★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(guān)鍵詞：電流互感器；LoRa技術(shù)；壓力監測；STM32微控制器

近年來(lái)，隨著(zhù)電力系統的發(fā)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(chǎng)強較集中，且多處于密封狀態(tài)，無(wú)防爆裝置，一旦發(fā)生嚴重熱故障未能及時(shí)發(fā)現，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，給電力系統的安全、穩定運行造成直接威脅。電流互感器正常運行時(shí)，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(dòng)態(tài)平衡。隨著(zhù)氣體的持續產(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(lái)，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(diǎn)是內部氣體產(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(cháng)期以來(lái)沒(méi)有對應的保護及在線(xiàn)監測裝置，其運行維護是通過(guò)日常的巡察巡視及例行檢修來(lái)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(méi)有專(zhuān)用的在線(xiàn)工具或裝置，無(wú)具體數據依據，靠經(jīng)驗預估預防，不能做到早發(fā)現早防治，因此突發(fā)事故時(shí)有發(fā)生，會(huì )造成較大事故和損失。通過(guò)大量的檢修實(shí)例及相關(guān)資料的學(xué)習，我們認為電流互感器內部發(fā)生絕緣缺陷或發(fā)熱等故障、出現滲漏油等情況，都可以通過(guò)壓力的變化表征出來(lái)。因此我們認定，通過(guò)對電流互感器內部實(shí)時(shí)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(fā)出提前預警。

LoRa技術(shù)（長(cháng)距離且低功耗數據傳輸技術(shù)）是2013年Semtech公司開(kāi)發(fā)的頻譜在1GHz以下，接收靈敏度可達-148dBm的LPWAN通信技術(shù)。它是一種基于擴頻技術(shù)的長(cháng)距離無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)，解決了傳輸距離與功耗的矛盾，提供了一種能實(shí)現長(cháng)距離大容量傳輸的系統，使無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )得以擴充。LoRa技術(shù)具有通信距離長(cháng)、通信容量大、通信低功耗、信號擴頻正交等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)使其在智能抄表、智能停車(chē)、車(chē)輛追蹤、寵物跟蹤、智慧畜牧、智慧工業(yè)、智慧城市、智慧社區等領(lǐng)域得到廣泛應用，但在電力系統用于壓力監測較為少見(jiàn)?；诖?，本研究設計了一種基于LoRa技術(shù)的電流互感器內部壓力監測裝置，以實(shí)現對電流互感器運行工況實(shí)時(shí)監測的功能。

1　系統總體結構設計

本系統是為解決實(shí)時(shí)監測電流互感器內部壓力而設計，施工過(guò)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(guò)無(wú)線(xiàn)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(shí)時(shí)數據轉變，要求節點(diǎn)滿(mǎn)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(hù)外設備，且本地年度溫差較大，壓力采集節點(diǎn)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(diǎn)供電的續航性能，以及電壓等級較高的戶(hù)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(guò)制作專(zhuān)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(wèn)題。同時(shí)從對應間隔端子箱內取AC220V電源通過(guò)電源變換器給傳感器供電，解決了極寒天氣下的續航問(wèn)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(wú)線(xiàn)方式，其穩定、抗干擾、距離遠、易組網(wǎng)。

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(jīng)壓力采集單元中的轉換接頭和導流管引至采集終端，通過(guò)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(guò)換算形成實(shí)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(guò)數據隔離芯片把一些誤數據剔除出來(lái)，優(yōu)化后的數據通過(guò)主芯片STM32微控制進(jìn)行再處理，最后由無(wú)線(xiàn)LoRa模塊打包發(fā)送至數據集中單元經(jīng)由主芯片STM32微控制器進(jìn)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(jìn)行轉換供上位機讀取，最終實(shí)現對電流互感器內部壓力的實(shí)時(shí)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(fā)送至數據集中單元，同時(shí)接收數據集中單元的控制指令，從而實(shí)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(wú)線(xiàn)收發(fā)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(huán)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(gè)模塊都需要電源供電，因此接入電容C4用來(lái)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(lái)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(dòng)時(shí)引起內部寄存器的配置發(fā)生變化；D4、D5為發(fā)光二極管，在調試程序過(guò)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(shí)現快速讀寫(xiě)功能；管腳33-36為無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片進(jìn)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(wú)線(xiàn)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(jìn)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(shí)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(fā)生形變，產(chǎn)生阻抗變化，經(jīng)過(guò)換算形成實(shí)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(gè)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(shí)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數據隔離芯片與微處理器進(jìn)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(gè)角留出圓孔作為固定腳，在PCB的設計過(guò)程中需要注意應盡量確保地線(xiàn)的完整，天線(xiàn)附近盡量避免鋪底和布線(xiàn)，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(fā)送過(guò)來(lái)的數據進(jìn)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L(cháng)oRa通信模塊的讀寫(xiě)接口，管腳45為L(cháng)oRa通信模塊的復位端口。數據集中單元采用的是RS48總線(xiàn)方式進(jìn)行數據傳輸。通常來(lái)講，RS485總線(xiàn)可以連接的設備是和使用的芯片有關(guān)的，本系統使用的是支持256個(gè)節點(diǎn)數的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為驅動(dòng)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動(dòng)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動(dòng)器輸出。當A引腳的電平高于B時(shí)，代表發(fā)送的數據為1。當A引腳的電平低于B時(shí)，代表發(fā)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(shí)，天線(xiàn)下面做到不布線(xiàn)，有利于信號收發(fā)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(guò)SPI對RT-F7139芯片進(jìn)行初始化，開(kāi)啟中斷，傳感器進(jìn)行自檢。當傳感器存在故障時(shí)聲光報警，沒(méi)有故障則進(jìn)行數據采集，數據經(jīng)過(guò)處理后顯示在數顯屏上。網(wǎng)關(guān)根據設定時(shí)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(jìn)行數據處理，通過(guò)LoRa模塊將數據發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。未接到喚醒時(shí)，傳感器保持休眠狀態(tài)。

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(jìn)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(jìn)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(shí)時(shí)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(huán)境的實(shí)時(shí)情況?？梢暬脚_的數據庫主要有四張表，分別是配置信息表、實(shí)時(shí)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(lái)源，出現問(wèn)題可以及時(shí)定位；實(shí)時(shí)數據表用來(lái)存儲傳輸上來(lái)的實(shí)時(shí)數據；歷史數據表保存著(zhù)之前的壓力數據，方便日后進(jìn)行分析和預測。配置信息表，實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(yǔ)

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L(fǎng)oRa通信技術(shù)將分析處理后數據發(fā)送至系統后臺，實(shí)現了壓力傳感器數據的長(cháng)距離、高可靠性無(wú)線(xiàn)傳輸。該系統經(jīng)測試無(wú)問(wèn)題后安裝在現場(chǎng)投入使用，并取得了良好效果。該系統最終實(shí)現了對電流互感器設備狀態(tài)的智能感知、數據異常提示、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(jìn)一步實(shí)現了傳統人工運維模式向智能運維模式的轉變，實(shí)現了變電設備運檢從事后檢修到事前診斷及主動(dòng)預警的轉化，具有廣泛的應用價(jià)值。

作者簡(jiǎn)介：

王超偉（1993-），男，內蒙古霍林郭勒人，工程師，學(xué)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(shù)、能源互聯(lián)網(wǎng)、“物聯(lián)網(wǎng)+視聯(lián)”等技術(shù)在電氣自動(dòng)化領(lǐng)域的創(chuàng )新應用。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2024年5月刊