配电网有载调压开关状态监控系统设计与实现

马光磊 台 畅 张中印 赵云超 袁洪跃

（1.北京博瑞莱智能科技周口有限公司 2.河南机电职业学院 3.国网河南省电力公司开封供电公司）

0 引言

电力系统中有很多衡量电能质量的指标，其中电压质量是最重要的一项。配电网有载调压开关是稳定配电网电压的重要手段，将其安装在配电变压器中，可在不断电的情况下，通过改变变压器的触头从而调节变压器绕组的有效匝数，完成有载调压的目的。

有载调压分接开关的运行工况直接关系到有载调压变压器的运行安全，随着新能源的并网，有载调压变压器在电网应用逐年增加，针对有载调压开关的状态监控就十分必要。

电力物联网是构建智能电网的关键技术，本文利用该技术开发了一种新型的配电网有载调压开关状态监测系统［1］，系统由三部分组成：基于配电变压器的终端模块、特定网关、终端服务器。终端设备通过传感器采集和检测配电变压器相关部件的的运行数据，然后利用特定网关向上连接终端服务器，连接下层终端设备，并把存储采集到的数据供应用使用。终端服务器提供人机界面，完成与网关的通信，并对整个系统中的设备进行监控和管理。

1 整体方案

1.1 系统目标

系统建设目标是在配电网中基于IoT（物联网）和Python相关技术开发安全高效的配电网有载调节器开关状态监控系统。

系统分成终端设备（通过在配电网［2-4］中部署透过型激光位移传感器实现对有载调压开关运行参数的采集并完成数据传输工作）、网关（实现终端通信，后端通信，数据存储，文件备份等功能）和终端服务器（对采集到的数据进行存储与分析，提供相应的图表信息，构建人机交互接口，完成相关开关的管理与控制）三部分。

1.2 总体架构

在配电网有载调压开关［5-6］状态监控系统中，核心的硬件设备由透过型激光位移传感器、终端设备核心板等构成。系统可以与透过型激光位移传感器进行交互；通过集成电路总线的传输方式将采集到的数据，传输到系统选定的终端设备开发板上；相关的执行动作，可以由有载调压开关进行执行，从而有效的控制电压质量；同时，构建信息显示和操控APP，将相关的信息显示通过APP交互的方式进行展示。通讯成熟的树莓派网关，基于物联网网络，进行数据的传输和采集，系统开发的网关支持通过4G、Wi-Fi或以太网通讯。

整个系统的软件流程具体实施如下，控制相应的透过型激光位移传感器进行数据的采集工作，采集到的数据通过低功耗无线传输的LoRa模块，在网关上进行数据的各种处理和交互，通过相关的网络通讯协议及成熟的通讯模块与终端服务器衔接。具体的数据采集流程是通过异步收发传输的方式，将相关数据传输到LoRa局域网中，再通过异步收发传输的方式，系统可以使用的多种通讯方式进行传输，传输的数据进入服务器端以后，就可以对相关数据进行各种操作。采集到的数据通过终端服务器的相关处理后，通过有载调压开关的控制策略相匹配，进行以数据和控制测量的回传，根据不同的操作指令完成配电变压器的有载调压和各项控制，系统的总体架构如图1所示。

图1 系统整体架构

1.3 系统功能及代码架构

系统的功能模块通过水平切分、模块化进行构建，除了实现数据传输和控制的功能，还能建立有载调压分接开关动作时的振动信号采集模型。采集样本后对采集到的振动信号进行主成分分析法进行降维处理，再用RboustICA算法快速把将为后的数据分成若干个独立互补相干的分量，最后采用基于小波的正交匹配追踪算法重构出混合信号中的背景信号（周期信号）。在终端服务器构建状态信息的训练库，即对有载分接开关常在的各类故障振动信号进行样本预处理，进行特征提取，根据提取到的特征矢量建立高斯模型库，以及采用易错误判别的振动信号进行SVM库建立。对有载分接开关实时采样到的振动信号即观测信号进行特征提取，最后计算观测信号和样本训练库模型的匹配率，根据相似性准则，匹配概率最大即为输出最优，并在确定出的运行状态为易错故障类别时，将支持向量机模型确定出的故障类别重新确定为有载分接开关的运行状态。最后基于选取的硬件及硬件开发需求，系统采用Python的编程方式实现整个配电网有载调压开关状态检测和控制工作，具体的软件模块及功能如图2所示。

图2 系统的代码组成

2 核心功能实现

2.1 终端模块

终端模块是系统的核心模块，通过透过型激光位移传感器采集到有载调压开关在运行过程中的相关数据，通过系统选取的数据传输方式将相关数据发送到网关中。终端设备的核心功能就是实现信号采集，系统以STM32MCU为核心，通过搭载透过型激光位移传感器和相关的控制设备完成信号采集。系统数据采用的模式是E32-TTL-100LoRa，该模块在具体使用的时候有四种工作模式，通过设置引脚M0、M1的各项内容，完成信号的采集和传输，详细情况见下表。

表E32-TTL-100LoRa模块工作方式

2.2 网关设计

系统中网关是连接终端设备与服务器端的软件和硬件的结合体，是系统的核心点之一，对采集到的数据进行主成分分析法进行降维处理，再用RboustICA算法快速把将为后的数据分成若干个独立互补相干的分量，最后采用基于小波的正交匹配追踪算法重构出混合信号中的背景信号（周期信号）。集合多种通讯方式进行数据传输，同时基于物联网网关［7-9］从网络拓扑上应归于设备端，在软件架构上和服务端类似，网关设计主要集中于软件环境的构建。图3是自主构建网关的软、硬件框架图。

图3 自主构建网关的软硬件框架图

网关的硬件选取树莓派作为开发基体，核心功能是实现数据的分析处理，可以传输不同类型的数据，能承受数据传输的波动性，系统选取EMQXKuiper对相关数据进行边缘化处理。具体开发的时候，主要的功能有：

终端通信：在选取的网关载体上安装LoRa模块，完成相关的开发，最终在网关上实现LoRa模块与终端设备的数据通信，具体功能有数据采集，基础解析和发送等功能。

双向通信：在网关载体上，使用Socket实现与终端服务器的双向通讯，系统实现了通过Wi-Fi、485、4G网络等的通信方式，完成相关的交互功能。

系统警告：同时网关具备系统报警的功能，采集到的终端数据出现危险和异常的时候，可以迅速的将相关消息发送到服务器端。

数据存储：利用网关设备自身的存储模块，可以存储对于系统终端的相关状态信息及配置参数，可以很快的完成终端设备的配置工作。

信息备份：系统可以定期将网关存储设备中的数据传输到终端服务器，这里选择的是压缩备份，并且只备份重要的数据。

通过相关的开发，完成上述的功能，图4是网关程序框图。

2.3 网关网络通讯

系统开发的过程中采用E32-TTL-100LoRa模块进行通信，通过对其开发，实现了远距离传输透过型激光位移传感器采集到的数据，同时可以继续扩展，后期可以使系统支持多种传感器的开发，图5是系统的网关网络通信方案。

图5 网关网络通信方案

2.4 终端服务器

终端服务器是系统的核心，其功能既要提供人机交互，又要实现与网关信息交互，并且实现特定的功能。图6是终端服务器实现的核心功能，主要功能有：

图6 服务器端程序

接入控制：能够控制所有的外围接入设备，如网关的接入及连接管理，同时在接入的过程中具有安全管理对接流程及管理。

指令转发：能够通过Web界面和移动APP界面，完成与相关设备之间的信息交互，包括系统管理员和用户的不同操作指令、相关信息的统计、分析和删除功能。

信息管理：对于采集到的数据，经过分析与整理，提取相关的特征值，可以将相关数据与构建的状态信息的训练库进行对比分析，计算出采集的信息和样本训练库相关数据的匹配率，确定出的检测设备的运行状态，为有载调压开关执行具体动作的时候提供决策依据。同时能够进行图像展示分析，完成信息交互，管理人员和用户可以对相关的终端设备数据进行备份、分析、删除和还原管理。

用户管理：通过设置不同级别的管理用户，可以完成相关的用户管理，不同的用户具有不同的权限，同时可以对用户的登录、注销、删除等操作进行管理。

设备管理：通过数据的双向交互，可以链接系统内所有的设备，并对每个设备完成相关的编号，进行多功能的管理，对相关设备的历史信息也可以进行巡视，如网关的运行状态，硬件设备的状态等。

2.5 检测模块

系统的主要功能是实现透过型激光位移传感器对有载调压开关状态的检测，该类型传感器能够精确非接触测量被测物体的位置、位移等变化，还可测量位移、厚度、振动、距离、直径等精密的几何测量。通过激光位移传感器可以成功测量有载调压开关的位移和振动信号，通过对这些信号的捕捉和分析，整个系统可以有效的检测到有载调压开关的状态。传感器与核心板的硬件连接图如图7所示。接上5V电源，电源指示灯亮，当传感器捕捉到调压开关设定的位移和振动的时候，DO输出为高电平，开关指示灯灭，设定的振动和位移没触发一次，DO输出为低电平，开关指示灯亮，设定的振动和位移恢复后，传感器又恢复到输出高电平状态。AO模拟输出，可以连接的树莓派上的AD口检测相关的位移和振动的大小。DO TTL数字输出测量的具体数值是否有效。

图7 位移传感器与核心板的硬件连接图

3 结束语

本文将物联网技术和Python编程相结合，构建了电力系统中配电网有载调压开关状态监控系统的设计与实现。通过透过型激光位移传感器采集各种数据，并将相关数据通过网关传递给后台服务器。网关向上连接服务器端，向下连接终端设备，并对收集到的数据管理。服务器端提供相应的人机接口，实现与网关的通信，同时对整个系统中的设备监控管理。