上海置信电气公司沈剑韬、刘伟等：一种无源无线型配电变压器在线监测装置_电能革新的专栏文章_微信文章

上海置信电气有限公司的沈剑韬、刘伟、姚彦良、刘毅、陈元昊在2024年第11期《电气技术》上撰文，通过研制一种无源无线型配电变压器在线监测装置，实现对变压器油温、油位、压力、桩头温度、环境温度等非电量的实时监测。该装置由锂电池供电，配置低功耗工作模式，利用4G/远距离无线电（LoRa）/窄带物联网（NB-IoT）等无线通信方式对外传输监测数据，在结构设计上可以与管状油位计通用，保证了安装使用的便利性。样机的现场运行情况表明，该装置具有推广应用价值。

作为配电系统的核心设备，配电变压器的运行状态直接影响配电网运行的可靠性。对配电变压器油温、油位等非电量的监测，可以实现从不同维度评估其运行状态，这对延长变压器使用寿命、提高电网运行可靠性和经济性具有重要意义。因此，本文通过研制一种无源无线型配电变压器在线监测装置，对变压器的油温、油位、油压、桩头温度、环境温度等非电量进行实时监测，以有效反映其运行工况和健康状态；同时，利用其无源无线工作模式，实现安装使用的便利性。

1 总体设计方案

本文研制的在线监测装置集成油温、油位、压力、桩头温度、环境温度等非电量监测功能。其中，油温、油位、压力传感器集成在内部传感器板上。桩头温度测量包括传感器和接收模块两部分，传感器为捆绑式结构，可以绑扎在变压器高低压桩头位置，接收模块可以接入装置传感器板，二者通过无线通信方式进行数据传输。环境温度传感器探头通过天线引出。在线监测装置保留原有的压力释放阀功能、油位指示功能，可以实现与原有管状油位计的直接替换。

在结构上，在线监测装置分为上、中、下三个舱体：顶部为电源通信舱，放置电池和通信板；中间为传感器舱，放置传感器板；底部舱体放置浮子和压力释放阀等机械结构。配电变压器在线监测装置结构设计如图1所示。

装置的系统架构采用双微控制单元（micro- controller unit, MCU）系统设计，分为传感器板和通信板。传感器板负责各类非电量传感器的数据采集，通信板负责对内对外通信及电源管理。板间通信采用RS 485方式，对外数据传输通过4G/远距离无线电（long range radio, LoRa）/窄带物联网（narrow band internet of things, NB-IoT）等无线通信方式实现。

图1 配电变压器在线监测装置结构设计

MCU选用兆易创新GD32F330系列芯片，相比于同类型国外芯片，国产MCU具有成本低、技术自主可控等优势，并且该系列MCU还具备各类通用总线及丰富的模拟、数字外设。在线监测装置系统架构如图2所示，包含通信和传感器采集两部分。

图2 在线监测装置系统架构

2 硬件设计和软件设计

硬件设计包括配置各个传感器的接口、传感器输出信号的处理、RS 485通信、电源的管理等。油温和压力数据通过集成电路总线（inter-integrated circuit, IIC）方式输出，油位信号通过模拟电压输出，桩头温度数据通过通用异步收发器（universal asynchronous receiver/transmitter, UART）输出。

系统软件设计流程主要包括系统初始化、传感器参数设置、数据采集及滤波处理、数据校验和上传等。在传感器数据采集过程中加入数字信号滤波算法，再对采集到的数据进行校验分析，最后根据Modbus协议传输数据。

此外，在软件设计中配置MCU的低功耗工作模式，即定时待机/休眠和定时唤醒[5]。待机模式基于Cortex—M4的SLEEPDEEP模式实现。待机模式有四个唤醒源，包括来自NRST引脚的外部复位、RTC闹钟/时间戳/侵入事件、FWDG复位、WKUP引脚的上升沿。待机模式可以达到最低功耗，但唤醒时间最长，程序设计中利用RTC闹钟实现定时唤醒。在线监测装置软件设计流程如图3所示。

图3 在线监测装置软件设计流程

为了便于监测数据的对外传输，在装置软件设计中配置Modbus协议。在线监测装置的通信规约建立在标准Modbus通信协议基础上，采用Modbus- RTU模式。协议中配置03/04/06/10四个功能码，03功能码读参数量，04功能码读数据量，06和10功能码分别写单个和多个参数量。油温、油位、压力等非电量数值设置为数据量，各个非电量的告警阈值及待机间隔时间设置为参数量，数据量为只读，参数量为可读写。功能码说明见表1。

表1 功能码说明

3 低功耗工作模式的实现

在线监测装置采用锂电池供电，供电电压为3.6V，虽然安装使用方便，但是需要定期更换。因此，为延长电池的使用寿命，将装置配置为一种低功耗工作模式，通过硬件和软件配合实现。硬件上通过RT9701电子开关来控制后级电源的通断，除了通信板MCU外，其余所有元器件的电源全部接入电子开关的后级。

MCU可以控制电子开关的使能引脚EN，当EN引脚输入高电平时，电子开关VOUT引脚输出3.3V电压；当EN引脚输入低电平时，VOUT引脚输出电压为0。在软件程序中设置MCU的定时待机和定时唤醒工作模式，在MCU待机状态下，EN引脚输入为低电平，VOUT引脚输出电压为0，在线监测装置进入待机状态；定时唤醒后，EN引脚输入高电平，VOUT引脚输出电压为3.3V，在线监测装置正常工作。从待机到唤醒的间隔时间可设置。电子开关应用原理如图4所示。

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