基于单片机的变压器油中溶解气体在线监测供电故障报警装置研制

王云飞 刘少辉 刘昊 吴焯军 张殷

摘要：本文为解决变压器油中溶解气体在线监测（以下简称油色谱在线监测装置）断电后无法远程指示具体故障原因的问题，设计了一种基于ARM单片机的断电故障报警的装置，该装置包括了电源切换、信号采集及调理，无线传输等功能模块。能够实时油色谱装置的供电电压断电故障报警，并实时发出断电故障报警信息，提高在线监测设备智能化运维水平，提高运维工作效率。

关键词：油色谱;断电报警;在线监测;单片机

引言

变压器作为电网系统中的核心设备，其运行可靠性对电网系统的至关重要。油色谱在线监测设备以其自动化、少维护和安全可靠等特点，近十年来，已经逐步成为保障变压器安全的可靠技术监督手段。

大量在役设备在降低了主变压器的运行风险的同时也带来了新的问题。首先，在增加运维人员工作量。根据统计某供电局整体装置数量有逐年增多的趋势。在役装置存量的增加，必然导致故障数量的增多。其次，增加了运维的难度和风险，人员在对在线监测装置运维时始终存在误触碰带电设备和误操作的风险，而造成该风险的原因之一就是对油色谱在线监测装置故障原因的不明确。而在油色谱在线监测装置的各类故障中，供电系统故障占据了较高比例。因此，研制一种能够有效指示油色谱在线监测装置断电故障的的装置有其现实必要性。

1、油色谱在线监测装置供电结构

油色谱在线监测装置是利用气相色谱分析技术，分析变压器油中溶解气体含量的技术。该技术因其准确程度高、可重复等特点，获得过诺贝尔化学奖。装置主要包括了油气分离模块、气体组分分离模块（色谱柱）、气体组分检测模块以及数据处理及通信模块和附属元件[1]。而油色谱在线监测装置在工作中各组成元件需要消耗电能，例如：油泵需将变压器油从本体泵入油气分离模块，油气分离模块在油气分离过程中需要使用气泵进行顶空脱气，载气进入色谱柱需要启动电磁阀门，色谱柱进行特征气体分离过程中需要保持色谱箱中的温度恒定，以上过程均需要消耗电能。因此，油色谱在线监测装置中的供电可靠性至关重要[2]。

油色谱在线监测的供电系统的核心部件是交流-直流AC-DC整流电路，从上级交流220V电源整流后转换成不同直流电压，向油色谱在线监测装置中的油泵、气体循环泵、恒温箱、阀组控制电路、温度控制器、载气泵等部分供能，笔者根据多种型号油色谱在线监测装置的设计图和实物装置情况，梳理出油色谱在线监测装置中主要的监测对象如表1所示。

根据表1所列的监测对象，断电报警装置的监测电压通道包括：1路220V交流电压、3路24V直流电压、3路12V直流电压以及1路5V直流电压。因此，该断电报警装置根据电压等级和监测对象分为4类，即交流电压（220V）、直流电压（24V、12V和5V）。

2、基于ARM单片机供电故障报警装置结构和功能

断电报警装置的检测对象是油色谱在线监测装置的整流转换模块，该模块负责向油色谱在线监测装置中的耗能元件提供不同电压等级的直流电或交流电，更具体是将220V交流电转化为24V、12V和5V的直流电，不同的油色谱在线监测装置生产商所采用的设计方案可能不同。本发明装置利用ARM单片机（具体型号STM32F407）的内置电压比较器，以油色谱在线监测装置整流转换模块的输入侧的交流220V电压整流和输出侧24V、12V和5V的直流电作为具体的参考电压值，通过设置的软件逻辑，判断各个参考电压值是否降为零，最后通过软件报警程序远程传输报警信息。具体的实现过程是：

首先將输入侧交流220V通过电源切换电路中的整流部分变为5V直流电后，与备用电池组相连。电源切换电路输出的5V直流电升压后接入12VDC直流模块，经直流模块降压至3.3V直流电压，最后以该3.3V直流电压作为参考值，接入STM32F407主控芯片的电压比较器引脚。经比较器判断后，决定是否启动断电报警程序。一旦断定交流220V电压判断为零，则启动电源切换电路，此时油色谱在线监测装置以备用的锂电池组作为供电电源，保障断电报警装置正常运行，最后通过4G模块将断电报警信息传输到后台管理人员处。具体硬件图如图1所示。

图1中，AC-DC是交流整流模块，负责将油色谱在线监测装置输入的220V交流电转化为直流5V直流，并将5V电压作为电源切换模块的输入。

电源切换模块负责判断是否需启动磷酸铁锂电池组，判断的条件是交流220V电压是否降为0.

12V DC-DC模块负责将5V输入直流电压升压到12V直流电压，以此作为4G无线传送模块的电源。

3.3V DC稳压模块负责将5V输入直流电压变换到3.3V作为STM32处理器芯片的电源。

电流互感器和电压互感器负责将220V交流电源转化为STM32芯片引脚能够承受的直流电压和电流，作为判断是否断电的评判依据。

4G模块负责将STM32主控芯片判断后得到的断电指令，转化为4G信号向软件后台传送。

DC采集通道1～4分别为24V、12V和5V电压采集点，主要负责采集油色谱在线监测装置中的直流电压信号，作为判断油色谱在线监测装置整流模块直流输出侧的电压是否为零的依据。

2.1主控电路设计

主控电路基于ARMSTM32F407型控制芯片，该部分的功能包括：晶振负责产生时序时钟、信号采集及解调、PWM输出控制，以及过电流保护功能。主芯片的VCC引脚接3.3V。系统的晶振分别接入ARM芯片的PH0和PH1引脚。系统的ADC IN0-ADC IN7脚作为电压采集，其中ADC IN0-ADC IN1作为交流电压采集，ADC IN2-ADC IN3作为三路直流电压采集。断电报警结果通过USART1和USART2引脚输出。

2.2采集电路设计

采集电路分为交流电压采集和直流电压采集两部分，根据图3和图4所示，R24为取样电阻，R25和R26分压，形成1/2VCC分压，中点直接过互感器副边，接运放同相端。运放输出经过R29和R32放大后，接入主控芯片的内置比较器。

2.3无线通信电路设计

本断电保护装置采集到断电故障并生成报警信息后，通过采用4G数据网向后台管理人员，在断电报警信号中涵盖了故障点的位置信息，为保证通信信号的运行稳定性，本模块采用WH-LTE-7S5 作为通信芯片，该芯片是一款插针式4G模块，实现UART转4G双向透传功能，具有高速率、低时延的特点。在芯片的VCC脚与3.3V电压相连接。传输数据经TX、RX两脚，与主控制芯片PA9 和 PA10脚相连接。

2.4装置供电以及电源切换电路

断电报警系统的供电部分主要有两个部分：一是AC220V电源，二是由锂电池组成的备用电源。在正常情况下，断电报警装置通过AC220V电源供电。油色谱装置发生断电故障后，通过电源切换电路，切换至备用锂电池供电，进行故障的判断和报警信号传输。但因为220V电源为交流信号，所以需要通过AC-DC整流为直流信号，作为电源切换的参考信号（VCC_SW）。因此，在具体设计结构上，电源切换电路（如图6所示）通过比较VCC_SW引脚电压和VBAT引脚（锂电池输出）电压，在检测到VCC_SW引脚电压为零时，切换至锂电池供电。

3、软件设计功能

该断电故障报警装置的主要检测流程包括：断电报警装置上电初始化、采集数据、逻辑判断条件输入电壓是否为零、断电报警信息上传流程以及判断断电报警装置本身的“定时上传数据”流程。

该断电故障报警装置的检测对象分为交流和直流电压两种，对交流220V电压信号断电报警装置在检测到电源切换模块动作信号后，直接启动断电报警程序。同时，对直流电压信号，断电故障报警装置采用轮巡的方式，以固定时间间隔采集直流电压信号，当检测到某个电压的下降至0时，装置断定在线监测系统出于断电状态，以远程通信方式告知管理者相关设备断电故障信息。

4、断电报警装置的应用

该断电故障报警装置应用于某型油色谱在线监测装置上，经现场多次通断电测试，后台软件均接受到断电报警短信（如图8所示），证明了该设计能够实现断电报警的功能。

具体实验接线如图：将断电报警装置的AC1端子接入外部220V电源，AC2端子接入变压器油色谱在线监测装置的整流模块输入端。DC1～DC4直流电压监测端子并联接入变压器油色谱在线监测装置的整流模块的直流电输出侧。断开外部220V交流电源，装置通过短信向指定手机发送报警短信。在系统重新接通后，报警装置发送短信提示外部电源恢复正常。

5、结论

综上所述，本文设计了一种基于单片机的断电故障报警自动检测装置，装置以ARMSTM32作为主控制芯片，能够分别采集油色谱在线监测装置整流模块的交流电压和直流电压，并依据程序判断，通过4G远程通信实现断电报警功能。为保障装置的稳定运行，本文同时设计了备用电池电源和电源切换电路，能够装置在突发断电情况下的远程报警。

参考文献

[1]变电设备在线监测技术工程应用[M]中国电力出版社，2014.

[2]变电设备在线监测与故障诊断[M]中国电力出版社，2010.