在我國配電網(wǎng)運輸領(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致的后續(xù)問題，配電變壓器檢測與控制非常必要，需要實時監(jiān)測運行狀態(tài)，提高電網(wǎng)的運行質(zhì)量。
為此，為了保證配電變壓器的安全、穩(wěn)定運行，設(shè)計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)計要求
?。?）電能監(jiān)測。針對配電變壓器進行電能監(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；
?。?）運行環(huán)境監(jiān)測。配電變壓器在運行狀態(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，導致局部放電的同時，也會引發(fā)絕緣性能老化，所以通過局部放電監(jiān)測可以實時了解絕緣性能，避免變壓器故障；
?。?）故障預警。因為配電變壓器可能發(fā)生的故障情況比較復雜，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)可以及時發(fā)出預警，通知維修人員及時維護。
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行過程中的參數(shù)，負責狀態(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時的運行狀態(tài)，而數(shù)據(jù)監(jiān)測終端利用電纜、傳感器的連接，可以采集變壓器運行過程中形成的狀態(tài)信息，進行數(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，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，由管理中心進行分類、整理，幫助技術(shù)、維修人員了解當前運行狀態(tài)。
3.配電變壓器檢測與控制系統(tǒng)設(shè)計方案
3.1硬件設(shè)計
設(shè)計配電變壓器檢測與控制系統(tǒng)需要用到單片機，作為功能實現(xiàn)的重要部件，裝置硬件設(shè)計環(huán)節(jié)，發(fā)揮單片機所有軟硬件資源的優(yōu)勢，將個別硬件擴充便可以采集得到電量數(shù)據(jù)，自動進行精準測試。
單片機是硬件裝置運行的關(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)計電路階段便可以節(jié)省外圍硬件電路成本。單片機在系統(tǒng)設(shè)計中運用，也有利于提高實時性，主要表現(xiàn)在3個方面：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)省保護現(xiàn)場、恢復現(xiàn)場軟件方面的成本；③指令系統(tǒng)運行效率與執(zhí)行速度提升，不僅提高了運算精度，還將程序加以簡化。
因為硬件設(shè)計對精度的要求比較高，所以在選擇A/D轉(zhuǎn)換器時，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)換時間較短，量化誤差僅為1/4096，輸入信號的分辨率高達2.44mV，轉(zhuǎn)換效率/精度也滿足運算要求。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相應(yīng)口線。對于單片機，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。一方面可以在讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)時，更加準確地儲存數(shù)據(jù)；另一方面完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換儲存之后，后期的補碼計算更加便捷。因為該裝置的作用是對附近工頻信號進行測取期間，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清除，提升計算精準度。在設(shè)計濾波電路時，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，反復3次以上便可以濾除所有諧波。設(shè)置直流信號時，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，需要搭配高速運算放大器，能夠有效提升通道延遲效率。
3.2軟件設(shè)計
按照配電變壓器檢測與控制系統(tǒng)設(shè)計要求，在軟件設(shè)計環(huán)節(jié)分別按照現(xiàn)場監(jiān)測終端軟件、上位機軟件、服務(wù)器軟件的順序進行設(shè)計，制定設(shè)計方案。
（1）監(jiān)測終端軟件。在設(shè)計監(jiān)測終端軟件時需要關(guān)注系統(tǒng)運行狀態(tài)，調(diào)整系統(tǒng)框架有利于加強系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。受到傳統(tǒng)編程思維的影響，設(shè)計人員往往會采用裸機編程的方式。那么在設(shè)計軟件時，便是以前后臺編寫機制為主，其中前臺負責中斷，后臺負責主循環(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)復雜性也會隨之提升，從而為后期的維護工作帶來難題。因此，在設(shè)計監(jiān)測終端軟件時，可以應(yīng)用實時操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)屬于開源可移植嵌入式實時操作系統(tǒng)，在編程中應(yīng)用具有靈活性、便捷性的特點。除此之外，將該系統(tǒng)運用在軟件設(shè)計階段，也可以加強不同任務(wù)之間的獨立性。在具體的設(shè)計過程中，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。硬件抽象層負責提供接口，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，搭建實時操作系統(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、實時操作系統(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系統(tǒng)服務(wù)，按照用戶要求可以自行設(shè)計方案。
?。?）上位機軟件。設(shè)計上位機軟件主要功能是將配電變壓器運行過程中的狀態(tài)信息及時顯示，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)及時掌握故障部位。當前上位機軟件的設(shè)計語言比較多元化，例如Java、C++和VC等。但是部分設(shè)計語言相對煩瑣，所以設(shè)計上位機軟件時建議使用C#語言，可以提高設(shè)計效率，設(shè)計研發(fā)效率，縮短研發(fā)時間。
?。?）服務(wù)器軟件。在設(shè)計環(huán)節(jié)利用網(wǎng)絡(luò)通信鏈路，對監(jiān)測終端和上位機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)。因為創(chuàng)建服務(wù)器軟件前必須要準備服務(wù)器，當前可以采用的服務(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，運用云服務(wù)器更加安全，并且具有可彈性伸縮和經(jīng)濟性的優(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)庫儲存進行分析與討論，制定設(shè)計方案，創(chuàng)建通信鏈路時，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++編程語言進行設(shè)計。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)劃配電變壓器運行模式，結(jié)合運行現(xiàn)狀調(diào)整用電負荷。但在實踐過程中，有時會因為過度關(guān)注電費與設(shè)備投資，選擇容量小的變壓器，如果兩臺變壓器沒有同時運行，便有可能會導致超載運行這一故障，縮短變壓器的使用期限。配電變壓器在運行的過程中，一旦發(fā)生故障必然會帶來比較嚴重的影響，例如相關(guān)設(shè)備損壞或者停電故障，影響到配電網(wǎng)的安全運行。所以，在配電變壓器運行狀態(tài)下，需要創(chuàng)建檢測與控制系統(tǒng)，實時監(jiān)督配電變壓器運行狀態(tài)，可以快速了解故障所在位置，分析故障信息，及時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)，加強配電變壓器運行的安全性與穩(wěn)定性，也為今后相關(guān)故障檢測與控制提供有價值的參考意見。
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