在我國配電網(wǎng)運(yùn)輸領(lǐng)域，配電變壓器是非常重要的設(shè)備，尤其是配電網(wǎng)的輸送、分配、使用。除了在工業(yè)、民生行業(yè)得到運(yùn)用外，覆蓋范圍也非常廣。但是，如果配電變壓器出現(xiàn)故障，不但會損壞設(shè)備，還會引發(fā)大規(guī)模的停電事故。所以，為了規(guī)避配電變壓器故障導(dǎo)致的后續(xù)問題，配電變壓器檢測與控制非常必要，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測運(yùn)行狀態(tài)，提高電網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量。
為此，為了保證配電變壓器的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)計(jì)配電變壓器檢測與控制系統(tǒng)十分必要。
1.配電變壓器檢測與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求
（1）電能監(jiān)測。針對配電變壓器進(jìn)行電能監(jiān)測，監(jiān)測的內(nèi)容包含功率因數(shù)、三相電壓、三相電流、無功功率、有功功率等；
（2）運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測。配電變壓器在運(yùn)行狀態(tài)下，周圍環(huán)境溫升、散熱等均會對設(shè)備帶來影響，需要重點(diǎn)監(jiān)測變壓器油溫與油位、周圍環(huán)境溫濕度等；
?。?）局部放電監(jiān)測。配電變壓器故障與絕緣性能老化有直接關(guān)系，導(dǎo)致局部放電的同時(shí)，也會引發(fā)絕緣性能老化，所以通過局部放電監(jiān)測可以實(shí)時(shí)了解絕緣性能，避免變壓器故障；
（4）故障預(yù)警。因?yàn)榕潆娮儔浩骺赡馨l(fā)生的故障情況比較復(fù)雜，且故障類型也比較多，所以難免會出現(xiàn)故障信息延遲的現(xiàn)象。通過檢測與控制系統(tǒng)可以及時(shí)發(fā)出預(yù)警，通知維修人員及時(shí)維護(hù)。
2.配電變壓器檢測與控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
配電變壓器檢測與控制系統(tǒng)主要功能的采集變壓器在運(yùn)行過程中的參數(shù)，負(fù)責(zé)狀態(tài)參數(shù)儲存、檢測與故障定位處理等，包括現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信、管理中心3個(gè)部分。
?。?）現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)。主要包括配電變壓器、數(shù)據(jù)監(jiān)測終端，其中配電變壓器需要搭配傳感器才能夠感知到變壓器當(dāng)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)，而數(shù)據(jù)監(jiān)測終端利用電纜、傳感器的連接，可以采集變壓器運(yùn)行過程中形成的狀態(tài)信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、傳輸和控制；
?。?）網(wǎng)絡(luò)通信。構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)通信通道，可以在數(shù)據(jù)監(jiān)測終端、管理中心之間達(dá)到數(shù)據(jù)交互的目的；
?。?）管理中心。管理中心包含服務(wù)器、上位機(jī)，數(shù)據(jù)監(jiān)測終端將采集到的數(shù)據(jù)上傳到管理中心，由管理中心進(jìn)行分類、整理，幫助技術(shù)、維修人員了解當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。
3.配電變壓器檢測與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
3.1硬件設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)配電變壓器檢測與控制系統(tǒng)需要用到單片機(jī)，作為功能實(shí)現(xiàn)的重要部件，裝置硬件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，發(fā)揮單片機(jī)所有軟硬件資源的優(yōu)勢，將個(gè)別硬件擴(kuò)充便可以采集得到電量數(shù)據(jù)，自動進(jìn)行精準(zhǔn)測試。
單片機(jī)是硬件裝置運(yùn)行的關(guān)鍵，憑借該設(shè)備的硬件資源優(yōu)勢，可以在系統(tǒng)內(nèi)集成模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器、輸出器等模塊電路，設(shè)計(jì)電路階段便可以節(jié)省外圍硬件電路成本。單片機(jī)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中運(yùn)用，也有利于提高實(shí)時(shí)性，主要表現(xiàn)在3個(gè)方面：①CPU算術(shù)邏輯單元轉(zhuǎn)變?yōu)榧拇嫫?寄存器結(jié)構(gòu)，可以規(guī)避累加器瓶頸效應(yīng)，使操作速度得到提升；②通用寄存器的數(shù)量超過CPU，所以中斷服務(wù)子程序內(nèi)部的局部變量可以選擇專用寄存器，節(jié)省保護(hù)現(xiàn)場、恢復(fù)現(xiàn)場軟件方面的成本；③指令系統(tǒng)運(yùn)行效率與執(zhí)行速度提升，不僅提高了運(yùn)算精度，還將程序加以簡化。
因?yàn)橛布O(shè)計(jì)對精度的要求比較高，所以在選擇A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，需要結(jié)合精度要求挑選合適的型號。例如高速12位A/D轉(zhuǎn)換器，該裝置內(nèi)部包含采樣保持器，轉(zhuǎn)換時(shí)間較短，量化誤差僅為1/4096，輸入信號的分辨率高達(dá)2.44mV，轉(zhuǎn)換效率/精度也滿足運(yùn)算要求。另外，該轉(zhuǎn)換器和微處理器之間可以直接連接，而數(shù)據(jù)線/地址線等也可以直接連接單片機(jī)相應(yīng)口線。對于單片機(jī)，主要采用16位工作方式，外部則采用8位外部總線方式，因此建議應(yīng)用左對齊方式連接單片機(jī)。一方面可以在讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)時(shí)，更加準(zhǔn)確地儲存數(shù)據(jù)；另一方面完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換儲存之后，后期的補(bǔ)碼計(jì)算更加便捷。因?yàn)樵撗b置的作用是對附近工頻信號進(jìn)行測取期間，不需要考慮到諧波這一因素，因此前向通道設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)包括低通濾波電路，將高頻諧波尖峰脈沖可能帶來的干擾及時(shí)清除，提升計(jì)算精準(zhǔn)度。在設(shè)計(jì)濾波電路時(shí)，建議采用二階巴特沃思型低通濾波器。在交流信號方面，需要將基波以外的諧波全部濾除，并且設(shè)置截止頻率，通常以150Hz為基準(zhǔn)，反復(fù)3次以上便可以濾除所有諧波。設(shè)置直流信號時(shí)，要將截止頻率調(diào)整為15Hz，為了使調(diào)試工作更加便捷地展開，設(shè)置濾波器放大倍數(shù)，可以將其調(diào)整為可調(diào)狀態(tài)低通濾波器，需要搭配高速運(yùn)算放大器，能夠有效提升通道延遲效率。
3.2軟件設(shè)計(jì)
按照配電變壓器檢測與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，在軟件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)分別按照現(xiàn)場監(jiān)測終端軟件、上位機(jī)軟件、服務(wù)器軟件的順序進(jìn)行設(shè)計(jì)，制定設(shè)計(jì)方案。
（1）監(jiān)測終端軟件。在設(shè)計(jì)監(jiān)測終端軟件時(shí)需要關(guān)注系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)整系統(tǒng)框架有利于加強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。受到傳統(tǒng)編程思維的影響，設(shè)計(jì)人員往往會采用裸機(jī)編程的方式。那么在設(shè)計(jì)軟件時(shí)，便是以前后臺編寫機(jī)制為主，其中前臺負(fù)責(zé)中斷，后臺負(fù)責(zé)主循環(huán)。但是現(xiàn)如今系統(tǒng)的功能越來越多樣化，對于各個(gè)功能模塊依賴關(guān)系的處理難度增加。如果程序規(guī)模拓展，系統(tǒng)復(fù)雜性也會隨之提升，從而為后期的維護(hù)工作帶來難題。因此，在設(shè)計(jì)監(jiān)測終端軟件時(shí)，可以應(yīng)用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)屬于開源可移植嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，在編程中應(yīng)用具有靈活性、便捷性的特點(diǎn)。除此之外，將該系統(tǒng)運(yùn)用在軟件設(shè)計(jì)階段，也可以加強(qiáng)不同任務(wù)之間的獨(dú)立性。在具體的設(shè)計(jì)過程中，可以將軟件框架劃分為硬件層、硬件抽象層、系統(tǒng)層、應(yīng)用層。其中，硬件層直接組成變壓器監(jiān)測終端硬件平臺，包含芯片、模塊等。硬件抽象層負(fù)責(zé)提供接口，在驅(qū)動外設(shè)領(lǐng)域比較常用。一般常用的硬件抽象層可以采用ADC、ETH等，搭建實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核硬件電路接口層，所有硬件電路功能模塊抽象處理之后，為操作系統(tǒng)應(yīng)用層提供接口，完成系統(tǒng)移植。系統(tǒng)層涉及到中斷處理、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核等，利用硬件抽象層接口根據(jù)任務(wù)要求，由內(nèi)核展開優(yōu)先級管理與硬件資源的合理分配，使應(yīng)用程序有需要的API接口。應(yīng)用層的功能則是為各個(gè)系統(tǒng)服務(wù)，按照用戶要求可以自行設(shè)計(jì)方案。
?。?）上位機(jī)軟件。設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件主要功能是將配電變壓器運(yùn)行過程中的狀態(tài)信息及時(shí)顯示，針對狀態(tài)信息展開深入分析與處理。一旦配電變壓器出現(xiàn)故障，可以利用GPS定位系統(tǒng)及時(shí)掌握故障部位。當(dāng)前上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)語言比較多元化，例如Java、C++和VC等。但是部分設(shè)計(jì)語言相對煩瑣，所以設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件時(shí)建議使用C#語言，可以提高設(shè)計(jì)效率，設(shè)計(jì)研發(fā)效率，縮短研發(fā)時(shí)間。
?。?）服務(wù)器軟件。在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)利用網(wǎng)絡(luò)通信鏈路，對監(jiān)測終端和上位機(jī)軟件之間的信息交互提供服務(wù)。另外，服務(wù)器內(nèi)部具備數(shù)據(jù)庫，主要是儲存變壓器狀態(tài)信息數(shù)據(jù)。因?yàn)閯?chuàng)建服務(wù)器軟件前必須要準(zhǔn)備服務(wù)器，當(dāng)前可以采用的服務(wù)器包括物理服務(wù)器與云服務(wù)器，對比傳統(tǒng)形式的物理服務(wù)器，運(yùn)用云服務(wù)器更加安全，并且具有可彈性伸縮和經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢。所以以云服務(wù)器為前提，對通信鏈路創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫儲存進(jìn)行分析與討論，制定設(shè)計(jì)方案，創(chuàng)建通信鏈路時(shí)，可以使用Java、C++等編程語言，由于服務(wù)器采用Linux系統(tǒng)，所以可以搭配C++編程語言進(jìn)行設(shè)計(jì)。儲存數(shù)據(jù)庫方面，MySQL屬于開源數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)儲存與傳輸方面的效率相對較高，并且應(yīng)用范圍比較廣，所以建議使用該數(shù)據(jù)庫。
4.結(jié)語
綜上所述，為了保證電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，最大程度地降低電能損耗，減少設(shè)備的資金投入，需要加強(qiáng)對配電變壓器的重視，從變壓器數(shù)量、容量的選擇開始，合理規(guī)劃配電變壓器運(yùn)行模式，結(jié)合運(yùn)行現(xiàn)狀調(diào)整用電負(fù)荷。但在實(shí)踐過程中，有時(shí)會因?yàn)檫^度關(guān)注電費(fèi)與設(shè)備投資，選擇容量小的變壓器，如果兩臺變壓器沒有同時(shí)運(yùn)行，便有可能會導(dǎo)致超載運(yùn)行這一故障，縮短變壓器的使用期限。配電變壓器在運(yùn)行的過程中，一旦發(fā)生故障必然會帶來比較嚴(yán)重的影響，例如相關(guān)設(shè)備損壞或者停電故障，影響到配電網(wǎng)的安全運(yùn)行。所以，在配電變壓器運(yùn)行狀態(tài)下，需要創(chuàng)建檢測與控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)督配電變壓器運(yùn)行狀態(tài)，可以快速了解故障所在位置，分析故障信息，及時(shí)通知維修人員將故障解決。利用配電變壓器檢測與控制系統(tǒng)，加強(qiáng)配電變壓器運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性，也為今后相關(guān)故障檢測與控制提供有價(jià)值的參考意見。
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