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★內蒙古電力（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；壓力監測；STM32微控制器

近年來，隨著電力系統的發展，電流互感器設備數量不斷增加。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，無防爆裝置，一旦發生嚴重熱故障未能及時發現，有可能發展成嚴重事故，甚至危及到隸屬的主設備或鄰近設備，給電力系統的安全、穩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平衡。隨著氣體的持續產生，當接近或達到溶解的飽和狀態后，游離氣體便釋放出來，在密閉空間的作用下使其內部壓力異常升高。如果設備密封出現破壞，表征出的特點是內部氣體產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，壓力呈現下降趨勢。

目前，在電力系統中，電流互感器長期以來沒有對應的保護及在線監測裝置，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，無具體數據依據，靠經驗預估預防，不能做到早發現早防治，因此突發事故時有發生，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部發生絕緣缺陷或發熱等故障、出現滲漏油等情況，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部實時采集壓力數據，就能掌握電流互感器的運行工況，也可以對出現的異常情況發出提前預警。

LoRa技術（長距離且低功耗數據傳輸技術）是2013年Semtech公司開發的頻譜在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，提供了一種能實現長距離大容量傳輸的系統，使無線傳感器網絡得以擴充。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、智慧城市、智慧社區等領域得到廣泛應用，但在電力系統用于壓力監測較為少見。基于此，本研究設計了一種基于LoRa技術的電流互感器內部壓力監測裝置，以實現對電流互感器運行工況實時監測的功能。

1　系統總體結構設計

本系統是為解決實時監測電流互感器內部壓力而設計，施工過程中需要使用壓阻壓力傳感器將電流互感器內部的液體壓力物理量轉化為電信號，并通過無線傳輸的方式，將采集到的數據傳輸到應用層使用。本次系統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據轉變，要求節點滿足高穩定、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點供電的續航性能，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，通過制作專用轉接頭，利用導流管將互感器內絕緣油從高空導流至地面設備構架上的合適位置，將耐低溫傳感器、數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，其穩定、抗干擾、距離遠、易組網。

最終該系統由壓力采集單元、數據采集終端、數據集中單元、數據可視化平臺四部分組成。系統構架圖如圖1所示。

圖1 壓力監測系統架構圖

互感器內絕緣油經壓力采集單元中的轉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，壓阻元件受壓發生形變，產生阻抗變化，經過換算形成實際壓力值，數據采集終端中的AD轉換模塊將其轉換成數字信號，通過數據隔離芯片把一些誤數據剔除出來，優化后的數據通過主芯片STM32微控制進行再處理，最后由無線LoRa模塊打包發送至數據集中單元經由主芯片STM32微控制器進行處理與運算，處理后的數據再由串口芯片按照特定規約的數據格式進行轉換供上位機讀取，最終實現對電流互感器內部壓力的實時監測。

2　系統硬件設計

2.1　數據采集終端硬件設計

數據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據周期性地發送至數據集中單元，同時接收數據集中單元的控制指令，從而實現數據采集終端和數據集中單元的雙向通信。數據采集終端以ARM主控芯片STM32F103RBT6為設計核心，采用模塊化結構，由壓阻采集電路、主控芯片、AD轉換芯片、數據隔離芯片、無線收發芯片、外圍電路、電源電路等組成，如圖2所示。

圖2 數據采集終端硬件總體架構

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境下，能夠保證裝置的正常運行和通信。STM32單片機內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定；C1維持電源輸入電壓穩定，防止當電源電壓出現較大波動時引起內部寄存器的配置發生變化；D4、D5為發光二極管，在調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協議；管腳8、9、10接入非易失性存儲器，實現快速讀寫功能；管腳33-36為無線收發芯片進行SPI通信；20-23管腳復用為數據隔離芯片SPI通信端口；29、30管腳為無線收發芯片的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管腳為顯示屏的數據串行接口；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 數據采集終端控制器原理圖

壓阻元件受壓發生形變，產生阻抗變化，經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換成數字信號。雖然STM32F103RBT6芯片中集成了兩個12位的A/D轉換器，但其精度達不到設計要求，因此需另選高精度的AD轉換器完成壓力的測量。AD7982是一款18位、逐次逼近型模數轉換器，它的引腳根據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公司生產的ADUM1411數據隔離芯片與微處理器進行隔離通信。C19和C20分別為數字電源穩壓電容和模擬電源穩壓電容，管腳3、4、5、6接STM32單片機，管腳11、12、13、14接A/D轉換器，可以為A/D轉換器和STM32單片機之間的SPI通信提供電氣隔離。圖4為數據采集終端AD轉換模塊原理圖。

圖4 數據采集終端AD轉換模塊原理圖

數據采集終端的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 數據采集終端PCB圖

2.2　數據集中單元硬件設計

數據集中單元的主要功能是對數據采集終端發送過來的數據進行處理與運算，然后傳輸到上位機讀取。集中單元系統模塊框圖如圖6所示。

圖6 數據集中單元模塊框圖

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。數據集中單元采用的是RS48總線方式進行數據傳輸。通常來講，RS485總線可以連接的設備是和使用的芯片有關的，本系統使用的是支持256個節點數的MAX1483芯片作為RS485收發芯片。管腳1為輸出端與STM32 Rx2相連，管腳4為驅動器輸入端與STM32Tx2相連，管腳2、3為接收、發送使能端與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動器輸出，管腳7為發送差分信號端反相接收器輸入和反相驅動器輸出。當A引腳的電平高于B時，代表發送的數據為1。當A引腳的電平低于B時，代表發送的數據為0。數據集中單元的電路原理圖如圖7所示。

圖7 數據集中單元的電路原理圖

數據集中單元的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，有利于信號收發的穩定性。

圖8 數據集中單元PCB圖

3　系統軟件設計

3.1　數據采集終端軟件設計

數據采集終端軟件工作流程如圖9所示。

數據采集終端得電后，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，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，沒有故障則進行數據采集，數據經過處理后顯示在數顯屏上。網關根據設定時間喚醒傳感器，當傳感器得到喚醒命令后，采集壓力數據并進行數據處理，通過LoRa模塊將數據發送給網關。未接到喚醒時，傳感器保持休眠狀態。

3.2　數據集中單元軟件設計

數據集中單元軟件工作流程如圖10所示。

數據集中單元得電后，STM32F103RBT6進行初始化，當得到PC端接收消息指令后，準備接收數據采集終端采集到的數據，如數據采集終端采集到數據并通訊成功，由串口芯片MAX1483按照特定規約的數據格式進行轉換供PC端讀取。如未采集到數據，則結束工作流程。

圖9 數據采集終端軟件工作流程圖

圖10 數據集中單元軟件工作流程圖

4　測試

數據可視化平臺可以實時顯示傳感器配置信息、互感器內部壓力值，以及顯示互感器所處環境的實時情況。可視化平臺的數據庫主要有四張表，分別是配置信息表、實時數據表、分析數據表和歷史數據表。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據來源，出現問題可以及時定位；實時數據表用來存儲傳輸上來的實時數據；歷史數據表保存著之前的壓力數據，方便日后進行分析和預測。配置信息表，實時數據表，分析數據表和歷史數據表測試分別如圖11、圖12、圖13、圖14所示。

圖11 配置信息測試表

圖12 實時數據測試表

圖13 分析數據測試表

圖14 歷史數據測試表

5　結語

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

作者簡介：

王超偉（1993-），男，內蒙古霍林郭勒人，工程師，學士，現就職于內蒙古電力（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、能源互聯網、“物聯網+視聯”等技術在電氣自動化領域的創新應用。

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摘自《自動化博覽》2024年5月刊