★内蒙古电力（集团）有限责任公司锡林郭勒供电分公司王超伟

关键词：电流互感器；LoRa技术；压力监测；STM32微控制器

近年来，随着电力系统的发展，电流互感器设备数量不断增加。电流互感器相对体积小，油量少，电压高，场强较集中，且多处于密封状态，无防爆装置，一旦发生严重热故障未能及时发现，有可能发展成严重事故，甚至危及到隶属的主设备或邻近设备，给电力系统的安全、稳定运行造成直接威胁。电流互感器正常运行时，在气、液两相的密闭体系中，气体在液体中溶解，最终在某一压力、温度下，将达到溶解和释放的动态平衡。随着气体的持续产生，当接近或达到溶解的饱和状态后，游离气体便释放出来，在密闭空间的作用下使其内部压力异常升高。如果设备密封出现破坏，表征出的特点是内部气体产生的压力将不随温度变化而变化，而总是与外部大气压基本一致，与密封正常的相比变化趋势不同；如果出现密封失效设备渗漏导致的液面降低，反映的特征是油位的降低，压力呈现下降趋势。

目前，在电力系统中，电流互感器长期以来没有对应的保护及在线监测装置，其运行维护是通过日常的巡察巡视及例行检修来完成。日常的巡视是察看油位标尺位置，巡查预防是取样化验分析及补油调位。由于电流互感器大都在设备高处或立柱上，且很少停电，巡查预检很不方便，也没有专用的在线工具或装置，无具体数据依据，靠经验预估预防，不能做到早发现早防治，因此突发事故时有发生，会造成较大事故和损失。通过大量的检修实例及相关资料的学习，我们认为电流互感器内部发生绝缘缺陷或发热等故障、出现渗漏油等情况，都可以通过压力的变化表征出来。因此我们认定，通过对电流互感器内部实时采集压力数据，就能掌握电流互感器的运行工况，也可以对出现的异常情况发出提前预警。

LoRa技术（长距离且低功耗数据传输技术）是2013年Semtech公司开发的频谱在1GHz以下，接收灵敏度可达-148dBm的LPWAN通信技术。它是一种基于扩频技术的长距离无线通讯技术，解决了传输距离与功耗的矛盾，提供了一种能实现长距离大容量传输的系统，使无线传感器网络得以扩充。LoRa技术具有通信距离长、通信容量大、通信低功耗、信号扩频正交等特点。这些特点使其在智能抄表、智能停车、车辆追踪、宠物跟踪、智慧畜牧、智慧工业、智慧城市、智慧社区等领域得到广泛应用，但在电力系统用于压力监测较为少见。基于此，本研究设计了一种基于LoRa技术的电流互感器内部压力监测装置，以实现对电流互感器运行工况实时监测的功能。

1　系统总体结构设计

本系统是为解决实时监测电流互感器内部压力而设计，施工过程中需要使用压阻压力传感器将电流互感器内部的液体压力物理量转化为电信号，并通过无线传输的方式，将采集到的数据传输到应用层使用。本次系统设计的主要需求如下：

对于电流互感器压力的采集，需要完成绝缘油液体压力到应用层的实时数据转变，要求节点满足高稳定、远距离传输要求；考虑到油浸式电流互感器均为户外设备，且本地年度温差较大，压力采集节点应具备良好的气密性与防水防潮性能；此外，也需考虑冬季极寒天气下节点供电的续航性能，以及电压等级较高的户外电流互感器在感应电影响下的安全、可靠性能。

综上所述，通过制作专用转接头，利用导流管将互感器内绝缘油从高空导流至地面设备构架上的合适位置，将耐低温传感器、数显装置集中化装箱并加装保温板及温控措施，这样就能减少本地区温差较大导致的密封件热胀冷缩和传感器芯片失灵问题。同时从对应间隔端子箱内取AC220V电源通过电源变换器给传感器供电，解决了极寒天气下的续航问题。通讯上为了提高可靠性及减少铺设电缆的繁琐，采用了成熟的LoRa 433无线方式，其稳定、抗干扰、距离远、易组网。

最终该系统由压力采集单元、数据采集终端、数据集中单元、数据可视化平台四部分组成。系统构架图如图1所示。

图1 压力监测系统架构图

互感器内绝缘油经压力采集单元中的转换接头和导流管引至采集终端，通过导压孔加压到传感器压阻元件上，压阻元件受压发生形变，产生阻抗变化，经过换算形成实际压力值，数据采集终端中的AD转换模块将其转换成数字信号，通过数据隔离芯片把一些误数据剔除出来，优化后的数据通过主芯片STM32微控制进行再处理，最后由无线LoRa模块打包发送至数据集中单元经由主芯片STM32微控制器进行处理与运算，处理后的数据再由串口芯片按照特定规约的数据格式进行转换供上位机读取，最终实现对电流互感器内部压力的实时监测。

2　系统硬件设计

2.1　数据采集终端硬件设计

数据采集终端的主要功能是将压力传感器、温湿度传感器采集到的数据周期性地发送至数据集中单元，同时接收数据集中单元的控制指令，从而实现数据采集终端和数据集中单元的双向通信。数据采集终端以ARM主控芯片STM32F103RBT6为设计核心，采用模块化结构，由压阻采集电路、主控芯片、AD转换芯片、数据隔离芯片、无线收发芯片、外围电路、电源电路等组成，如图2所示。

图2 数据采集终端硬件总体架构

主控芯片采用STM32F103RBT6作为控制器，该芯片功耗小、抗干扰能力强，特别是在强电磁干扰的变电站环境下，能够保证装置的正常运行和通信。STM32单片机内部集成了很多功能模块，每个模块都需要电源供电，因此接入电容C4用来维持输入电压的稳定。Y1为STM32单片机提供16MHz的晶振频率；C2、C3用来保证晶振两端的电压稳定；C1维持电源输入电压稳定，防止当电源电压出现较大波动时引起内部寄存器的配置发生变化；D4、D5为发光二极管，在调试程序过程中提供反馈；管脚42、43为隔离RS-485通信端口，管脚46、49为程序烧录端口，提供SWD协议；管脚8、9、10接入非易失性存储器，实现快速读写功能；管脚33-36为无线收发芯片进行SPI通信；20-23管脚复用为数据隔离芯片SPI通信端口；29、30管脚为无线收发芯片的IO接口；14-17管脚接按键接入，可以对采集终端的界面进行设置操作；55-57管脚为显示屏的数据串行接口；52管脚接显示屏的复位电路；51管脚为显示屏的时钟选择片选。电路设计如图3所示。

图3 数据采集终端控制器原理图

压阻元件受压发生形变，产生阻抗变化，经过换算形成实际压力值，而单片机接口不能得到信号的电压大小，因此需要将采集到的模拟信号转换成数字信号。虽然STM32F103RBT6芯片中集成了两个12位的A/D转换器，但其精度达不到设计要求，因此需另选高精度的AD转换器完成压力的测量。AD7982是一款18位、逐次逼近型模数转换器，它的引脚根据需要引用官方默认的配置，为了提高时钟的温度性，采用外部晶体振荡器。SPI接口使用ADI公司生产的ADUM1411数据隔离芯片与微处理器进行隔离通信。C19和C20分别为数字电源稳压电容和模拟电源稳压电容，管脚3、4、5、6接STM32单片机，管脚11、12、13、14接A/D转换器，可以为A/D转换器和STM32单片机之间的SPI通信提供电气隔离。图4为数据采集终端AD转换模块原理图。

图4 数据采集终端AD转换模块原理图

数据采集终端的PCB如图5所示。每个角留出圆孔作为固定脚，在PCB的设计过程中需要注意应尽量确保地线的完整，天线附近尽量避免铺底和布线，防止信号被干扰。

图5 数据采集终端PCB图

2.2　数据集中单元硬件设计

数据集中单元的主要功能是对数据采集终端发送过来的数据进行处理与运算，然后传输到上位机读取。集中单元系统模块框图如图6所示。

图6 数据集中单元模块框图

主控芯片仍然使用STM32F103RBT6作为控制器，管脚46、49为程序烧录端口，管脚42、43复用为LoRa通信模块的读写接口，管脚45为LoRa通信模块的复位端口。数据集中单元采用的是RS48总线方式进行数据传输。通常来讲，RS485总线可以连接的设备是和使用的芯片有关的，本系统使用的是支持256个节点数的MAX1483芯片作为RS485收发芯片。管脚1为输出端与STM32 Rx2相连，管脚4为驱动器输入端与STM32Tx2相连，管脚2、3为接收、发送使能端与STM32 DE相连，高电平有效。管脚6为接收差分信号端同相接收器输入和同相驱动器输出，管脚7为发送差分信号端反相接收器输入和反相驱动器输出。当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为1。当A引脚的电平低于B时，代表发送的数据为0。数据集中单元的电路原理图如图7所示。

图7 数据集中单元的电路原理图

数据集中单元的PCB图如图8所示。需要注意的是在PCB上铺地时，天线下面做到不布线，有利于信号收发的稳定性。

图8 数据集中单元PCB图

3　系统软件设计

3.1　数据采集终端软件设计

数据采集终端软件工作流程如图9所示。

数据采集终端得电后，STM32F103RBT6读取传感器地址、扩频因子、灵敏度、载波频率、信号带宽等参数，通过SPI对RT-F7139芯片进行初始化，开启中断，传感器进行自检。当传感器存在故障时声光报警，没有故障则进行数据采集，数据经过处理后显示在数显屏上。网关根据设定时间唤醒传感器，当传感器得到唤醒命令后，采集压力数据并进行数据处理，通过LoRa模块将数据发送给网关。未接到唤醒时，传感器保持休眠状态。

3.2　数据集中单元软件设计

数据集中单元软件工作流程如图10所示。

数据集中单元得电后，STM32F103RBT6进行初始化，当得到PC端接收消息指令后，准备接收数据采集终端采集到的数据，如数据采集终端采集到数据并通讯成功，由串口芯片MAX1483按照特定规约的数据格式进行转换供PC端读取。如未采集到数据，则结束工作流程。

图9 数据采集终端软件工作流程图

图10 数据集中单元软件工作流程图

4　测试

数据可视化平台可以实时显示传感器配置信息、互感器内部压力值，以及显示互感器所处环境的实时情况。可视化平台的数据库主要有四张表，分别是配置信息表、实时数据表、分析数据表和历史数据表。配置信息表保存了传感器各自的编号，可以让使用者知道数据来源，出现问题可以及时定位；实时数据表用来存储传输上来的实时数据；历史数据表保存着之前的压力数据，方便日后进行分析和预测。配置信息表，实时数据表，分析数据表和历史数据表测试分别如图11、图12、图13、图14所示。

图11 配置信息测试表

图12 实时数据测试表

图13 分析数据测试表

图14 历史数据测试表

5　结语

本文设计了以STM32F103RBT6为核心的电流互感器内部压力监测系统，该系统以LoRa通信技术将分析处理后数据发送至系统后台，实现了压力传感器数据的长距离、高可靠性无线传输。该系统经测试无问题后安装在现场投入使用，并取得了良好效果。该系统最终实现了对电流互感器设备状态的智能感知、数据异常提示、设备状态的智能预警研判等功能，从整体上提高了运检工作的效率，进一步实现了传统人工运维模式向智能运维模式的转变，实现了变电设备运检从事后检修到事前诊断及主动预警的转化，具有广泛的应用价值。

作者简介：

王超伟（1993-），男，内蒙古霍林郭勒人，工程师，学士，现就职于内蒙古电力（集团）有限责任公司锡林郭勒供电分公司，研究方向为“云大物移智链”技术、能源互联网、“物联网+视联”等技术在电气自动化领域的创新应用。

参考文献：

[1] 李华, 王桂忠. 基于LoRa与CAN通信的液压支架压力传感器系统设计与试验[J]. 煤矿机械, 2022, 43 (9) : 18 - 21.

[2] 郝瑞泽. 基于LoRa技术的煤矿顶板监测系统的研究与设计[D]. 太原: 中北大学, 2019.

[3] 秘子靖. 铁路轨道自动测量装置[D]. 石家庄: 石家庄铁道大学, 2021.

[4] 陈斌伟. 摄像直读式远传水表抄表系统的硬件设计与实现[D]. 北京: 北京邮电大学, 2015.

[5] 贾腾. 电动汽车用智能分流器设计[D]. 青岛: 青岛大学, 2019.

[6] 肖鹏. 基于物联网的船舶气囊群压力监测系统的研究与研发[D]. 广东: 广东工业大学, 2018.

[7] 郭彬, 田苗, 等. 基于改造TOPSIS模型的配电台区电压质量评估方法[J]. 内蒙古电力技术, 2023, 41 (1): 45-51.

[8] 沈希龙, 王贵平, 等. 3D16全采光立方设计[J]. 技术分析, 2020, 4 (1) : 136.

[9] 张兴武, 赵庆志, 等. 基于STM32F103的嵌入式图像采集系统[J]. 山东理工大学学报(自然科学版), 2018, 32 (5) : 23 - 26.

[10] 黄永庆, 周信健, 等. 一种AD7190电桥电压数据采集系统的设计[J]. 现代电子技术, 2023, 46 (4) : 45 - 51.

[11] 李起伟. 基于LoRa通信的无线液压支架压力传感器设计[J]. 工矿自动化, 2020, 46 (12) : 111 - 115.

[12] 唐炬, 尹佳, 等. 基于压力和特高频的少油设备绝缘联合在线监测[J]. 高电压技术, 2020, 46 (2) : 546 - 553.

[13] 阎立宇. 电力物联网与在线监测应用的分析[J]. 创新应用, 2022, 39 (11) : 322 - 323.

[14] 徐钦, 谢虹, 等. 基于LoRa的高层结构地震响应和健康监测系统设计实现[J]. 地震工程学报, 2022, 44 (4) : 803 - 810.

摘自《自动化博览》2024年5月刊