物联网模式下变压器温控器远程测控系统设计与实现方法

1 引 言

变压器油箱和绕组温度的测量对于变压器事故的预警以及及时动作有着极其重要的意义,变压器温度控制器的日常维护以及校验工作不容忽视[1,2]。110 kV以上变压器上均须配备3台温度控置器,随着定期变压器设备检修,将这些测温装置拆卸下来运送至有资质的实验室校准或者现场校准[3～5]。现场校准无疑是更方便的选择,根据校准规范要求,油浸式变压器测温装置现场校准需要校准其示值基本误差、两表偏差及接点动作误差,必要时还需做热模拟温升试验。温度校准试验耗时长,变压器附近危险位置较多,长时间作业容易危及校准员人身安全。如果采用基于云技术的远程校准系统来校准变压器测温装置,不仅能节省时间提高效率,校准员的人身安全也可得到保障[6,7]。

2 研究内容

2.1 物联网及其在计量领域的应用

物联网就是无线远程测控技术,它是目前工业智能化的研究热点之一,它是在嵌入式技术的基础之上,结合了无线通信技术与软件技术而形成的新型测控技术[8]。近年来,西方工业制造强国提出以工业互联网+信息通信技术为基本架构的工业制造战略[9,10]，如德国的“工业4.0”和美国的“工业互联网”；中国电力领域也提出了“泛在电力物联网”。物联网就是围绕系统各环节、充分应用移动互联、人工智能等现代信息技术实现系统各环节万物互联、人机交互,具有状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活特征的智慧服务系统[11,12]。在众多的无线远程测控系统中,一方面系统的设计需求各有千秋,另一方面可供选择的通信方式种类多样,因此,如何将物联网模式下的云计算技术应用于计量领域、与现有的计量校准装置有效结合、提升计量工作效率,成为摆在计量科研人员面前的问题[13]。

通过分析温度计量校准装置与远程测控技术的共性与个性,本文提出一个基于GPRS的云技术测控系统框架,为接下来的远程校准系统开发工作提供统一框架。计量检测关注被测量,被测量又分为非电量和电量,常见的非电量参数有温度、湿度、压力、扭矩、位移、转速等；常见的电量参数有电压、电流、电阻、电容、电感等。非电量可以通过各种类型的传感器转换为电量输出。从时域的角度分析,电量又分为模拟量和数字量,其中模拟量可以利用模/数(A/D)转换器转换为数字量。这些数字信号一并由MCU接收和处理。还有一类信号称为开关量信号,控制面板上安装的启停按钮、变压器温控器上的报警点、系统中状态指示灯的亮灭等都属于开关量输入信号。这类信号的状态要通过测控系统中设计的开关量输入通道送入MCU,经MCU的判别后发出控制指令。远程测控中的MCU通过不同点接口与各类通信设备相连接,并传输所采集的数据。常见的通信接口类型有SPI、HART、GPRS等。由于GPRS的无线通信方式具备实时性强、安装灵活等优点,有利于对现有计量标准装置进行改造与升级,本系统框架采用GPRS无线方式作为主要通信方式。典型的远程测控系统由模拟量输入通道、模拟量输出通道、计数通道、开关量输入通道和开关量输出通道以及数据通信等部分组成,如图1所示。

图1 远程测控系统结构图
Fig.1 Remote calibration system structure diagram

2.2 变压器测温装置的校准

对于电力变压器运行温度的监控是保证变压器安全的重要指标。目前对大型电力变压器采用的温度监控方法主要有两种,一是监控变压器油箱上下层油温,二是监控变压器绕组温度。变压器测温装置由绕组温控器、油面温控器、测温元件和温度变送器等组成。变压器测温装置属于使用量大、应用面广、涉及安全防护的计量仪器,最早从国外引入,目前国内厂家生产的测温装置已经占据了大部分的市场,但是国内还没有符合相关规程、规范要求的校准装置。为了解决以上问题,建立了油浸式变压器测温装置的校准装置,深入开展示值基本误差、示值回差、铜油温差温升参数、示值重复性误差、接点动作误差、切换差、远传偏差的检测方法的研究,开展油浸式变压器测温装置的校准工作。

根据规程要求,变压器用温控器需要校准其示值误差及接点动作误差等,而接点动作误差的校准对恒温油槽的温升速率要求≤1 ℃/min,现阶段的恒温油槽的温升速率无法达到要求,基于此原因,本文设计了可以快速降温、也可以按照指定速率升降温的恒温油槽。

3 基于云技术的变压器测温装置远程校准系统设计

3.1 远程校准系统结构分析

变压器测温装置远程校准系统包括远程测控系统和校准系统两个部分,远程测控系统包括位于系统底层的嵌入式硬件构件,WSCN 节点、WSCN-GPRS网关中的嵌入式软件以及位于服务器端的上位机软件。校准系统包括便携式温度校验器(变压器油恒温槽测量设备)、开关量采集设备、标准铂电阻温度计、终端设备和通信模块。用户可以通过浏览网页实现远程监控。如图2所示。

图2 变压器远程校准系统结构框架图
Fig.2 Transformer remote calibration
system structure frame diagram

3.2 基于云技术的远程校准实现的硬件设计

远程校准系统的基础是位于系统底层的嵌入式硬件节点部分,它负责获取和控制变压器测温装置校准系统中实际的物理量信号。温度试验具有温度高、耗时长的特点,所以在硬件功能模块的选择上选取了低功耗、耐高温元件,主要为数据接收模块和嵌入式4G通信模块。接收模块的主要功能是接收信号并转换为数字信号,传送给通信模块。通信模块主要由嵌入式单片机和无线传输设备组成,负责控制整个节点的信号处理、网络协议、功耗管理等,其中网络安全通信是其最主要的任务。通信模块在设计上使通信模块与连接在网络上的主机工作在相同的网络层面上,并采用相同的网络传输协议,从而实现了主节点和传感器节点之间的信号传输。通信模块采用IP+UDP 协议实现通信,为嵌入式系统节省了系统空间。主机发送UDP 数据传送给通信模块,通信模块再将数据针对主机实现定点发送并传送给用户终端。该模块采用性能稳定的双频GSM/GPRS模块,在实现断线自动重连功能时,涉及到DCD、RI两个引脚的使用。DCD引脚用来实现模数转换,当模块掉线时,会给DCD引脚一个高电平,当这个电平被DCD引脚检测到之后,模块就采取相应的动作,来重新连接上线。RI引脚在模块上线之后,就一直保持高电平,在有主节点信号传来的时候,RI管脚就会有一个低电平出现,当RI引脚检测到这个低电平的时候,模块就会采取相应动作以响应主节点操作命令。此外,电源模块要求适配器持续输出电流,以保证核心设备的正常运行。

3.3 基于云技术的远程校准实现的软件设计

远程校准系统的硬件部分和软件部分设计是相辅相成、息息相关的,软件部分主要包括嵌入式软件构架和位于服务器端的上位机软件。

嵌入式软件构件在程序设计时,网络节点采用了云通讯模式,运用多线程并发响应的方法来完成数据的接收和发送。软件架构分为主程序、子程序两个层次,主程序功能包括初始化单片机串口和设置无线模块参数等,例如工作模式的设置(如采集温度)等；子程序功能包括通信链路建立、数据处理、数据打包发送等,各子程序功能相互补充,例如通信链路子程序在建立通信链路后,打包发送子程序定时发送报文至目标节点。数据传输分为主、从两个节点,从节点负责发送信息,主节点接收来自从节点的信息,并接收处理、转发其它从节点数据至目标节点。当主节点收到从节点通信请求时,通过调用数据对各类信息做出相应处理；主节点在完成数据接收任务后,还要执行校验程序,做出丢弃报文或做出相应反馈的判断。主节点在完成信息分析处理程序后,进入待机休眠状态,等待再次被激活。需要指出的是,本文程序满足多种传感器的数据传输控制命令需求,具备网络化、无线化、智能化特点。软件构件层次如图3所示。

图3 软件构件层次模型
Fig.3 Software component hierarchy model

本系统框架服务器端采用B/S结构,客户机上只要安装一个浏览器,即可与服务器进行数据交互,完成相应的线上浏览、控制、配置、告警、查询等操作。服务器端Web 程序主要具备以下几项基本功能：响应客户端实时请求,且为每个请求建立连接；实时远程监测设备；对参数或命令进行设置。服务器端Web程序工作流程如图4所示。

图4 服务器端web程序工作流程
Fig.4 Software component hierarchy model

3.4 变压器测温装置校准系统设计

变压器测温装置校准系统由便携式温度校验器(变压器油恒温槽测量设备)、开关量采集设备、标准铂电阻温度计、终端设备和通信模块组成。便携式温度校验器用于获取变压器油的温度值,以及根据终端设备的控制将变压器油的温度升高或降低。开关量采集设备用于获取待测量变压器温控器在所测得的温度满足预设温度下开关闭合时生成的闭合信号。终端设备用于根据读取到的闭合信号获取标准铂电阻温度计当前的温度值。继而通过当前所测得的温度值和预设温度之间的差值来实现对待测量变压器温控器进行校准。通信模块能够实现在远端与控温系统对话。为了保证变压器测温装置的接点动作误差测试的准确性,恒温系统温度变化率需要满足≤1 ℃/min的条件。本套校准装置设计了全自动的恒温槽控温系统和开关动作采集系统,通过终端设备对校准过程的自动化控制,有效地提高了待测量变压器测温装置误差测量的准确性。本套校准装置配备的便携式温度校验器具备可降温及自动补液功能,其加热管环绕槽腔的双腔结构设计保证温场更加均匀稳定,其温度变化率≤1 ℃/ min的恒温系统设计满足接点动作误差的校准要求,其恒流源一体化设计,可以实现铜油温差温升参数的校验。便携式温度校验器具备基于GPRS的网络设置功能,使用前需将网络设置为激活状态,便于与通讯模块相连接。通讯模块每2 s发送一次输出数据,对便携式温度校验器进行读数。通过通讯模块的传输,一个实时的校准过程出现在用户的电脑或手机上。

整套校准系统也可以实现Pt100电阻远程校准工作。变压器测温装置校准系统如图5所示。

图5 变压器测温装置校准系统结构图
Fig.5 Structure for remote calibration system of
transformer temperature measuring device

4 应用实例

在辽宁省某220 kV变电站一台刚刚停电检修的变压器上,应用了文中提出的变压器测温装置远程校准系统,同时校准变压器上安装的一台绕组温控器以及两台油面温控器。首先将便携式温度校验器(变压器油恒温槽测量设备)、开关量采集设备、标准铂电阻温度计、终端设备和通信模块按照正常检定程序连接好,将绕组/油面温控器的温度传感器和标准铂电阻温度计插入油槽内,注意插入深度和升温速率。将便携式恒温油槽的网络设置为激活状态,将通讯模块连接到恒温油槽上,安装天线和支架、连接网络并接入电源,一个通讯模块可以带5台恒温油槽同时工作。将远端电脑上的软件打开,确认恒温油槽和通讯模块处于可用状态后,选择“添加设备”,并为新设备命名。在恒温油槽上按确认键,弹出设置温度界面,输入温度值并进行验证。新设备添加成功后,切换成远程控制模式。完成初始设置后,校准员可以远程控制设定点,然后在远端通过APP软件观察被校温控器的读数,同时远程观察便携式温度校验器的标准值读数。

在安装了APP的手机或电脑终端上会有一个便携式温控器显示界面,校准员在手机或电脑终端上设定一个新的温度,恒温油槽随即开始升温,同时监测温度上升速率。恒温油槽稳定后手机或电脑终端上会有一个音频提示音并且发送一个稳定报告。用户可随时获取恒温油槽状态报告。整个校准过程结束后,通信模块自动发送温控器校准报告。

5 结 论

远程温控器校验装置对于传统温控器校验有明显的优势,不仅能够满足变压器温控器校验规程要求、准确直观地显示试验结果,而且可以节省时间、优化校准过程、提高校验效率和安全性。该校验装置可以针对电力系统实际情况进行兼容性和扩展性的设计与改进。

相关研究内容不仅可以应用于变压器测温装置的远程校准,而且可以应用于火力发电厂现场校验工业铂电阻、工业热电偶,甚至可以应用于各个大型生产车间和工厂现场校验温度传感器。