趙方等

摘要：針對當前農(nóng)村野外變壓器采用模擬溫度傳感器測溫，利用有線傳輸優(yōu)化遠程監(jiān)控存在的電路復雜、數(shù)據(jù)錯誤率高、傳輸距離有限以及風冷系統(tǒng)普遍不具備節(jié)能功能等不足，設計了以MSP430單片機和DS18B20數(shù)字溫度傳感器為主要控制器件，以變壓器油面溫度和變壓器負荷結(jié)合作為控制標準，采用模糊控制算法對變壓器的風冷系統(tǒng)實現(xiàn)了自動節(jié)能控制。利用GSM網(wǎng)絡，將變壓器的溫度、風機及溫度傳感器等的運行情況以短信息的形式實時傳送至管理員手機和監(jiān)控中心上位機，實現(xiàn)了農(nóng)村野外變壓器溫度的遠程集中監(jiān)控及自動節(jié)能。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能使變壓器溫度在不同負荷、不同環(huán)境溫度下，保持在一個相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)，利于延長變壓器和風機的壽命和安全運行，方便農(nóng)村野外變壓器的集中管理。

關鍵詞：DS18B20數(shù)字溫度傳感器；MSP430單片機；GSM遠程監(jiān)控；節(jié)能

中圖分類號：TM403.9 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）17-4304-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.17.052

目前，油浸式變壓器容量大于8 000 kVA的都采用風冷裝置，容量在63 MVA以上的變壓器一般均采用強油風冷或強油水冷的冷卻方式[1]。引起變壓器運行溫度變化的原因主要有變壓器的損耗和環(huán)境氣溫的影響，由于油浸式變壓器易燃、不防火，因此對于油浸式變壓器的溫度控制至關重要。變壓器的風冷控制設備大都采用傳統(tǒng)的繼電器控制模式，通過溫度控制器機械觸點的開閉來控制交流接觸器的線圈，從而接通風機的工作回路。這種模式線路復雜、器件故障率高，并且變壓器風冷系統(tǒng)的工作情況主要靠值班員的不斷巡視來檢測，尤其對于農(nóng)村野外農(nóng)用變壓器的管理則需要花費大量的人力資源。

為方便農(nóng)村野外分散在不同地區(qū)變壓器的集中管理，設計了基于GSM網(wǎng)絡的變壓器風冷系統(tǒng)的節(jié)能及集中管理控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用MSP430單片機作為控制核心，控制器功耗低、處理速度快、抗干擾能力強，能適應復雜的電磁環(huán)境。風冷自動控制系統(tǒng)中溫度的檢測是很重要的環(huán)節(jié)，設計采用單總線結(jié)構(gòu)的數(shù)字溫度傳感器DS18B20對油浸式變壓器上層油面的溫度進行測量，目前變壓器的集中監(jiān)控都是通過無線發(fā)射模塊或RS-485通訊或光纖傳輸?shù)确绞竭M行數(shù)據(jù)遠傳的，變電站電磁干擾很強，所以傳統(tǒng)的遠程傳輸方式容易引起數(shù)據(jù)錯誤或丟失。設計采用TC35i GSM通信模塊，不需要增加額外的線路就可以實時將現(xiàn)場溫度信息經(jīng)由GSM無線通信網(wǎng)絡以短信息的形式發(fā)送到管理員手機和監(jiān)控中心上位機，管理員不需要巡視就可實時掌握自己管轄范圍內(nèi)的每臺變壓器的風冷系統(tǒng)的工作情況，而且GSM網(wǎng)絡傳輸距離不受限制，實現(xiàn)了農(nóng)村野外分散使用的變壓器風冷系統(tǒng)的遠程集中監(jiān)控，有效地延長了變壓器及其風冷系統(tǒng)的壽命。

1 整體設計

該系統(tǒng)設計的油浸式變壓器溫度自動控制及遠程監(jiān)控系統(tǒng)由3部分組成：一是以MSP430單片機和數(shù)字溫度傳感器DS18B20為核心的控制終端，設計了針對6個風機的風冷變壓器，具有6個上層油面溫度取樣點，6個DS18B20可以掛在一條總線上，測量電路結(jié)構(gòu)簡單、方便，能夠完成溫度的實時檢測。風機控制電路控制風機的自動啟/停，還有溫度顯示、溫度設定、故障報警等功能。二是以TC35i通訊模塊和GSM網(wǎng)絡為核心的變壓器溫度信息及風機的運行狀態(tài)信息的遠程傳輸系統(tǒng)，完成對變壓器溫度、風機運行狀態(tài)等信息的遠程傳輸功能。三是用戶手機終端和監(jiān)控中心上位機終端，用以接收控制終端的實時信息，從而實現(xiàn)對所管理的變壓器風冷系統(tǒng)的遠程實時監(jiān)控。系統(tǒng)整體設計框圖如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 控制器的選擇

變壓器工作環(huán)境比較復雜、電磁干擾強，主控制器選擇TI公司的MSP430單片機，該單片機具有超低功耗、工作速度快、工作電壓低、抗干擾能力極強[2，3]。MSP430單片機最小系統(tǒng)由電源電路、時鐘電路和復位電路組成，電源電路采用二極管全波整流、濾波和固定穩(wěn)壓電路和可調(diào)穩(wěn)壓電路組成，可得到系統(tǒng)需要的各種等級的直流電壓。復位電路采用專用復位芯片IMP809以保證可靠復位，時鐘采用高頻晶振電路。

2.2 溫度檢測電路的設計

目前，變壓器油浸測溫方式大都是對變壓器的頂層油溫通過鉑電阻測量，電阻信號通過變送電路轉(zhuǎn)換成4～20 mA電流信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機，這種通過遠距離傳輸后進行A/D轉(zhuǎn)換的方式，測量誤差大、抗干擾能力弱。本研究采用了DALLAS公司的數(shù)字溫度傳感器DS18B20，參考ZDGC 1103《110（66）～500 kV油浸式變壓器（電抗器）運行規(guī)范》采用強迫風冷方式的變壓器最高頂層油溫的允許極限溫度為85 ℃，而DS18B20的測溫范圍是55～125 ℃，完全可以滿足測溫要求。該傳感器共3個引腳——地信號、數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳和可選擇的VDD引腳，具有低功耗、微型化、高性能、抗干擾性強等優(yōu)點，其獨特的單總線接口方式，只需一個引腳即可通信，大大簡化了電路。工作電壓范圍為3.0～5.5 V，可用數(shù)據(jù)線供電，不需要額外電源接入。每一個DS18B20都有一個惟一的64位ROM序列碼，多個DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點測溫且不增加額外電路；通過編程可設置分辨率為9～12位，溫度分辨率可達0.062 5 ℃，完全可以滿足精度要求。測量結(jié)果直接以數(shù)字信號形式輸出，具有很強的抗干擾糾錯能力，還可方便于遠程傳輸。

溫度控制器一般在變壓器的工作現(xiàn)場，本設計采用DS18B20本身的數(shù)據(jù)線供電以簡化電路。系統(tǒng)共設計了6個變壓器上層油溫的取樣點，6個油溫取樣點的溫度傳感器掛在一條數(shù)據(jù)線上，通過單片機的P2.2口送給單片機處理，單片機根據(jù)每個DS18B20的ROM序列碼查詢是哪個取樣點的溫度。溫度檢測電路如圖2所示。

2.3 鍵盤、顯示、時鐘及報警控制電路endprint

顯示及按鍵控制電路的功能是在主控電路的控制下，設定變壓器的溫度、顯示變壓器的溫度及風機的運行狀況等信息。該設計采用獨立式鍵盤，共設置了4個按鍵：設置鍵、加鍵、減鍵以及確認鍵，通過鍵盤的加鍵、減鍵設定變壓器在不同時間所允許的上層油面的溫度。系統(tǒng)選用LCD12864作為顯示器件，以實時顯示變壓器的溫度以及風機的運行情況和各種報警信息，LCD12864具有低電壓、低功耗、顯示程序和硬件電路結(jié)構(gòu)簡單等特點。

系統(tǒng)時鐘采用美國DALLAS公司的DS1302時鐘芯片，該芯片具有低功耗、高性能、價格低廉、使用方便等特點，該芯片自帶RAM可以對年、月、日、周、時、分、秒進行計時，系統(tǒng)時鐘的功能是作為整個控制系統(tǒng)的時鐘，以記憶故障具體時間等[3]。系統(tǒng)的報警電路采用聲光報警，設有超溫報警和風機故障報警等，通過聲光報警及時提醒管理人員及時做出處理。這些功能分別占據(jù)了MSP430的P1、P2、P4、P5部分I/O端口，其電路圖如圖3所示。

2.4 GSM通訊電路

選用TC35i通訊模塊，TC35i是西門子工業(yè)GSM模塊，支持中文短信息，TC35i由供電模塊、閃存、ZIF連接器、天線接口、射頻模塊等5部分組成，通過接口連接器和天線連接器分別連接SIM卡讀卡器和天線。TC35i的數(shù)據(jù)接口（CMOS電平）通過AT命令可雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)，支持Text和PDU格式的短消息（Short message service，SMS），可通過AT命令或關斷信號實現(xiàn)重啟和故障恢復[4，5]。

TC35i模塊共有40個引腳，通過一個零阻力插座（Zero Insertion Force，ZIF）連接器引出，與單片機以及PC機的連接電路圖如圖4所示，TC35i和單片機之間通過串口P3.6和P3.7連接，由于TC35i的數(shù)據(jù)接口是CMOS電平，MSP430單片機的I/O口是TTL電平，因此在MSP430單片機驅(qū)動TC35i時在電路中加了集電極開路的高壓驅(qū)動器7407以提供足夠大的電流[6-9]。

GSM模塊與監(jiān)控中心計算機的連接采用串口完成。GSM模塊供電電源采用PC機內(nèi)部的5 V電源，不用外接電源，方便簡單。PC機與GSM模塊的通信僅利用了串行口的RXD、TXD和地線三線制完成，串口的DTR和RTS和模塊的控制接口連接，從而既降低了系統(tǒng)的復雜程度[6，7]，也方便于實現(xiàn)PC機和GSM收發(fā)模塊的數(shù)據(jù)交換，降低了系統(tǒng)成本，提高了系統(tǒng)的靈活性。單片機檢測到的溫度信息，通過驅(qū)動TC35i使之與所連接的SIM卡1發(fā)送至管理員手機和上位機管理中心計算機（連接SIM卡2），從而實現(xiàn)了利用免費的GSM網(wǎng)絡對變壓器的溫度進行遠程監(jiān)控和實時監(jiān)控（即隨身攜帶的手機），實現(xiàn)了雙重保險。

3 算法及軟件系統(tǒng)設計

3.1 測溫算法及指標

變壓器油的頂層油溫由DS18B20傳感器測得，繞組溫度通過對線圈電流采樣、A/D轉(zhuǎn)換后計算送到控制器的P2.3端口，變壓器溫度的計算公式如下：

示值溫度=油溫（傳感器溫度）+繞組溫度

其中，繞組溫度=20 ℃×i2，i為繞組電流，繞組電流由電流傳感器測得，繞組電流范圍是0～2 A，對應的線圈溫度范圍是0～80 ℃。

性能指標：①溫度測量范圍為0～100 ℃，繞組電流對應的溫度范圍0～80 ℃。②分辨力：溫度傳感器0.062 5 ℃，繞組電流對應溫度0.75 ℃。③精度：溫度傳感器±0.5 ℃，線圈電流對應溫度±2.0 ℃。

3.2 控制算法及軟件流程圖

本設計根據(jù)實際情況把油浸式變壓器的風冷系統(tǒng)的6個風機分成3組，溫度劃分為4個區(qū)間，當溫度低于45 ℃時，全部風機不工作；當溫度達到45 ℃時，啟動1組風機工作；當溫度達到55 ℃時，啟動2組風機工作；當溫度達到65 ℃時，啟動3組風機工作；當油溫下降到65、55、45 ℃時，分別切除1組、2組、3組風機，當溫度超過75 ℃時報警，同時將報警信息及時傳送到上位機監(jiān)控中心，據(jù)此采用模糊控制算法設計軟件程序。同時單片機記錄每組風機的運行時間，運行時間長的風機在被測溫度低時停止工作，以保證各組風機運行時間相等，避免其中一組風機工作時間過長提前損壞，并且掉電后數(shù)據(jù)會自動保存以保證記錄的風機運行時間不丟失，也實現(xiàn)了風機的節(jié)能運行。

以單片機為核心的控制終端程序設計主要包括主程序和各個子程序，主程序主要完成對MSP430單片機各個端口進行初始化設置，子程序有顯示子程序、鍵盤子程序、故障報警子程序、GSM無線通訊子程序、溫度控制子程序等。

其主程序流程圖和溫度控制子程序流程圖如圖5和圖6所示。

3.3 上位機監(jiān)控軟件設計

上位機監(jiān)控軟件采用VC++作為開發(fā)語言，上位機監(jiān)控軟件系統(tǒng)中設有系統(tǒng)配置、幫助、遠程溫度設定、故障顯示、查詢等功能。系統(tǒng)配置中可以設置通訊端口號、波特率等參數(shù)。通過配置GSM模塊TC35i的工作模式使其與上位機之間實現(xiàn)信息的交互，軟件中還設有數(shù)據(jù)庫，管理員可隨時查看每個變壓器溫度的實時信息及歷史信息。上位機監(jiān)控界面如圖7所示。

本軟件在測試中監(jiān)控了野外兩臺變壓器，可以通過軟件系統(tǒng)菜單中的添加功能添加更多的被監(jiān)控變壓器。

4 樣機試驗情況

本設計做出了試驗樣機，并在某村進行了試運行，結(jié)果表明，當油溫低于45 ℃時，無風機運行，當油溫在45～55 ℃時，一組風機投入運行；當油溫在55～65 ℃時，兩組風機投入運行；當油溫在65～75 ℃時，三組風機投入運行；超過75 ℃時發(fā)出報警信號，手機和上位機均收到了詳細的報警信息，并按照三組風機的累計運行時間自動進行循環(huán)切換。裝置運行情況良好，達到了預期的目的。

5 小結(jié)

該系統(tǒng)實現(xiàn)了變壓器溫度的精確測量和風機靈活多樣的節(jié)能控制方式，有效延長了變壓器和控制風機的使用壽命。通過GSM網(wǎng)絡將各種信息上傳至監(jiān)控中心和管理員手機，實現(xiàn)了變壓器溫度的遠程監(jiān)控，管理員可以實時監(jiān)控管轄范圍內(nèi)的變壓器溫度，降低了不必要的損失。另外，該系統(tǒng)組網(wǎng)方便，低成本的無線網(wǎng)絡的使用避免了遠距離布線帶來的不便，全部系統(tǒng)可以方便地應用到不同的變電站、農(nóng)村野外變壓器的集中管理等方面，具有良好的人機接口，在配、變電中，尤其是在農(nóng)村野外農(nóng)用變壓器的監(jiān)控中具有廣泛的應用前景和推廣價值。

參考文獻：

[1] 巫付專，吳必瑞，牟政忠.基于MSP430和光纖傳輸?shù)淖儔浩鳒囟葯z測系統(tǒng)[J].變壓器，2009，43（6）：53-54.

[2] 沈建華，楊艷琴.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[3] 趙 方，吳必瑞，盧青波.基于MSP430F149的溫室大棚溫度遠程監(jiān)控系統(tǒng)[J].農(nóng)機化研究，2012，34（5）：182-183.

[4] 周國祥，周 俊，苗玉彬，等.基于GSM的數(shù)字農(nóng)業(yè)遠程監(jiān)控系統(tǒng)研究與應用[J].農(nóng)業(yè)工程學，2005，19（6）：88-89.

[5] 朱向慶，陳志雄.遠程分布式溫濕度實時監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].計算機測量與控制，2010，18（1）：57.

[6] 張占龍，胡 平，王 科，等.基于GSM的電力線路故障監(jiān)測系統(tǒng)[J].電測與儀表，2009，46（7）：38-39.

[7] 侯俊才，胡耀華，侯莉俠，等.數(shù)字式糧倉溫濕度檢測系統(tǒng)設計[J].農(nóng)機化研究，2012，34（9）：105-106.

[8] 徐 振，時維鐸，王 健，等.糧倉遠程多通道測溫系統(tǒng)的設計[J].湖北農(nóng)業(yè)科學，2013，52（7）：1676-1679.

[9] 上官甲天，薛 軍，王智偉.智能型配電變壓器防盜報警系統(tǒng)的設計[J].中國農(nóng)村水利水電，2009（3）：131-133.endprint