基于Cortex-M3的变压器运行状态在线监测系统设计

王红亮，庞 佳

(四方特变电工智能电气有限公司，辽宁 沈阳 110144)

变压器是变电站内设备的核心组成部分，其安全稳定运行是国民经济发展的前提。1台大型电力变压器价格要在几千万元，一旦发生故障损失非常大。因此，对变压器运行参数进行实时监测意义重大。在其发生故障情况时，实时预警是发现问题、减少损失的最直接手段[1-4]。变压器技术参数特征很多，开关量信号和4～20 mA占其很大部分。

传统的变压器常规信号监测都是将信号通过电缆接到信号箱内，然后再将信号引到监测装置。这样就需要大量的线缆，施工上也比较复杂。本设计终端采用Cortex-M3内核处理器作为变压器数据远程传输装置的核心控制器，采用无线通信技术将采集数据上传至后台服务器，装置采用小型化设计，可以单独安装在变压器上，也可以将装置安装在信号箱内，实现将信号箱需要监测的信号进行采集并无线远传，安装方式灵活，可以很好地减少现场走线[5-6]。此外，后台服务器配有报警装置，可在监测到故障信号时进行短信预警。

1 系统构架设计

基于Cortex-M3的变压器远程在线监测系统如图1所示。包括现场采集装置和后台数据服务器两部分。现场装置可以选择安装在变压器本体上，以减少变压器因现场走线带来的过多桥架设置及现场复杂走线，同时也可以安装在控制箱内，对引进控制箱内的信号进行采集和传输，应用灵活。

监测系统支持4路4～20 mA信号、4路开关量信号、现场温湿度信号的现场采集，监测信息可以进行就地显示，同时通过TCP/IP协议将数据传输到后台数据服务器，后台服务器对监测数据进行解析并显示。同时支持Modbus通信协议，可在现场对数据进行有线传输。用户可以通过浏览器查看监测信息。后台同时配置短信报警装置，如果监测数据异常，将报警信息以短信形式发送给相应工作人员[7-9]。

图1 系统构架示意图

2 系统设计

2.1 系统设计功能

终端监测装置采用ARM Cortex-M3内核处理器芯片为主CPU，主要实现对变压器常规信号进行实时监测，装置主要实现的功能如下。

a. 通信功能。接收上位机发送的指令，根据指令内容完成相应操作。并将现场采集数据无线传输到后台数据服务器。

b. 支持4路4～20 mA、4路开关量信号及现场温湿度信息进行就地采集，并对故障信息进行存储及本地显示。

c. 支持2路RS485通信，遵循mudbus协议，可实现数据现场有线传输。

d. 支持1路继电器输出，可驱动下一级继电器或者将输出节点信号传至监控中心。

e. 支持SD拷贝功能，可就地读取拷贝装置监测数据及对装置进行程序升级。

f. 后台配置短信猫模块，可对故障数据进行短信预警。

2.2 硬件设计

装置硬件主要实现变压器运行状态数据信息、温湿度信息的就地采集、显示及数据的无线传输功能；支持现场2路RS485通信，同时支持继电器状态输出，驱动下一级继电器电路或装置；支持SD卡现场拷贝数据功能。装置可以远程接收服务器后台操作指令，实现对监测终端的控制和参数配置。监测终端主要包括：电源模块，温湿度电路，CPU单元，RTC实时时钟，SIM900D无线通信单元，看门狗电路，RS485电路，继电器电路，SD卡电路，装置硬件结构如图2所示。

图2 装置硬件结构

2.2.1 CPU电路设计

变压器运行状态在线监测装置采用Cortex-M3内核处理器的LPC1768芯片，操作频率可达 100 MHz，具有3 级流水线和哈佛结构。包含512 KB 的 flash 存储器、64 KB 的数据存储器、4 路UART、2路 SPI 接口、8 通道的 12 位 ADC、4个通用定时器、带有独立电池供电的超低功耗 RTC，适用于处理要求高度集成和低功耗的嵌入式应用。本设计中主要实现对监测参数采集控制及无线传输数据封装整合，在接收到上位机指令时对指令进行解析判断，并进行处理操作[10]。

2.2.2 电源设计

变压器数据远传装置电源部分采用DC24 V供电。电源芯片TPS54231将输入DC24 V转换成供GSM电路供电的DC4.2 V, TPS54231输入电压范围广，输出电流最高可达2 A。DC4.2 V通过LDO芯片转换成供MCU工作的MCU_3.3 V电源。MCU_3.3电源一方面通过PI型滤波电路为ADC电路提供基准电压3.3 V，还通过金升阳电源隔离模块F0303XT-1W为RS485电路提供DC3.3 V工作电源。隔离设计很好地保护CPU电源免受外界干扰。

图3为电源系统方案设计，图4为DC24 V转DC4.2 V电路，图5为DC4.2 V转DC3.3 V电路。

图3 电源设计方案

图4 DC24 V转DC4.2 V电路

图5 DC4.2 V转DC3.3 V电路

2.2.3 GSM无线通信电路

GSM电路选择SIM900D通信芯片，采用工业标准接口，工作频率为850/900/1 800/1 900 MHz，可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信号的传输。GSM无线通信电路包括电源管理电路，SIM卡保护电路和GSM电路[11]。SIM900D在联网瞬间，工作电流最高可达2 A，平时不传数据时，工作电流在30 mA左右，本装置设计通过MOSFET管实现对无线通信电路电源的管理，在需要数据或指令传输时，无线通信电路正常工作，装置接收后台服务器传送的指令，或把采集到的数据无线发送给后台服务器。无需通信时切断无线通信电路工作电源,从而实现电源的有效管理。SIM卡保护电路，主要是实现对SIM900D芯片和SIM卡之间数据交互时的安全、稳定。

2.3 软件设计

装置实时采集4～20 mA信号，开关量信号以及现场温湿度信号,并通过GSM无线传输将数据上传至后台服务器。同时具备2路现场RS485通信，支持Modbus协议，流程功能结构如图6所示。

图6 程序功能结构

程序功能结构主要对终端装置任务分配及功能模块进行划分。其中装置运行主程序初始化过程主要对端口的设置进行初值设定，规定了CPU片上外设的工作模式[12]。另外,初始化部分也对程序运行时状态数组进行初值设定，使整个设备能够从正常的状态进入主循环运行，如图7所示。

图7 主程序流程图

此外，AutoCheck状态查询函数，用于查询设备工作状态，当有需要发送数据时发送，需要采集数据时进行采集，需要存储时进行存储，需要配置时要进行参数配置。该函数是整个设备的状态检查与任务调度中心，如图8所示。

图8 AutoCheck 流程

3 实际工程数据分析

基于Cortex-M3变压器远程在线监测系统终端已经完成样机生产及系统测试工作，已成功在换流变现场运行使用，包括对变压器顶层油面温度、底层油面温度、绕组温度等进行实时监测，现场安装图如图9所示。

图9 现场安装图

在完成对现场顶层油温、底层油温、绕组温度信息采集后，根据现场实际通信要求，选择有线通信方式将采集数据上传到后台服务器。监测后台软件通过对装置采集的数据进行解析，最终对监测参数进行显示。图10是选取2017年7月26日—8月27日，2组顶层油温和1组绕组温度的曲线。

图10 数据曲线

4 结束语

本文给出一种基于Cortex-M3的变压器运行状态在线监测系统设计方案，监测终端采用Cortex-M3内核处理器，采用无线GPRS通信技术将数据上传至后台服务器，同时支持本地有线通信。系统可对变压器4～20 mA信号、开关量信号及温湿度信号进行采集，同时支持1路继电器信号开出及SD卡拷贝功能，支持本地显示。系统服务器配置短信报警功能，在监测数据出现异常时，可以第一时间进行短信报警。实际运行结果表明，本设计可以实时准确监测变压器运行状态信息，为变压器安全运行提供可靠的保证。