一种油浸式变压器温度及油液液位监测装置

吴淑桦，叶成彬

（华南理工大学广州学院 电气工程学院，广州510800）

变压器作为配电网电能运输的核心设备，用于电压变换和电能分配和传输。一旦发生故障影响范围极大，若不能得到及时维修，往往会造成大范围长时间停电，给居民日常生活和工农业生产带来严重的影响。运行之中的变压器的异常主要有6 种：分别为声音异常，温度异常，油位异常，外表异常，颜色、气味异常，变压器过负荷。其中，油浸式变压器温度和绝缘油油面高度是保证变压器正常运行的重要参数。若配电变压器发生过热故障或绝缘油流出致使短路而毁损，一方面影响用户的用电，另一方面造成用户恐慌，影响对电力工程质量的信心[1-2]。因此实现对变压器运行状态中的温度及油液液位进行实时监测和故障定位，在保障配电网的稳定运行起着关键作用。

针对上述情况，提出一种油浸式变压器温度及油液液位监测装置，该装置采用超声波穿透技术[3]在不破坏变压器缸体前提下可探测出变压器内部是否存在油液，不锈钢封装的温度传感器能测量出变压器缸体温度变化，2.4 G 无线通信模块能够实时将变压器缸体温度和油液液位信息传输至上位机，上位机设备通过GSM 移动通讯模块将相关所有下位机监测装置回传的温度和液位信息以文字短信形式传送至用户终端设备。

1 监测装置总体设计方案

监测装置总体设计方案分为下位机和上位机两部分，其中下位机主要用于实时监测变压器温度和缸体内部油液液位的变化，并通过无线通信模块向上位机发送相关监测数据，其硬件电路设计方案主要以STC15W32S4 单片机为核心处理器，超声波液位探测传感器探测变压器内部油液下限位置是否存在油液，DS18B20 温度传感器测量变压器外壳温度，LCD12864 液晶显示器显示相关测量数据，2.4 G 无线通信模块NRF24L01 实时将测量数据发送至上位机等作为主要构成部分[4]。

上位机起到中继汇总的功能，其通过无线模块接收和汇总多个下位机发来的监测数据，并向用户终端以短信形式发送监控数据，其硬件电路设计方案采用与下位机型号一致的核心处理器、显示器和无线通信模块，GSM 移动通讯模块等作为主要构成部分。监测装置总体设计方案框架如图1所示。

图1 监测装置总体设计方案框架Fig.1 Framework of overall design scheme of monitoring device

2 监测装置硬件设计

监控装置的技术参数指标主要由超声波液位探测传感器、温度传感器、无线通讯模块和GSM 移动通讯模块技术参数决定。

2.1 超声波液位探测传感器

超声波液位探测传感器利用超声波对固体介质具有较强的穿透作用，能穿过一般钢材料制作的容器壁进入液态介质中。当超声波穿透容器壁后在被测液体、气体中传播时，会在界面发生反射，根据其穿越固体-液体、固体-气体2 个界面的时间差，可判断出传感器所在容器位置是否存在液体[5]。

型号DS1603NF 超声波液位探测传感器可对5 mm 厚度钢板高温、高压密闭容器内的各种有毒物质、强酸、强碱及各种纯净液体处于液面静止状态进行精确测量，2 s 有无液体探测响应时长，探测到液体时对外输出低电平，否则输出高电平。

图2 为超声波液位探测传感器接线电路，当传感器探测到液体时，模块LED 以每秒1 次频率闪烁，保护电路输出高电平，三极管导通使得信号输出引脚为低电平；否则模块LED 长亮，三极管截止信号输出引脚为高电平[6]。

图2 超声波液位探测传感器电路接线图Fig.2 Wiring diagram of ultrasonic liquid level detection sensor circuit

2.2 温度传感器

“一总线”通信方式的DS18B20 数字温度传感器测量温度范围从-55 ℃～+125 ℃，分辨率为±0.5 ℃，可在1 s 内把温度转换成数字信号。每个温度传感器都有一个唯一的64 位序号码，以实现同一总线同时挂载多个温度传感器，微控制器根据“一总线”通信协议可对众多在线温度传感器进行统一温度转换、分个序列号匹配和读取温度值等操作，从而提高工作效率。DS18B20 温度传感器分塑料和不锈钢两种封装，考虑到检测变压器外壳温度的准确性、监测装置工作环境恶劣性等因素，选用不锈钢封装形式的DS18B20温度传感器作为监测装置的温度采集配件[7]。

2.3 无线通信模块

NRF24L01 是一款FGSK 单片式收发无线通信芯片，其具有内置硬件链路层、增强型ShockBurstTM、自动应答及自动重发和地址及CRC 校验等功能。1～2 Mbps 无线速率，125 个可选工作频道，较短的频道切换时间适合跳频通信，可满足基本的无线数据通讯、遥感勘测等应用场景。0～8 Mbps 速率的SPI 同步串行通信接口与其内部FIFO 先进先出数据缓冲器配合，可与大部分高低速微处理器进行通信。NRF24L01 能够在不同工频下进行一对多的无线通信，其内部拥有6 个数据通道，在同一个工频下，能实现一对六的收发工作[8-10]。

监控装置实验样机以1 主机3 从机的形式进行试验，即一对三的数据收发，基于数据安全考虑，主机的无线通信模块采用同一工频3 个通道进行数据收发，其通信网络呈星形网络，具体如图3所示。

图3 一对三星形网络结构图Fig.3 1 to 3 star network structure diagram

2.4 GSM 移动通讯模块

型号GA6-GSM 移动通讯模块可自动搜寻GSM850、EGSM900、DCS1800 和PCS1900 四个频段，具有短信、GPRS 数据传输及语音功能，支持移动和联通2G 网络，支持2 个串口，其中一个为程序下载串口，另一个为支持标准AT 和TCP/IP 命令的串口[11-12]。用户根据使用手册相关AT 命令可通过单片机串行向该模块发现相关AT 命令，实现中英文短信发送、语音通话等功能。GA6-GSM 模块与单片机串口接线电路如图4所示。

图4 GA6-GSM 模块与单片机串口接线电路Fig.4 GA6-GSM module and single-chip serial port wiring circuit

3 监测装置软件设计

3.1 监控装置下位机软件设计

监控装置下位机软件设计涉及多种传感器和多种通信方式底层驱动程序、多种算法融合的综合型系统，具备以下功能：①实时接收超声波液位探测传感器回传的探测结果；②间隔1 s 读取1 次DS18B20 温度传感器数据以获得变压器外壳温度；③当液位探测结果或温度数据发生变化时，实时通过NRF24L01 无线通信模块向上位机发送最新液位探测和温度数据，并刷新LCD12864 液晶显示器显示的数据。

监控装置下位机软件主程序设计思路如下：先对单片机的I/O 口、定时器等内部资源进行初始化，紧接着通过一路总线接口、一组串行数据接口和一组模拟SPI 同步串行通信接口分别对DS18B20 温度传感器、LCD12864 液晶显示器和NRF24L01 无线通信模块进行初始化配置，同时配置定时器1 中断服务程序中间隔1 s 读取一次DS18B20 温度传感器数据，void main（）程序主循环中实时接收和判断液位探测结果、对比温度数据，若相关结果或数据发生变化时实时驱动NRF24L01 无线通信模块向上位机发送相关最新数据并刷新LCD12864 液晶显示器显示的数据。监控装置下位机软件主程序设计流程如图5所示。

图5 监控装置下位机软件主程序设计流程Fig.5 Main program design flow chart of the lower computer software of the monitoring device

3.2 监控装置上位机软件设计

监控装置上位机软件设计涉及通信模块、模拟SPI 和串口通信等底层驱动程序，以及相关算法融合的综合型系统，具备以下功能：①实时接收3 个下位机发送过来的相关数据并刷新LCD12864 液晶显示器显示的数据；②实时将接收到的所有下位机数据以文字短信方式发送至指定的用户终端设备；③当某个或者多个下位机监测的温度数据或液位达到设定的预警或危险阈值范围时，上位机分别间隔30 min 和2 min 以文字短信方式向用户终端设备发送预警信息；④允许用户以文字短信方式查询相关下位机实时数据和更改上位机数据目标用户终端设备等。

监控装置上位机软件主程序设计思路如下：先对单片机的I/O 口、定时器、串口1 等内部资源进行初始化，紧接着通过一组串行数据接口、一组模拟SPI 同步串行通信接口、一组115200 kps 波特率串口1 分别对LCD12864 液晶显示器、1 组115200 kps波特率串口通信和GA6-GSM 移动通讯模块进行初始化配置，同时配置定时器1 终端服务程序进行间隔时间计数，而后分别向3 个下位机进行初次握手通信以确保相关下位机在线。void main（）程序主循环主要处理3 个下位机发送过来的数据、根据用户短信命令或相关下位机数据、判断相关下位机数据是否符合预警和危险条件并发送相关短信提醒等任务。监控装置上位机软件主程序设计流程如图6所示。

图6 监控装置上位机软件主程序设计流程Fig.6 Main program design flow chart of the PC software of the monitoring device

4 样机调试与分析

样机调试主要是验证下位机能否准确检测到油浸式变压器内部油液及其外壳温度，并将液位和温度信息实时发送至上位机。上位机与下位机是否能够正常通过无线模块进行数据传输，用户终端能否收到上位机发送过来的3 个下位机检测到的液位和温度数据，以及更改上位机数据发送目标终端设备等功能。经过多次实验调试验证，一主三从的油浸式变压器温度及油液液位监测装置在实验室环境下能够实现预期目标功能。同样也暴露出样机的液晶显示器尺寸过大、电源能耗过高、部分设计不合理和功能少等问题，与实际现场应用还有一定的距离。

5 结语

文中介绍的油浸式变压器温度及油液液位监测装置具有无接触测量、实时监测回传结果、允许用户通过文字短信查询更改相关数据、功能模块相互独立等优点。通过对该监测装置的应用，可实现配电变压器油位和油温的有效在线监测。该设计技术涉及多个学科领域入门级技术，生产制造门槛较低，其设计方案及设计思路可为解决现有配电变压器在低成本条件下无法满足智能检测的问题提供参考。对实现配电网“智能运维、提高供电可靠”的目标具有重要的现实意义。