配電變壓器運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張碧帥

（山西興新安全生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)有限公司，山西 太原 030024）

引言

電力系統(tǒng)為煤礦生產(chǎn)的動力，供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性對于保證煤礦生產(chǎn)效率和安全性具有重要意義。配電變壓器作為配電網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵電力設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響著整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，繼而影響煤礦生產(chǎn)的安全性和效率。隨著煤礦自動化生產(chǎn)水平的提升，實(shí)現(xiàn)對配電變壓器運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，掌握配電變壓器的負(fù)荷及溫度情況對于保證配電網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性具有重要意義[1]。本文針對配電變壓器的運(yùn)行狀態(tài)設(shè)計(jì)一套遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)變壓器的檢修及配電的穩(wěn)定性奠定基礎(chǔ)。

1 配電變壓器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

目前，煤礦自動化生產(chǎn)相匹配的配電網(wǎng)絡(luò)主要可以分為現(xiàn)場設(shè)備層、區(qū)域集結(jié)層、配電自動化子控制中心層以及配電自動化總控制中心層四個(gè)層級。鑒于煤礦配電網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性且相對密集，一般通過混合通信手段實(shí)現(xiàn)各類參數(shù)信息的傳輸。結(jié)合煤礦生產(chǎn)的用電需要，配電變壓器監(jiān)測終端包括有信號及數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)通信接口電路、人機(jī)接口電路以及控制輸出電路。綜合煤礦生產(chǎn)對配電網(wǎng)絡(luò)的需要，我們從功能和性能兩層面分別對配電監(jiān)測終端的需求進(jìn)行分析。

首先，在功能需求方面配電變壓器監(jiān)測系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)測、數(shù)據(jù)報(bào)表及存儲、實(shí)時(shí)遙信等功能。其次，在性能需求方面其數(shù)據(jù)采集周期、終端工作電源、測量精度、消耗功率、傳輸及通信指標(biāo)均在常規(guī)配電網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上需更加嚴(yán)苛以保證其能夠適應(yīng)煤礦相對惡劣的工作環(huán)境[2]。配電變壓器監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖1所示，配電變壓器監(jiān)測系統(tǒng)主要由中央處理器、電力參數(shù)及溫度采集模塊、電源模塊、GSM模塊以及電源模塊組成。其中，電力參數(shù)及溫度采集模塊為該監(jiān)測系統(tǒng)功能發(fā)揮的關(guān)鍵，其主要對配電變壓器的三相電壓值、電流值、功率因數(shù)以及溫度等參數(shù)進(jìn)行采集。中央處理器根據(jù)所采集的參數(shù)信息得出相應(yīng)的控制指令。電源模塊為監(jiān)測系統(tǒng)供電，GSM模塊實(shí)現(xiàn)采集信息及控制指令的傳輸。

圖1 配電變壓器監(jiān)測系硬件框圖

對應(yīng)的配電變壓器監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測軟件主要有錄入信息和監(jiān)測狀態(tài)兩部分，監(jiān)測系統(tǒng)軟件流程的總體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 配電變壓器監(jiān)測系統(tǒng)總體軟件流程

在上述配電變壓器監(jiān)測系統(tǒng)硬件和軟件總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，分別對配電變壓器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件電路和主站管理軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 配電變壓器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

配電變壓器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件電路主要包括有主電路、環(huán)境溫度測量電路、交流數(shù)據(jù)采集電路、國零比較電路等。根據(jù)煤礦配電網(wǎng)絡(luò)配電變壓器的工作要求，為其遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)配置型號為PIC18F458的單片機(jī)作為核心控制器[3]。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理如下：系統(tǒng)所采集的電壓、電流等信號通過穩(wěn)壓處理后再經(jīng)過過零比較電路將比較后的結(jié)果傳入單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)對結(jié)果進(jìn)行分析處理后基于GSM模塊上傳值上位機(jī)。

2.1 交流數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)

交流數(shù)據(jù)采集電路主要是對配電變壓器的交流電壓、電流、無功功率和有功功率等參數(shù)的獲取，其核心在于對交流電壓和交流電流兩項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)的采集，對應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 交流數(shù)據(jù)采集電路解結(jié)構(gòu)圖

如圖3所示，電壓互感器和電流互感器可將配電變壓器中相應(yīng)的工頻電壓和電流轉(zhuǎn)換為低壓電壓和電流信號，通過多路模擬開關(guān)、采樣保持電流后將相關(guān)的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號以備單片機(jī)處理。在上述交流數(shù)據(jù)采集電路的基礎(chǔ)上配置智能電度表對相關(guān)的交流數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，所采集的交流數(shù)據(jù)基于RS485通信接口傳輸至交流數(shù)據(jù)采集電路進(jìn)行處理[4]。

2.2 環(huán)境溫度測量電路的設(shè)計(jì)

配電變壓器工作環(huán)境的溫度同樣是影響其運(yùn)行穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。因此，在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中配置有DS18B20的數(shù)字式溫度傳感器實(shí)現(xiàn)對配電變壓器周圍溫度的監(jiān)測。該傳感器的溫度測量范圍為-55～125℃，測量精度為±0.5℃，與該傳感器相匹配的環(huán)境測量電路如圖4所示。

圖4 環(huán)境溫度測量電流圖

2.3 通信接口及抗干擾電路的設(shè)計(jì)

GSM模塊為配電變壓器遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的核心通信模塊，該通信模塊功能的實(shí)現(xiàn)還需為其配置具備串行通信功能的串口接口芯片，芯片的具體型號為MAX3232。本系統(tǒng)所配置GSM模塊的具體型號為TC35i。

鑒于煤礦相對惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，為保證信號傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)初期需要加入相應(yīng)的抗干擾措施。首先，電源模塊可能會對監(jiān)控系統(tǒng)的造成干擾，因此監(jiān)控系統(tǒng)電源模塊中需要引入交流穩(wěn)壓器、隔離變壓器以及低通濾波器的設(shè)計(jì)；其次，針對傳輸通路上的干擾項(xiàng)加入光電耦合器和相關(guān)的軟措施進(jìn)行解決。

3 配電變壓器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)管理軟件設(shè)計(jì)

煤礦供配電網(wǎng)絡(luò)相對龐大，對于配電變壓站而言可分為主站和分站，主站與分站且各個(gè)分站之間的通信均通過GSM模塊完成，本節(jié)重點(diǎn)對主站的監(jiān)控軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。煤礦配電變壓站監(jiān)測系統(tǒng)主站系統(tǒng)軟件組成如圖5所示。

圖5 配電變壓站監(jiān)控系統(tǒng)主站組成圖

如圖5所示，主站下方對應(yīng)的各個(gè)監(jiān)控終端具備實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設(shè)置以及串口狀態(tài)調(diào)整的功能。為保證系統(tǒng)及數(shù)據(jù)的安全性用戶需登錄“用戶名”和“密碼”后才可登錄平臺對所監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。當(dāng)在所監(jiān)測區(qū)域內(nèi)變壓器的運(yùn)行狀態(tài)存在異常時(shí)，系統(tǒng)會及時(shí)發(fā)出報(bào)警，并對故障信息進(jìn)行定位[5]。本系統(tǒng)針對配電變壓器溫度監(jiān)測的報(bào)警功能如圖6所示。

圖6 監(jiān)測系統(tǒng)溫度報(bào)警功能

圖中，在變壓器監(jiān)控界面可實(shí)時(shí)獲取配電變壓器的三相電壓、三相電流、功率因數(shù)以及溫度等參數(shù)。當(dāng)A區(qū)的溫度超出限值時(shí)，系統(tǒng)會發(fā)出報(bào)警并定位故障位于A區(qū)方便維修人員及時(shí)到位并排除故障。

通過試驗(yàn)可知，本文所設(shè)計(jì)的配電變壓器監(jiān)測系統(tǒng)所監(jiān)測的變壓器的電流值與電壓值的誤差在3%左右；而且當(dāng)變壓器的運(yùn)行電壓、電流等參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)系統(tǒng)會實(shí)時(shí)發(fā)出報(bào)警。通過幾個(gè)月的試運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)能夠?qū)⑺杉臄?shù)據(jù)準(zhǔn)確、無干擾的上傳至上位機(jī)進(jìn)行顯示、存儲，實(shí)現(xiàn)了對配電變壓器的精準(zhǔn)監(jiān)測。

4 結(jié)語

煤礦供配電網(wǎng)絡(luò)屬于一個(gè)較為龐大的系統(tǒng)，配電變壓器作為配電網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)直接決定配電網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，繼而影響煤礦生產(chǎn)的安全性和開采效率。為此，本文設(shè)計(jì)了配電變壓器運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行表明，該監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)反映變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，并對故障及異常信息進(jìn)行及時(shí)保證，極大地提升了配電變壓器運(yùn)行的可靠性。