 適應變壓器外接各種不同的數據采集終端外設通信，以磁藕隔離的RS485 設計通信總線，控制變壓器檔位控制器、油色譜分析儀以及多功能電表等多種不同通信協議標準的數據定時采集及實時控制命令的推送，設計多路高精度溫度采集，并以采集的溫度為依據開發可根據用戶設定的閥值實現變壓器風冷集控系統的風力分級輸出、溫度超高報警輸出以及故障急停信號輸出。

圖1：系統核心控制器結構

系統STM32F107VC 主控制器通過8 位控制總線和16 位數據總線與CPLD 并行數據采集模塊進行數據交換，獲取數據采集信息或輸出干接點的控制信號；通過其內部集成的以太網高性能工業標準接口與油色譜在線分析系統通信獲取變壓器油氣的分析結果；通過RS485 總線控制變壓器升降檔控制器的工作及讀取三相萬能表的數據；通過I2C 總線存取系統的測量數據；通過RS232 與4G 無線模塊相連，偵聽、接收、響應來自阿里云服務器上的組態控制軟件的監控信息，最終實現變壓器整機工作參數及油氣分析結果的云變送[6‐9]。系統中的CPLD 并行數據采集模塊作為變壓器整機工作各項參數的主要采集處理器，負責包括變壓器的油面溫度、繞組溫度、主體油位表狀態、有載開關油位表狀態、輕重瓦斯狀態及風機組的工作狀態等輸入信號的采集以及系統各項參數的聲光報警、風冷集控和壓力釋放閥等控制信號的輸出。

1.2 4G模塊的應用

4G 模塊可以實現快速的數據傳輸，實現高速下載，抗干擾性強，能夠針對無線服務的需求提供服務。此外，只要手機信號能夠覆蓋的地方，都可以部署4G，具有明顯的優越性。基于4G 模塊的無線網絡處理系統，將現場主控制器采集的數據實時傳輸到4G 基站，通過4G 網絡以流量傳輸控制的方式下發至現場設備。通過遠程界面發布功能，使用便攜式設備做為監控終端，無論身處何處，都可以實時監控工業現場。

4G模塊與主控制器STM32單片機通過標準的RS232接口通信，支持AT 命令，設置工作方式和數據傳輸方式，選用HTTP 通信方式來實現傳輸數據。終端選用多線程的工作方式，接收到的數據經過轉換處理以后呈現給監控人員，監控人員操作后可將控制指令回傳服務器基站，傳輸到現場，實現對現場設備的監測管理。當現場設備數據達到報警值時，產生報警信息，報警信息及時主動向用戶終端發送報警信息。

2 主控制器系統實現途徑分析

主控制器發指令給油氣分析設備詢問是否檢測結束，根據油氣分析儀的應答作出是否讀取油氣分析結果，之后讀取三相萬能表數據，讀取油溫、系統事件狀態的值。再根據讀取的檢測值，先后判斷油溫是否過高、功率輸出是否過大、系統是否有異常事件發生，并以此依據做出風機檔位、變壓器檔位的調節以及油氣分析儀的啟動。最后偵聽數據上傳指令，向阿里云數據庫上傳檢測的結果。系統控制流程如圖2所示。

圖2：控制流程示意圖

主控制器為變壓器無線智能監測控制終端，采用檢測控制終端信號采集、信息傳送、控制等功能實現的技術方法，實時采集變壓器電壓、電流、油溫、繞組熱點溫度、油壓、油中氣體指標、鐵心接地電流、氣體繼電器狀態、壓力釋放閥狀態、油位計狀態等的信息，通過無線設備傳送給云平臺，接收云平臺控制指令，對變壓器實現遠程控制。解決智能監測控制終端設備實時將壓力釋放閥等保護信號按優先級發出信號及指令的技術問題。

3 智能變壓器云平臺監控系統

智能變壓器云平臺監控系統，用于變壓器設備數據顯示、監控和數據分析[10]。系統選用阿里云服務器，集成上位機軟件進行開發。將大量智能變壓器設備連接在一個遠程網絡中，實現實時故障識別、報警推送和狀態查詢，形成數據報表，發送控制指令，實現設備歷史數據查詢，方便設備售后維護信息管理。云平臺專門用于數據監控與分析，利用云計算技術，實現多站點通信，大數據存儲和大數據分析挖掘。

平臺可以實時獲取變壓器的電壓、電流參數，統計傳輸容量、負載率、變壓器效率等。可實時監測變壓器油面溫度、繞組溫度、評估繞組熱點溫度、過載能力、緊急過負荷時間等，根據變壓器油面溫度向冷卻系統發出操作指令并評估冷卻效率。實時從油氣監測裝置中獲取油氣分析數據，并按IEC60599 或GB/T7252 推理診斷，給出變壓器故障類型評估結果。解決智能監測控制終端設備實時從油氣監測裝置中獲取油氣分析數據的技術問題。系統界面如圖3所示。

圖3：監控系統界面

4 結語

隨著智能變壓器裝置的示范應用，開發出的變壓器支持標準通訊協議IEC61850 及TCP/IP，能夠與智能保護系統協同操作。平臺可以實時獲取變壓器的電壓、電流參數，統計傳輸容量、負載率、變壓器效率等。系統可實時監測變壓器油面溫度、繞組溫度、評估繞組熱點溫度、過載能力、緊急過負荷時間等，根據變壓器油面溫度向冷卻系統發出操作指令并評估冷卻效率。實時將壓力釋放閥等保護信號按優先級發出信號及指令。實時從油氣監測裝置中獲取油氣分析數據，并按IEC60599 或GB/T7252 推理診斷，給出變壓器故障類型評估結果。

軌道交通智能變壓器系統的應用，既達到集中控制的效果，又提高了軌道交通供電智能化水平，符合中國制造2025 長遠目標需求。