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★內(nèi)蒙古電力（集團）有限責任公司錫林郭勒供電分公司王超偉

關鍵詞：電流互感器；LoRa技術；壓力監(jiān)測；STM32微控制器

近年來，隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電流互感器設備數(shù)量不斷增加。電流互感器相對體積小，油量少，電壓高，場強較集中，且多處于密封狀態(tài)，無防爆裝置，一旦發(fā)生嚴重熱故障未能及時發(fā)現(xiàn)，有可能發(fā)展成嚴重事故，甚至危及到隸屬的主設備或鄰近設備，給電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行造成直接威脅。電流互感器正常運行時，在氣、液兩相的密閉體系中，氣體在液體中溶解，最終在某一壓力、溫度下，將達到溶解和釋放的動態(tài)平衡。隨著氣體的持續(xù)產(chǎn)生，當接近或達到溶解的飽和狀態(tài)后，游離氣體便釋放出來，在密閉空間的作用下使其內(nèi)部壓力異常升高。如果設備密封出現(xiàn)破壞，表征出的特點是內(nèi)部氣體產(chǎn)生的壓力將不隨溫度變化而變化，而總是與外部大氣壓基本一致，與密封正常的相比變化趨勢不同；如果出現(xiàn)密封失效設備滲漏導致的液面降低，反映的特征是油位的降低，壓力呈現(xiàn)下降趨勢。

目前，在電力系統(tǒng)中，電流互感器長期以來沒有對應的保護及在線監(jiān)測裝置，其運行維護是通過日常的巡察巡視及例行檢修來完成。日常的巡視是察看油位標尺位置，巡查預防是取樣化驗分析及補油調(diào)位。由于電流互感器大都在設備高處或立柱上，且很少停電，巡查預檢很不方便，也沒有專用的在線工具或裝置，無具體數(shù)據(jù)依據(jù)，靠經(jīng)驗預估預防，不能做到早發(fā)現(xiàn)早防治，因此突發(fā)事故時有發(fā)生，會造成較大事故和損失。通過大量的檢修實例及相關資料的學習，我們認為電流互感器內(nèi)部發(fā)生絕緣缺陷或發(fā)熱等故障、出現(xiàn)滲漏油等情況，都可以通過壓力的變化表征出來。因此我們認定，通過對電流互感器內(nèi)部實時采集壓力數(shù)據(jù)，就能掌握電流互感器的運行工況，也可以對出現(xiàn)的異常情況發(fā)出提前預警。

LoRa技術（長距離且低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術）是2013年Semtech公司開發(fā)的頻譜在1GHz以下，接收靈敏度可達-148dBm的LPWAN通信技術。它是一種基于擴頻技術的長距離無線通訊技術，解決了傳輸距離與功耗的矛盾，提供了一種能實現(xiàn)長距離大容量傳輸?shù)南到y(tǒng)，使無線傳感器網(wǎng)絡得以擴充。LoRa技術具有通信距離長、通信容量大、通信低功耗、信號擴頻正交等特點。這些特點使其在智能抄表、智能停車、車輛追蹤、寵物跟蹤、智慧畜牧、智慧工業(yè)、智慧城市、智慧社區(qū)等領域得到廣泛應用，但在電力系統(tǒng)用于壓力監(jiān)測較為少見。基于此，本研究設計了一種基于LoRa技術的電流互感器內(nèi)部壓力監(jiān)測裝置，以實現(xiàn)對電流互感器運行工況實時監(jiān)測的功能。

1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計

本系統(tǒng)是為解決實時監(jiān)測電流互感器內(nèi)部壓力而設計，施工過程中需要使用壓阻壓力傳感器將電流互感器內(nèi)部的液體壓力物理量轉(zhuǎn)化為電信號，并通過無線傳輸?shù)姆绞?，將采集到的?shù)據(jù)傳輸?shù)綉脤邮褂?。本次系統(tǒng)設計的主要需求如下：

對于電流互感器壓力的采集，需要完成絕緣油液體壓力到應用層的實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變，要求節(jié)點滿足高穩(wěn)定、遠距離傳輸要求；考慮到油浸式電流互感器均為戶外設備，且本地年度溫差較大，壓力采集節(jié)點應具備良好的氣密性與防水防潮性能；此外，也需考慮冬季極寒天氣下節(jié)點供電的續(xù)航性能，以及電壓等級較高的戶外電流互感器在感應電影響下的安全、可靠性能。

綜上所述，通過制作專用轉(zhuǎn)接頭，利用導流管將互感器內(nèi)絕緣油從高空導流至地面設備構(gòu)架上的合適位置，將耐低溫傳感器、數(shù)顯裝置集中化裝箱并加裝保溫板及溫控措施，這樣就能減少本地區(qū)溫差較大導致的密封件熱脹冷縮和傳感器芯片失靈問題。同時從對應間隔端子箱內(nèi)取AC220V電源通過電源變換器給傳感器供電，解決了極寒天氣下的續(xù)航問題。通訊上為了提高可靠性及減少鋪設電纜的繁瑣，采用了成熟的LoRa 433無線方式，其穩(wěn)定、抗干擾、距離遠、易組網(wǎng)。

最終該系統(tǒng)由壓力采集單元、數(shù)據(jù)采集終端、數(shù)據(jù)集中單元、數(shù)據(jù)可視化平臺四部分組成。系統(tǒng)構(gòu)架圖如圖1所示。

圖1 壓力監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖

互感器內(nèi)絕緣油經(jīng)壓力采集單元中的轉(zhuǎn)換接頭和導流管引至采集終端，通過導壓孔加壓到傳感器壓阻元件上，壓阻元件受壓發(fā)生形變，產(chǎn)生阻抗變化，經(jīng)過換算形成實際壓力值，數(shù)據(jù)采集終端中的AD轉(zhuǎn)換模塊將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過數(shù)據(jù)隔離芯片把一些誤數(shù)據(jù)剔除出來，優(yōu)化后的數(shù)據(jù)通過主芯片STM32微控制進行再處理，最后由無線LoRa模塊打包發(fā)送至數(shù)據(jù)集中單元經(jīng)由主芯片STM32微控制器進行處理與運算，處理后的數(shù)據(jù)再由串口芯片按照特定規(guī)約的數(shù)據(jù)格式進行轉(zhuǎn)換供上位機讀取，最終實現(xiàn)對電流互感器內(nèi)部壓力的實時監(jiān)測。

2　系統(tǒng)硬件設計

2.1　數(shù)據(jù)采集終端硬件設計

數(shù)據(jù)采集終端的主要功能是將壓力傳感器、溫濕度傳感器采集到的數(shù)據(jù)周期性地發(fā)送至數(shù)據(jù)集中單元，同時接收數(shù)據(jù)集中單元的控制指令，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集終端和數(shù)據(jù)集中單元的雙向通信。數(shù)據(jù)采集終端以ARM主控芯片STM32F103RBT6為設計核心，采用模塊化結(jié)構(gòu)，由壓阻采集電路、主控芯片、AD轉(zhuǎn)換芯片、數(shù)據(jù)隔離芯片、無線收發(fā)芯片、外圍電路、電源電路等組成，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集終端硬件總體架構(gòu)

主控芯片采用STM32F103RBT6作為控制器，該芯片功耗小、抗干擾能力強，特別是在強電磁干擾的變電站環(huán)境下，能夠保證裝置的正常運行和通信。STM32單片機內(nèi)部集成了很多功能模塊，每個模塊都需要電源供電，因此接入電容C4用來維持輸入電壓的穩(wěn)定。Y1為STM32單片機提供16MHz的晶振頻率；C2、C3用來保證晶振兩端的電壓穩(wěn)定；C1維持電源輸入電壓穩(wěn)定，防止當電源電壓出現(xiàn)較大波動時引起內(nèi)部寄存器的配置發(fā)生變化；D4、D5為發(fā)光二極管，在調(diào)試程序過程中提供反饋；管腳42、43為隔離RS-485通信端口，管腳46、49為程序燒錄端口，提供SWD協(xié)議；管腳8、9、10接入非易失性存儲器，實現(xiàn)快速讀寫功能；管腳33-36為無線收發(fā)芯片進行SPI通信；20-23管腳復用為數(shù)據(jù)隔離芯片SPI通信端口；29、30管腳為無線收發(fā)芯片的IO接口；14-17管腳接按鍵接入，可以對采集終端的界面進行設置操作；55-57管腳為顯示屏的數(shù)據(jù)串行接口；52管腳接顯示屏的復位電路；51管腳為顯示屏的時鐘選擇片選。電路設計如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集終端控制器原理圖

壓阻元件受壓發(fā)生形變，產(chǎn)生阻抗變化，經(jīng)過換算形成實際壓力值，而單片機接口不能得到信號的電壓大小，因此需要將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。雖然STM32F103RBT6芯片中集成了兩個12位的A/D轉(zhuǎn)換器，但其精度達不到設計要求，因此需另選高精度的AD轉(zhuǎn)換器完成壓力的測量。AD7982是一款18位、逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它的引腳根據(jù)需要引用官方默認的配置，為了提高時鐘的溫度性，采用外部晶體振蕩器。SPI接口使用ADI公司生產(chǎn)的ADUM1411數(shù)據(jù)隔離芯片與微處理器進行隔離通信。C19和C20分別為數(shù)字電源穩(wěn)壓電容和模擬電源穩(wěn)壓電容，管腳3、4、5、6接STM32單片機，管腳11、12、13、14接A/D轉(zhuǎn)換器，可以為A/D轉(zhuǎn)換器和STM32單片機之間的SPI通信提供電氣隔離。圖4為數(shù)據(jù)采集終端AD轉(zhuǎn)換模塊原理圖。

圖4 數(shù)據(jù)采集終端AD轉(zhuǎn)換模塊原理圖

數(shù)據(jù)采集終端的PCB如圖5所示。每個角留出圓孔作為固定腳，在PCB的設計過程中需要注意應盡量確保地線的完整，天線附近盡量避免鋪底和布線，防止信號被干擾。

圖5 數(shù)據(jù)采集終端PCB圖

2.2　數(shù)據(jù)集中單元硬件設計

數(shù)據(jù)集中單元的主要功能是對數(shù)據(jù)采集終端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進行處理與運算，然后傳輸?shù)缴衔粰C讀取。集中單元系統(tǒng)模塊框圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)集中單元模塊框圖

主控芯片仍然使用STM32F103RBT6作為控制器，管腳46、49為程序燒錄端口，管腳42、43復用為LoRa通信模塊的讀寫接口，管腳45為LoRa通信模塊的復位端口。數(shù)據(jù)集中單元采用的是RS48總線方式進行數(shù)據(jù)傳輸。通常來講，RS485總線可以連接的設備是和使用的芯片有關的，本系統(tǒng)使用的是支持256個節(jié)點數(shù)的MAX1483芯片作為RS485收發(fā)芯片。管腳1為輸出端與STM32 Rx2相連，管腳4為驅(qū)動器輸入端與STM32Tx2相連，管腳2、3為接收、發(fā)送使能端與STM32 DE相連，高電平有效。管腳6為接收差分信號端同相接收器輸入和同相驅(qū)動器輸出，管腳7為發(fā)送差分信號端反相接收器輸入和反相驅(qū)動器輸出。當A引腳的電平高于B時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1。當A引腳的電平低于B時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。數(shù)據(jù)集中單元的電路原理圖如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)集中單元的電路原理圖

數(shù)據(jù)集中單元的PCB圖如圖8所示。需要注意的是在PCB上鋪地時，天線下面做到不布線，有利于信號收發(fā)的穩(wěn)定性。

圖8 數(shù)據(jù)集中單元PCB圖

3　系統(tǒng)軟件設計

3.1　數(shù)據(jù)采集終端軟件設計

數(shù)據(jù)采集終端軟件工作流程如圖9所示。

數(shù)據(jù)采集終端得電后，STM32F103RBT6讀取傳感器地址、擴頻因子、靈敏度、載波頻率、信號帶寬等參數(shù)，通過SPI對RT-F7139芯片進行初始化，開啟中斷，傳感器進行自檢。當傳感器存在故障時聲光報警，沒有故障則進行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后顯示在數(shù)顯屏上。網(wǎng)關根據(jù)設定時間喚醒傳感器，當傳感器得到喚醒命令后，采集壓力數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)處理，通過LoRa模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關。未接到喚醒時，傳感器保持休眠狀態(tài)。

3.2　數(shù)據(jù)集中單元軟件設計

數(shù)據(jù)集中單元軟件工作流程如圖10所示。

數(shù)據(jù)集中單元得電后，STM32F103RBT6進行初始化，當?shù)玫絇C端接收消息指令后，準備接收數(shù)據(jù)采集終端采集到的數(shù)據(jù)，如數(shù)據(jù)采集終端采集到數(shù)據(jù)并通訊成功，由串口芯片MAX1483按照特定規(guī)約的數(shù)據(jù)格式進行轉(zhuǎn)換供PC端讀取。如未采集到數(shù)據(jù)，則結(jié)束工作流程。

圖9 數(shù)據(jù)采集終端軟件工作流程圖

圖10 數(shù)據(jù)集中單元軟件工作流程圖

4　測試

數(shù)據(jù)可視化平臺可以實時顯示傳感器配置信息、互感器內(nèi)部壓力值，以及顯示互感器所處環(huán)境的實時情況?？梢暬脚_的數(shù)據(jù)庫主要有四張表，分別是配置信息表、實時數(shù)據(jù)表、分析數(shù)據(jù)表和歷史數(shù)據(jù)表。配置信息表保存了傳感器各自的編號，可以讓使用者知道數(shù)據(jù)來源，出現(xiàn)問題可以及時定位；實時數(shù)據(jù)表用來存儲傳輸上來的實時數(shù)據(jù)；歷史數(shù)據(jù)表保存著之前的壓力數(shù)據(jù)，方便日后進行分析和預測。配置信息表，實時數(shù)據(jù)表，分析數(shù)據(jù)表和歷史數(shù)據(jù)表測試分別如圖11、圖12、圖13、圖14所示。

圖11 配置信息測試表

圖12 實時數(shù)據(jù)測試表

圖13 分析數(shù)據(jù)測試表

圖14 歷史數(shù)據(jù)測試表

5　結(jié)語

本文設計了以STM32F103RBT6為核心的電流互感器內(nèi)部壓力監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)以LoRa通信技術將分析處理后數(shù)據(jù)發(fā)送至系統(tǒng)后臺，實現(xiàn)了壓力傳感器數(shù)據(jù)的長距離、高可靠性無線傳輸。該系統(tǒng)經(jīng)測試無問題后安裝在現(xiàn)場投入使用，并取得了良好效果。該系統(tǒng)最終實現(xiàn)了對電流互感器設備狀態(tài)的智能感知、數(shù)據(jù)異常提示、設備狀態(tài)的智能預警研判等功能，從整體上提高了運檢工作的效率，進一步實現(xiàn)了傳統(tǒng)人工運維模式向智能運維模式的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)了變電設備運檢從事后檢修到事前診斷及主動預警的轉(zhuǎn)化，具有廣泛的應用價值。

作者簡介：

王超偉（1993-），男，內(nèi)蒙古霍林郭勒人，工程師，學士，現(xiàn)就職于內(nèi)蒙古電力（集團）有限責任公司錫林郭勒供電分公司，研究方向為“云大物移智鏈”技術、能源互聯(lián)網(wǎng)、“物聯(lián)網(wǎng)+視聯(lián)”等技術在電氣自動化領域的創(chuàng)新應用。

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摘自《自動化博覽》2024年5月刊