配电变压器检测与控制系统

在我国配电网运输领域,配电变压器是非常重要的设备,尤其是配电网的输送、分配、使用。除了在工业、民生行业得到运用外,覆盖范围也非常广。但是,如果配电变压器出现故障,不但会损坏设备,还会引发大规模的停电事故。所以,为了规避配电变压器故障导致的后续问题,配电变压器检测与控制非常必要,需要实时监测运行状态,提高电网的运行质量。
为此,为了保证配电变压器的安全、稳定运行,设计配电变压器检测与控制系统十分必要。

1.配电变压器检测与控制系统设计要求

  (1)电能监测。针对配电变压器进行电能监测,监测的内容包含功率因数、三相电压、三相电流、无功功率、有功功率等;
  (2)运行环境监测。配电变压器在运行状态下,周围环境温升、散热等均会对设备带来影响,需要重点监测变压器油温与油位、周围环境温湿度等;
  (3)局部放电监测。配电变压器故障与绝缘性能老化有直接关系,导致局部放电的同时,也会引发绝缘性能老化,所以通过局部放电监测可以实时了解绝缘性能,避免变压器故障;
  (4)故障预警。因为配电变压器可能发生的故障情况比较复杂,且故障类型也比较多,所以难免会出现故障信息延迟的现象。通过检测与控制系统可以及时发出预警,通知维修人员及时维护。

2.配电变压器检测与控制系统结构

   配电变压器检测与控制系统主要功能的采集变压器在运行过程中的参数,负责状态参数储存、检测与故障定位处理等,包括现场监测系统、网络通信、管理中心3个部分。
  (1)现场监测系统。主要包括配电变压器、数据监测终端,其中配电变压器需要搭配传感器才能够感知到变压器当时的运行状态,而数据监测终端利用电缆、传感器的连接,可以采集变压器运行过程中形成的状态信息,进行数据分析、传输和控制;
  (2)网络通信。构建网络通信通道,可以在数据监测终端、管理中心之间达到数据交互的目的;
  (3)管理中心。管理中心包含服务器、上位机,数据监测终端将采集到的数据上传到管理中心,由管理中心进行分类、整理,帮助技术、维修人员了解当前运行状态。

3.配电变压器检测与控制系统设计方案

  3.1硬件设计

  设计配电变压器检测与控制系统需要用到单片机,作为功能实现的重要部件,装置硬件设计环节,发挥单片机所有软硬件资源的优势,将个别硬件扩充便可以采集得到电量数据,自动进行精准测试。
  单片机是硬件装置运行的关键,凭借该设备的硬件资源优势,可以在系统内集成模拟/数字转换器、输出器等模块电路,设计电路阶段便可以节省外围硬件电路成本。单片机在系统设计中运用,也有利于提高实时性,主要表现在3个方面:①CPU算术逻辑单元转变为寄存器-寄存器结构,可以规避累加器瓶颈效应,使操作速度得到提升;②通用寄存器的数量超过CPU,所以中断服务子程序内部的局部变量可以选择专用寄存器,节省保护现场、恢复现场软件方面的成本;③指令系统运行效率与执行速度提升,不仅提高了运算精度,还将程序加以简化。
  因为硬件设计对精度的要求比较高,所以在选择A/D转换器时,需要结合精度要求挑选合适的型号。例如高速12位A/D转换器,该装置内部包含采样保持器,转换时间较短,量化误差仅为1/4096,输入信号的分辨率高达2.44mV,转换效率/精度也满足运算要求。另外,该转换器和微处理器之间可以直接连接,而数据线/地址线等也可以直接连接单片机相应口线。对于单片机,主要采用16位工作方式,外部则采用8位外部总线方式,因此建议应用左对齐方式连接单片机。一方面可以在读取转换数据时,更加准确地储存数据;另一方面完成数据转换储存之后,后期的补码计算更加便捷。因为该装置的作用是对附近工频信号进行测取期间,不需要考虑到谐波这一因素,因此前向通道设计环节包括低通滤波电路,将高频谐波尖峰脉冲可能带来的干扰及时清除,提升计算精准度。在设计滤波电路时,建议采用二阶巴特沃思型低通滤波器。在交流信号方面,需要将基波以外的谐波全部滤除,并且设置截止频率,通常以150Hz为基准,反复3次以上便可以滤除所有谐波。设置直流信号时,要将截止频率调整为15Hz,为了使调试工作更加便捷地展开,设置滤波器放大倍数,可以将其调整为可调状态低通滤波器,需要搭配高速运算放大器,能够有效提升通道延迟效率。

  3.2软件设计

  按照配电变压器检测与控制系统设计要求,在软件设计环节分别按照现场监测终端软件、上位机软件、服务器软件的顺序进行设计,制定设计方案。
  (1)监测终端软件。在设计监测终端软件时需要关注系统运行状态,调整系统框架有利于加强系统运行稳定性。受到传统编程思维的影响,设计人员往往会采用裸机编程的方式。那么在设计软件时,便是以前后台编写机制为主,其中前台负责中断,后台负责主循环。但是现如今系统的功能越来越多样化,对于各个功能模块依赖关系的处理难度增加。如果程序规模拓展,系统复杂性也会随之提升,从而为后期的维护工作带来难题。因此,在设计监测终端软件时,可以应用实时操作系统。该系统属于开源可移植嵌入式实时操作系统,在编程中应用具有灵活性、便捷性的特点。除此之外,将该系统运用在软件设计阶段,也可以加强不同任务之间的独立性。在具体的设计过程中,可以将软件框架划分为硬件层、硬件抽象层、系统层、应用层。其中,硬件层直接组成变压器监测终端硬件平台,包含芯片、模块等。硬件抽象层负责提供接口,在驱动外设领域比较常用。一般常用的硬件抽象层可以采用ADC、ETH等,搭建实时操作系统内核硬件电路接口层,所有硬件电路功能模块抽象处理之后,为操作系统应用层提供接口,完成系统移植。系统层涉及到中断处理、实时操作系统内核等,利用硬件抽象层接口根据任务要求,由内核展开优先级管理与硬件资源的合理分配,使应用程序有需要的API接口。应用层的功能则是为各个系统服务,按照用户要求可以自行设计方案。
  (2)上位机软件。设计上位机软件主要功能是将配电变压器运行过程中的状态信息及时显示,针对状态信息展开深入分析与处理。一旦配电变压器出现故障,可以利用GPS定位系统及时掌握故障部位。当前上位机软件的设计语言比较多元化,例如Java、C++和VC等。但是部分设计语言相对烦琐,所以设计上位机软件时建议使用C#语言,可以提高设计效率,设计研发效率,缩短研发时间。
  (3)服务器软件。在设计环节利用网络通信链路,对监测终端和上位机软件之间的信息交互提供服务。另外,服务器内部具备数据库,主要是储存变压器状态信息数据。因为创建服务器软件前必须要准备服务器,当前可以采用的服务器包括物理服务器与云服务器,对比传统形式的物理服务器,运用云服务器更加安全,并且具有可弹性伸缩和经济性的优势。所以以云服务器为前提,对通信链路创建数据库储存进行分析与讨论,制定设计方案,创建通信链路时,可以使用Java、C++等编程语言,由于服务器采用Linux系统,所以可以搭配C++编程语言进行设计。储存数据库方面,MySQL属于开源数据库,在数据储存与传输方面的效率相对较高,并且应用范围比较广,所以建议使用该数据库。

4.结语

  综上所述,为了保证电力系统的安全运行,最大程度地降低电能损耗,减少设备的资金投入,需要加强对配电变压器的重视,从变压器数量、容量的选择开始,合理规划配电变压器运行模式,结合运行现状调整用电负荷。但在实践过程中,有时会因为过度关注电费与设备投资,选择容量小的变压器,如果两台变压器没有同时运行,便有可能会导致超载运行这一故障,缩短变压器的使用期限。配电变压器在运行的过程中,一旦发生故障必然会带来比较严重的影响,例如相关设备损坏或者停电故障,影响到配电网的安全运行。所以,在配电变压器运行状态下,需要创建检测与控制系统,实时监督配电变压器运行状态,可以快速了解故障所在位置,分析故障信息,及时通知维修人员将故障解决。利用配电变压器检测与控制系统,加强配电变压器运行的安全性与稳定性,也为今后相关故障检测与控制提供有价值的参考意见。

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