基于物聯(lián)網(wǎng)的勵磁變壓器無線測溫系統(tǒng)

摘 要：隨著國家經(jīng)濟的發(fā)展，我國南水北調(diào)工程已進入大網(wǎng)絡、大機組運行的新階段，大容量發(fā)電機組的運行穩(wěn)定性對于整個南水北調(diào)工程的穩(wěn)定和安全至關重要，而泵站機組運行過程中，勵磁變壓器的穩(wěn)定性具有舉足輕重的地位。實時監(jiān)測并查看勵磁變壓器溫度對于及時發(fā)現(xiàn)設備故障、預防惡性事件發(fā)生，在減少人員傷亡和經(jīng)濟損失等方面有著極其重要的意義。為了保證勵磁變壓器可靠安全地工作，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的勵磁變壓器無線測溫系統(tǒng)。系統(tǒng)通過無線傳輸技術結(jié)合傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)技術，對勵磁變壓器運行時的相關溫度數(shù)據(jù)進行采集、處理、傳輸，以此完成勵磁變壓器的實時溫度狀態(tài)監(jiān)測和遠程監(jiān)控工作。

關鍵詞：南水北調(diào)工程；泵站機組；勵磁變壓器；無線測溫系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)；LoRa；RS 485

中圖分類號：TP92 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）10-00-02

0 引 言

勵磁變壓器是泵站機組運行生產(chǎn)過程中的關鍵機械設備，由于其在運行時工況復雜、負荷高，容易發(fā)生故障，從而影響整個泵站的經(jīng)濟效益，因此，對其運行狀態(tài)的監(jiān)測是保障泵站機組安全穩(wěn)定運行的重要環(huán)節(jié)。實現(xiàn)勵磁變壓器溫度狀態(tài)的實時監(jiān)測，對確保泵站的安全運行意義重大[1-2]。

借助物聯(lián)網(wǎng)與現(xiàn)有的無線通信技術，對勵磁變壓器溫度信息進行采集，然后憑借數(shù)據(jù)處理與傳輸，完成信息共享與交流。物聯(lián)網(wǎng)是勵磁變壓器無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)設計的基礎與功能實現(xiàn)的保障。

本文以南水北調(diào)東線工程某泵站為例，該泵站裝配了4臺勵磁變壓器，該勵磁變壓器鐵芯內(nèi)部配置有測溫裝置，內(nèi)部主電纜接頭采用螺絲連接，連接處貼示溫紙。采用人工手持紅外測溫儀的方式例行巡視，工業(yè)級紅外測溫儀精度較低，誤差常達5～6 ℃，測得的數(shù)據(jù)不可靠。有時螺絲未壓緊導致電纜接頭處局部溫度升高，巡視人員如果不能及時發(fā)現(xiàn)，會造成安全事故。此外，每次測溫時均需打開勵磁變壓器的柜門，既不安全也影響巡視的工作效率。為了實時監(jiān)測勵磁變壓器的溫度，本文提出建立基于物聯(lián)網(wǎng)的勵磁變壓器無線測溫系統(tǒng)，通過對勵磁變壓器的繞組溫度參數(shù)進行實時監(jiān)控，獲得實時的信號數(shù)據(jù)，使巡視人員在巡視過程中可以實時查看勵磁變壓器的狀態(tài)，確保在發(fā)生異常時，快速準確地發(fā)現(xiàn)并定位故障繞組的具體位置，大幅縮短故障查找時間，減少巡視人員的工作量，此舉對泵站經(jīng)濟價值的發(fā)揮有著極高的實用價值和意義[3]。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設計

基于物聯(lián)網(wǎng)的勵磁變壓器無線測溫系統(tǒng)包含了感知層、傳輸層以及應用層。勵磁變壓器結(jié)構(gòu)復雜，組成部分涵蓋了多種元件。

感知層包含監(jiān)測節(jié)點及匯聚節(jié)點。監(jiān)測節(jié)點布設于勵磁變壓器各繞組上，用于采集溫度信息，利用LoRa模塊完成數(shù)據(jù)信息的向上傳送；匯聚節(jié)點布設于泵站中控室內(nèi)，使用LoRa模塊接收匯聚監(jiān)測節(jié)點的數(shù)據(jù)。傳輸層由路由節(jié)點構(gòu)成，使用LoRa模塊讀取匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)信息，并通過有線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡上傳信息到應用層的上位機監(jiān)控平臺。上位機內(nèi)安裝終端監(jiān)控系統(tǒng)，用于接收底層數(shù)據(jù)信息，為運行人員提供操作界面，實現(xiàn)勵磁變壓器各繞組溫度實時顯示、報警信息及警告信息顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能[4-6]。勵磁變壓器無線測溫系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 監(jiān)測節(jié)點設計

主控STM32F103C8T6芯片用于構(gòu)建監(jiān)測節(jié)點、路由節(jié)點和匯聚節(jié)點，擁有64 KB的內(nèi)部程序存儲量，所需電壓為2.0～3.6 V。

監(jiān)測節(jié)點與外界信息交互可通過JTAG實現(xiàn)。STM32F103C8T6芯片包含電源模塊、時鐘電路、報警電路、復位電路等，其依靠電源模塊、時鐘電路和復位電路完成基本工作。根據(jù)勵磁變壓器的監(jiān)測部位選取相應的傳感器，將采集的數(shù)據(jù)傳至主控芯片并處理后，由無線通信模塊傳輸至匯聚節(jié)點。報警電路在監(jiān)測到數(shù)據(jù)異常時及時報警。

通過調(diào)研市場現(xiàn)有的測溫模塊，發(fā)現(xiàn)市面上的測溫模塊大致分為有線有源、無線有源、無線無源等幾類，安裝方式有植入式、捆扎式和接觸式。通過查詢比較，測溫裝置選擇NY-401D型接觸式無線測溫傳感器，配套NY-401A型顯示主機。該測溫傳感器的測量范圍為-25～+125 ℃，測量精度為±1 ℃，采用無線電波進行信號傳輸，可在高電壓、大電流、強磁場的環(huán)境中穩(wěn)定工作。該裝置內(nèi)置蓄電池，可供無線測溫設備工作5～6年，無需維護。該顯示主機可以實時顯示測溫點的溫度，還可以設置報警溫度，在超出預設值時發(fā)出警報，并記錄報警事件。

2.2 匯聚節(jié)點設計

在勵磁變壓器各繞組的周圍布設相應的匯聚節(jié)點，確保安裝好的監(jiān)測節(jié)點采集的信號可以通過LoRa技術有效匯聚到路由節(jié)點[7]。

2.3 路由節(jié)點設計

傳輸層核心為路由節(jié)點，該層實現(xiàn)了有線通信與無線通信之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，并搭建了與上位機連接的橋梁。利用LoRa模塊接收匯聚節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)并融合處理后，利用RS 485連接上位機，使得監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸鏈實現(xiàn)閉環(huán)[8-9]。

3 上位機遠程監(jiān)測界面設計

應用層利用WinCC軟件進行整體功能的編譯，它是無線測溫系統(tǒng)與外界信息交換的窗口，可及時準確地將監(jiān)測信息以及其他所需信息呈現(xiàn)在用戶面前[10]。勵磁變壓器無線測溫系統(tǒng)功能如圖2所示。

本系統(tǒng)已經(jīng)在南水北調(diào)東線工程某泵站成功應用，效果顯著。系統(tǒng)未應用之前，有時螺絲未壓緊導致電纜接頭處發(fā)熱，造成接頭處局部溫度升高，示溫紙變色。系統(tǒng)應用后，4臺勵磁變壓器運行時，利用無線傳輸連接信號裝置，使各電纜接頭螺絲連接處的溫度在上位機界面上集中顯示，巡視人員能夠及時發(fā)現(xiàn)且無遺漏點，使巡視人員足不出戶就能發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)異常，保證了勵磁變壓器的運行安全。勵磁變壓器無線測溫系統(tǒng)界面如圖3所示。

4 結(jié) 語

基于物聯(lián)網(wǎng)的勵磁變壓器無線測溫系統(tǒng)依靠趨于成熟的物聯(lián)網(wǎng)技術，搭建了包括感知層、傳輸層和應用層的融合型傳輸網(wǎng)絡，實現(xiàn)了以監(jiān)測節(jié)點為核心的數(shù)據(jù)信息采集感知層，以路由節(jié)點為核心的傳輸層，以遠程監(jiān)控信息交換平臺為核心的應用層，確保系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集、處理、傳輸勵磁變壓器的實時溫度狀態(tài)信息，為用戶提供遠程監(jiān)控、異常報警等功能，提高了勵磁變壓器的可靠性與故障維修效率。在本系統(tǒng)應用前，該泵站各電纜接頭螺絲連接處的溫度為現(xiàn)場顯示，改造后在上位機集中顯示，從社會效益和經(jīng)濟效益方面衡量，每一臺主機組投資不超過2 000元。該成果若能夠應用于南水北調(diào)工程的所有泵站，對保障南水北調(diào)泵站機組的安全穩(wěn)定運行有著深遠的影響。

參考文獻

[1]李曉麗.無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)采集路由算法研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術，2023，13（8）：68-71.

[2]謝明楊.無線測溫系統(tǒng)在高壓電氣設備上的應用[J].中國設備工程，2022，38（19）：110-112.

[3]劉慧瑾，張大鵬.基于物聯(lián)網(wǎng)無線測溫系統(tǒng)在電廠的應用和研究[J].上海節(jié)能，2022，41（5）：590-595.

[4]蘇格諾，劉燁楠，劉靜波.基于阿里云和LoRa的遠程多點溫度測量系統(tǒng)設計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術，2023，13（8）：25-28.

[5]魏蔓，安冬.智能水冷型發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的研究[J].電工技術，2021，42（7）：88-90.

[6]許桃.基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井提升機監(jiān)測系統(tǒng)[J].科技視界，2020，10（26）：51-52.

[7]郭曉玲，李玲，鄒昕.基于LoRa與WiFi的新型智慧實驗室管理平臺設計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術，2023，13（8）：64-67.

[8]康志遠，李杰林，羅立軍，等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術的水電廠電氣開關柜測溫系統(tǒng)設計[J].水電站機電技術，2023，46（3）：41-43.

[9]張宇，李揚，王華良，等.泵站勵磁裝置故障分析與改造[J].中國農(nóng)村水利水電，2021，63（7）：161-165.

[10]許桃.基于多監(jiān)測信息驅(qū)動的礦井提升機故障診斷與預測系統(tǒng)[D].淮南：安徽理工大學，2020.