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基于TPC协议的自适应无线网络箱式变压器数据监测系统设计

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  摘  要: 针对传统箱式变压器环境监测系统线路复杂和实时性差等问题,提出一种基于TCP协议的自适应无线网络箱式变压器数据监测系统。该系统利用RS 485总线通过ModBus协议采集箱式变压器内部多点温度、湿度、油温的环境参数和三相电压电流、电能、功率因数、频率等电力参数。MCU接收到数据后进行分析处理,将监测参数实时显示在人机交互界面上,可以对突发情况进行预警及控制。同时这些数据通过可选择的三种方式GPRS,WiFi或者以太网口发送至云端服务器,用户可登录服务器上位机,远程监测箱式变压器内部状态。经过试验测试,该系统可以正常监测箱式变压器内部参数,极大地方便了工作人员的维护和检修工作,提高了箱式变压器的使用寿命。
  关键词: 箱式变压器; 数据监测; 系统设计; 数据传输; 实时显示; 远程监测
  中图分类号: TN926?34; S275.6                 文献标识码: A                       文章编号: 1004?373X(2020)12?0074?04
  Abstract: As the traditional box?type transformer environmental monitoring system has complex circuit and poor real?time performance, an adaptive wireless network box?type transformer data monitoring system based on TCP protocol is proposed. The system uses the 485 bus to collect the environmental parameters of the multi?point temperature, humidity and oil temperature and the three?phase voltage, current, electric energy, power factor, frequency and other power parameters of the box?type transformer by means of the MODBUS protocol. After receiving the data, MCU can analyze and process it, display the monitoring parameters on the human?computer interface in real time, and can give early warning and control to emergencies. The data is sent to the cloud server by means of three selectable modes of GPRS, WIFI or Ethernet port. Users can log in to the server of the upper computer and remote monitor the internal state of the box?type transformer. The testing experiment results show that the system can normally monitor the internal parameters of the box?type transformer, which greatly facilitates the maintenance and overhaul of the staff and improves the service life of the box?type transformer.
  Keywords: box?type transformer; data monitoring; system design; data transmission; real?time display; remote monitoring
  0  引  言
  随着我国工业水平的发展和用电设施的建设,由于箱式变压器可以缩短供电距离和增强总断电压的稳定性等特点,所以在电网改造中作用十分重要。传统的箱式变压器是一种将不同的电器设施用连接线的方式进行连接组合的电器设备,其缺点是变压器较为分散、维护成本高、不能实时对其环境和参数进行监测,导致不能及时发现问题而产生重大安全事故[1?5]。本文提出一种智能箱式变压器实时无线监控系统,该系统是将现有的物联网技术、传感器技术、控制技术应用于电气设备中,系统利用RS 485总线通过ModBus协议采集箱式变压器内部环境参数和电力参数。MCU对采集的数据进行分析处理,将监测参数实时显示在人机交互界面上,可以对突发情况进行预警及控制。同时这些数据通过可选择的三种方式GPRS,WiFi或者以太网口发送至云端服务器,用户可登录服务器上位机,远程监测箱式变压器内部参数状态。该系统极大地节约了人工劳动成本,提高了变压器的使用寿命。整个系统有一定的工业应用价值[6]。
  1  系统的硬件设计
  整个系统主要由四部分组成,包括终端传感器数据检测部分,ModBus数据采集部分,主控MCU控制及数据以GPRS、WiFi、以太网口发送部分和远程上位机监测控制部分。
  其中各终端检测传感器均挂接在RS 485总线上,主控STM32F103ZET6单片机通过ModBus协议依次循环读取各传感器数值,并显示在TFTLCD触摸屏上。同时,主控将这些数据按既定的传输协议封包通过系统开机时选择的方式将数据上传至服务器,服务器上位机开启监听并收到数据包后,对数据包进行解压、保存和显示,当检测到数据超出阈值范围时,可通过开关按钮遠程切断箱式变压器电源。整个系统的设计框图如图1所示。   1.1  系统电源电路
  该硬件设计采用两种电源3.3 V和5 V为整个系统供电。5 V电源采用MP2359芯片,该芯片是基于COMS工艺开关内置DC/DC转换器。内置上端开关的导通电阻为35 Ω,可提供最大电流为1.2 A,最终可将12 V的电源电压转为5 V,电路设计如图2所示。3.3 V电源采用稳压芯片AMS1117?3.3来设计,将5 V电压转换为3.3 V。电路如图3所示。
  1.2  传感器电路设计
  系统采用的传感器有温湿度传感器、液温传感器、电力参数多功能变送器。温湿度传感器使用的是Sensirion公司的SHT21,该传感器嵌入了适于回流焊的双列扁平无引脚DFN封装,其输出为标准的I2C格式的数字量。SHT21配有4C代CMOSens芯片,配有电容式相对湿度传感器和能隙温度传感器,还包含一个放大器、A/D转换器、OPT内存单元和数字处理单元。整个电路分为两部分:一是传感器前置放大电路;一是单片机A/D转换和显示控制软件非线性校正等部分[7?8]。温湿度传感器设计电路如图4所示。
  1.3  传输模块电路
  网络传输模块分为GPRS无线数据传输模块、WiFi传输模块、以太网口传输模块和RS 485总线传输模块。设计中GPRS传输采用的是SIM800C模块的TTL电平串口通信连接方式将数据包发送至服务器。该模块是一个完整的四频段GSM/GPRS模块,接口丰富,功能完善,工作稳定,抗干扰强,外围电路集成度高,尺寸小巧。其使用TCP/IP协议和主控制器之间相互通信,通过有流量的SIM卡与云平台之间对接。SIM800C模块电路图如图5所示。
  设计中WiFi传输采用的是ESP8266模块的TTL电平串口通信连接方式将数据包发送至服务器。该模块使用了3.3 V的直流电源,体积小,功耗低,支持透传,丢包现象不严重并且可将芯片设置为透传模式,这样ESP8266就相当于在互联网和UART之间架起了一座桥梁。其电路图如图6所示。
  设计以太网口传输采用的是16位DM9000芯片采用LWIP协议传输数据。该芯片是一款完全集成和符合成本效益单芯片快速以太网MAC控制器与一般处理接口,一个10/100 M自适应PHY和4 KD WORD值的SARM,支持4个通用输入输出口,超低功耗模式和电源故障模式,支持3.3 V和5 V供电[9?11]。
  2  系统软件设计
  软件系统可分为终端检测节点软件设计、网络数据传输软件设计和上位机软件设计。
  2.1  终端检测节点软件设计
  终端检测节点程序包括ModBus协议和各个模块的初始化程序,主控初始化完成后首先向RS 485总线上地址一发送读取数据包,温度传感器模块向主控返回温湿度数据包,接着主控向地址二发送读取数据包,油温传感器返回油温数据包,最后主控向地址三发送多路读取数据包,多功能变送器返回三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、视在功率、电网频率等数据包。主控接收到数据包后依次解析有效数据。分析处理并显示,同时判断如果参数阈值超标,进行声光报警并且上传警报信息。程序流程图如图7所示。
  2.2  网络数据传输软件设计
  系统上电后首先选择进入默认模式还是配置模式,如果选择默认模式系统将按照历史设置进行系统初始化;如果选择配置模式则在三种网络上传方式中选择一种用来上传网络数据包,接着设置数据包发送周期,选择目标服务器IP地址及端口号。配置完成后初始化一个链表用来封装网络数据包,链表表头存放校验头,中间依次存放温湿度数据、油温数据、变送器数据,最后存放校验位。数据包打包完成后通过WiFi/GPRS/以太网口上传至服务器。流程图如图8所示。
  2.3  上位机软件设计
  服务器上位机采用C#语言编写,通过TCP协议长连接方式监听端口约定来接收终端上传回来的数据,整个模块分为四个部分,分别为IP端口设置部分、数据接收及其处理部分、数据曲线图显示部分、参数异常控制开关部分。上位机界面图如图9所示。
  3  系统测试与分析
  通过硬件及其软件设计,最终实现了一套箱式变压器数据无线监测系统。为了验证系统的可行性和稳定性。首先将各个传感器安装在箱式变压器内部,将终端主控安装在箱壁上,通过RS 485总线连接各个传感器,给终端系统上电,设置目标IP、端口号、发送间隔和终端ID。同时服务器上位机开启监听模式。此时可以看到服务器上位机收到终端发回的数据。经过测试,服务器端和终端检测的数据完全一致。实际测试终端如图10所示。
  在系统安装完成后,通过对整套系统的温湿度参数数据采集和发送进行测试,每隔10 min记录一次服务器端数据,如表1所示。经过表1测试可以看出,服务器数据和实际测量数据基本一致,符合数据监测系统的要求。
  4  结  语
  本文设计一种箱式变压器无线数据监测系统,完成硬件及其软件系统设计。通过ModBus采集传感器数据、终端数控分析处理显示及其上传至阿里云服务器上位机,进行显示控制。通过实验测试和数据对比分析,证明该系统运行可靠,达到了工业设计应用标准,有一定的工业应用价值。
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