基于LoRa的变压器套管状态监测分析_蔡雍.pdf

Applications 创新应用集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月 67摘要：阐述基于LoRa的变压器套管状态监测系统的设计，具有强大的抗干扰能力，很好地保证数据的稳定性与准确性，低功耗与远距离相结合，从而节省了监测系统在数据传输过程中的能耗。关键词：监测系统，变压器，套管，LoRa。中图分类号：TM41 文章编号：1674-2583(2023)01-0067-03DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2023.01.024文献引用格式：蔡雍，傅中君.基于LoRa的变压器套管状态监测分析J.集成电路应用,2023,40(01):67-69.测数据，能够反应变压器套管的运行状况。本课题设计了一款基于LoRa技术，可以实时监测套管绝缘性能的监测系统，其应用LoRa传输距离远、功耗低、精度高等优点对套管内油位、油温进行监测，很好地确保了套管的正常运行，对变压器的安全运行也有着十分重要的意义。1 工作原理油位、油温采集原理。如采集原理图1所示，选择适合的压力传感器，将压力传感器置于套管底部，通过套管内油压的变化来监测油位的变化情况；油位与油压的换算如式（1）。h=P/（g）（1）式中：h套管内油位；P套管内底部油压；套管内油的密度；g重力加速度。可知：油的密度与重力加速度是恒定值，知道了套管内的油压就可以得到套管内油位的数值。油温采集原理：采集原理图如图1，选择合适0 引言变压器套管1是保证变压器安全运行的重要器件，套管的检修方式决定了套管的使用寿命，传统的套管检测技术即人工定期检修，这种方法虽然也能起到检测效果，但存在许多问题。因此，如果能实现对套管的在线监测2，根据在线数据，实时得到套管当前的绝缘运行情况，就能更好地保证套管安全运行，具有非常大的实际应用价值。数据传输方式是实现套管在线监测的关键技术。现行的数据传输技术主要分为有线传输与无线传输两种。相对于有线传输物理搭建的不便，无线传输更适合作为监测套管运行状态的数据传输技术。物联网应用中的无线技术主要有：2.4GHz的WiFi，蓝牙、Zigbee等，2G/3G/4G等，广域网（Low Power Wide Area Network,LPWAN）。相比于其他无线技术，LoRa作为LPWAN通信技术中的一种3，是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案，由Cycleo开发，并于2012年作为非授权技术发布4，使用星状拓扑，布置灵活、移动方便、扩展性强5，将远距离与低功耗完美结合6-8。目前，LoRa主要在全球免费频段运行，包括433MHz、868MHz、915MHz等，为用户节约了使用成本9。套管内的油位与油温是套管状态监测的重要监基于LoRa的变压器套管状态监测分析蔡雍，傅中君（江苏理工学院，江苏 213001）Abstract This paper describes the design of transformer bushing condition monitoring system based on LoRa,which has strong anti-interference ability,well guarantees the stability and accuracy of data,and combines low power consumption with long distance,thus saving the energy consumption of monitoring system in the process of data transmission.Index Terms monitoring system,transformer,bushing,LoRa.Analysis of Transformer Bushing Condition Monitoring Based on LoRaCAI Yong,FU Zhongjun(Jiangsu Institute of Technology,Jiangsu 213001,China.)作者简介：蔡雍，江苏理工学院，研究生；研究方向：机电产品检测与智能控制。通信作者：傅中君，江苏理工学院；研究方向：电气工程。收稿日期：2022-05-11；修回日期：2022-12-25。图1 油位、油温采集原理图68 集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月Applications创新应用的温度传感器，将温度传感器安置在套管顶层，用温度传感器采集套管内油温变化的相应数据。监测系统工作原理。油压、油温采集装置对套管内的油压和油温进行数据采集，采集好的数据通过LoRa无线通信模块进行数据传输，将数据传送给集控机，集控机通过以太网以及DL/T860规范将监测数据传送到站端监测单元，站端监测单元再将监测数据显示出来，从而形成了一个完整的在线监测系统。该监测系统还可通过IEC61850标准，将站端监测单元监测的数据传输给上一级的主站变电站以及信息一体化平台，而信息一体化平台与主站变电站也可向站端监测单元反馈相应的数据信息，从而形成一个开放式的监测系统。该监测系统的具体结构流程以及工作原理如图2所示。2 硬件设计硬件设计是监测系统设计中最重要的一环，是监测系统能否实现监测目的的主要保证，在整个系统设计中至关重要。基于监测系统的原理，本文对监测系统的硬件设计主要由以下几部分构成：（1）数据采集单元；（2）LoRa模块；（3）数据集中单元。具体的硬件结构设计如图3所示。2.1 数据采集单元数据采集单元由压力、温度传感器，放大、抗混叠滤波，A/D转换器，数据处理设备组成，其中最主要的是传感器与数据处理设备，其他的硬件按常规配套使用即可。由于变压器套管内部温度过高，一般的压力传感器与温度传感器无法满足工作条件，故应选取能够适应变压器套管内部油温的压力传感器与温度传感器，基于油浸式变压器上层油温不得超过95，故选择可耐100的压力传感器与100的温度传感器即可。数据处理设备作为数据采集处理的核心硬件，对数据采集单元至关重要，基于本监测系统的最终目的，在此选用STM32L系列单片机，此单片机的好处在于功能强大、结构简单、易于操作、节约能耗。STM32L系列产品基于超低功耗的处理器内核ARM Cortex-M4，采用意法半导体独有的两大节能技术，继而拥有业界领先的节能性能。它 的 最 大 亮 点 在 于 所 具 有 的 超 低 功 耗 特性：（1）1.653.6V供电范围；（2）0.23A（Standby mode）；（3）0.34A（Stop mode）；（4）0.67A（Stop mode+RTC+2kB RAM 数据维持）；（5）76A/MHz（Run mode）；（6）41A（12bit ADC 10ksps采样率）STM32L单片机基于STM32L系列单片机超低功耗特性，从而为数据采集单元在数据采集过程中，提供了有效的节能方式。2.2 LoRa模块作为本系统的数据传输单元，LoRa模块的选用是本系统的一大特点，LoRa的选用决定了该监测系统数据传输过程的稳定性与能耗。综合各方面因素，选择SX1278收发器，该收发器抗干扰强，能够最大限度降低电流消耗。SX1278收发器实物图如图4所示。其主要特性有：（1）+20dBm100mW电压变化时恒定的射频功率输出。（2）+14dBm 的高效率功率放大器。（3）高灵敏度：低至-148dBm。（4）高可靠性的前端：IIP3=-11dBm。（5）卓越的抗阻塞特性。（6）9.9mA低接收电流，200nA寄存器保持电流。（7）分辨率为61Hz、完全集成的频率合成器。（8）自动射频信号检测，CAD模式和超高速AFC。（9）带有CRC、高达256字节的数据包引擎。ZM470SX模块必须配合MCU才能使用，模块通过MOSI与MISO以及DIOx引脚与MCU相连。ZM470SX模块与MCU之间通过SIP总线进行通信；当MCU向模块写图2 监测系统工作原理图图3 监测系统硬件设计图图4 实物图Applications 创新应用集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月 69数据时，数据从MOSI引脚写入，当MCU读取模块数据时，模块数据由MISO引脚输出；ZM470SX模块通过状态寄存和DIOx引脚将状态反馈给MCU。该模块的发送器通过SIP总线将MCU采集的数据写入，然后发送给接收器，接收器通过数据输出引脚将数据传输给数据集中单元。2.3 数据集中单元该单元负责将各数据采集单元采集的数据进行汇总、分析、处理，然后将数据处理的结果传送给站端监测单元，因此数据集中单元所用的数据处理器，应当十分强大，才能满足监测系统的要求，因而选择拥有多个处理器的集控机。集控机实物图如图5所示。集控机主要特点在于集多个处理器于一体，拥有超高的集成度，能够同时处理多组数据。集控机的使用可以确保监测系统的时效性，有利于整个系统的搭建与运行。该集控器将LoRa模块传输的数据进行集中分析、处理，然后将结果在站端的监测电脑上显示出来。3 软件设计基于LoRa的变压器套管状态监测系统所需的软件设计主要是LoRa无线传输模块设计与单片机模块的设计。具体的软件设计可根据选择的模块的厂家型号来进行编辑，只要能够实现系统的运转及能达到监测目的与节能效果即可。主程序流程图如图6。4 运行与结果分析监测系统搭建完毕后，进行送电运行，传感器将套管内部的运行状态通过数据传输处理，在站端监测电脑上显现出套管内部的油位、油温的具体数据，再将监测系统的数据与现场采集的数据进行对比，两组数据对比后的误差在可控范围内即可。通过数据对比，该监测完全满足预期的设计要求。该监测系统相较于其他类似监测系统，主要优势在于LoRa模块的使用，正因为LoRa模块的使用，从而确保了监测系统的性能，为监测系统的实现提供了保障。LoRa模块在该监测系统中的作用主要有以下几点：（1）为监测系统的搭建提供了便利；（2）基于自身数据传输的优势，为系统数据的传输提供了既稳定又可靠的方案；（3）基于自身节能的优势，在系统的数据传输过程中，尽可能减少能量消耗。在系统的运行过程中，LoRa模块能够快速、稳定地传输有效数据，使得监测系统的站端监测单元可以实时得到套管内油位、油温的准确数据，从而保证了监测系统运行的结果以及实现了监测系统应有的监测目的。5 结语该文设计的基于LoRa的变压器套管状态监测系统，利用LoRa无线通信技术的优势，布置灵活，易于搭建。强大的抗干扰能力，很好地保证数据的稳定性与准确性。低功耗与远距离的结合，从而节省了监测系统在数据传输过程中的能耗。既实现了套管监测的目的，又节省了能耗。参考文献1 董玉玺,解德英,曾力,谢兵平.500kV变压器套管的在线监测与现场高压介损测量研究J.高压电器,2015,51(03):111-116.2 王伟平.基于绝对法检测变压器套管在线监测技术研究与典型应用J.电工电气,2020(01):49-52.3 Sandra Sendra,Laura Garca,Jaime Lloret,Ignacio Bosch,Roberto Vega-Rodrguez.LoRaWAN Network for Fire Monitoring in Rural EnvironmentsJ.Electronics,2020,531(9):5.4 Roberto Omar Andrade,and Sang Guun Yoo.A 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