CN203405518U - 用于智能变压器的数据采集传感器系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型是用于智能变压器的数据采集传感器系统，其结构包括配电变压器本体(011)、智能组件和操作人员平板/手机应用的APP（010），其中配电变压器本体(011)、智能组件和操作人员平板/手机应用的APP（010）依次串接。优点：利用Wi-Fi与比较普及的智能手机或者平板电脑连接，通过在移动终端运行的自主开发的APP软件来实现高级功能。具有一体化、智能化、物联网、低成本等特点。

Description

用于智能变压器的数据采集传感器系统

技术领域

本实用新型涉及的是一种用于智能变压器的数据采集传感器系统，即用于10kV配电变压器本体与交流采样技术，直流模拟量采集技术，Wi-Fi通信，热释电传感器等电子电路技术。通过多个技术的集成应用，可以实现对变压器基本参数的测量、分析、以及监控，利用手持设备对实时和历史数据进经济运行、防窃电分析等高级功能实现。属于低压电力中一次设备智能化技术领域。 

背景技术

传统的配电变压器具有传输电能这一基础功能，是配电网的重要组成部分，其特点是分布广，数量多，总损耗大。有不少变压器存在过载或者负载率低的问题，三相不平衡的现象也比较常见，这些问题影响到变压器运行的安全和经济性。 

发明内容

本实用新型提出的是一种用于智能变压器的数据采集传感器系统，其目的旨在采用数据采集传感器技术的配电变压器，记录长期的变压器运行参数（如：三相不平衡度，负载率，绕组温度等等），并在移动终端上绘制成历史数据曲线。这些历史数据为变压器的经济运行和安全运行提供大量数据依据，APP软件还能根据此类数据给出专家建议。维护人员可以根据相应的数据和专家建议采取措施（如调整三相负载，严重过载的变压器更换容量更大的等），增加变压器运行的安全与经济性。 

本实用新型的技术解决方案：用于智能变压器的数据采集传感器系统，其特征在于：包括配电变压器本体、智能组件和操作人员平板/手机应用的APP，其中配电变压器本体、智能组件和操作人员平板/手机应用的APP依次串接；其中配电变压器本体中的干变绕组温度信号输出端接入智能组件中的状态监测电路的干变绕组温度信号输入端，配电变压器本体中的油变油温信号输出端接入智能组件中的状态监测电路的油变油温信号输入端，配电变压器本体中的铁芯温度信号输出端接入智能组件中的状态监测电路的铁芯温度信号输入端，配电变压器本体中的第一低压侧三相电流接入智能组件中的交流采集电路的第一低压侧三相电流的输入端，配电变压器本体中的第二低压侧三相电流分别接入智能组件中的交流采集电路的第二低压侧三相电流的输入端、组件电源电路的输入端；智能组件中的Wi-Fi通信单元电路的信号输出端通过无线与操作人员平板/手机应用的APP信号输入端相接。 

本实用新型的优点：利用Wi-Fi与比较普及的智能手机或者平板电脑连接，通过在移动终端运行的自主开发的APP软件来实现高级功能。该技术的优点可以概括为以下几点：一体化、智能化、物联网、低成本。 

一体化：新型的智能配电变压器由智能组件单元与传统的配电变压器构成，并对配电变压器壳体稍作改变，将智能组件、配电变压器、低压侧电流互感器等组成部分一体化。电流互感器为电磁式穿心式，固定于变压器低压侧出线端，干式变压器的智能组件内置于变压器壳体内，油浸式变压器的智能组件外敷于变压器壳体。一体化使智能配电变压器现场安装接线变得简单，体积紧凑，电流互感器的安装方式能有效地防窃电。 

智能化：传统的配电变压器只具有传输电能这一基础功能，而新型的配电变压器在传送电能的基础上增加了众多高级功能，主要体现在配变监测，经济运行，防窃电，维修定位，互动化管理等方面，使操作人员能直接了解到变压器的当前状态，如绕组温度、油温、各项电流、甚至各次谐波分量等等。 

物联网：如今智能手机已经很普及，平板电脑应用也很广泛，可以利用智能手机或者平板电脑等移动终端来与变压器进行数据交互。这样，只要有专用的APP软件与账户，维护人员甚至能用自己的手机来访问变压器，并可以将数据通过GPRS/3G等方式传送回远端，方便快捷。同时，在手机或者平板上开发的APP，既丰富多彩，表现力强，又易于上手。 

低成本：以极低的投入，实现了配电变压器使用性的很大提升，该数据采集传感技术具有良好的发展前景。 

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。 

图2是电压、电流采集电路图。 

图3是油温采集电路图。 

图4是组件电源电路图。 

具体实施方式

如图1所示，用于智能变压器的数据采集传感器系统，包括配电变压器本体011、智能组件和操作人员平板/手机应用的APP010，其中配电变压器本体011、智能组件和操作人员平板/手机应用的APP010依次串接；其中配电变压器本体011中的干变绕组温度信号输出端接入智能组件中的状态监测电路001的干变绕组温度信号输入端，配电变压器本体011中的油变油温信号输出端接入智能组件中的状态监测电路001的油变油温信号输入端，配电变压器本体011中的铁芯温度信号输出端接入智能组件中的状态监测电路001的铁芯温度信号输入端，配电变压器本体011中的第一低压侧三相电流接入智能组件中的交流采集电路002的第一低压侧三相电流的输入端，配电变压器本体011中的第二低压侧三相电流分别接入智能组件中的交流采集电路002的第二低压侧三相电流的输入端、组件电源电路003的输入端；智能组件中的Wi-Fi通信单元电路009的信号输出端通过无线与操作人员平板/手机应用的APP010信号输入端相接。 

所述的智能组件其结构包括状态监测电路001，交流采集电路002，组件电源电路003，人体感应传感器电路004，数据存储电路005，指示报警电路006，备用通信通道电路007，核心处理单元电路008，Wi-Fi通信单元电路009；其中状态监测电路001的信号输出端与核心处理单元电路008的第一信号输入端相接，核心处理单元电路008的第二信号输入端与人体感应传感器电路004的信号输出端相接，核心处理单元电路008的信号输出端与指示报警电路006的信号输入端相接，核心处理单元电路008的第一信号输出/输入端与交流采集电路002的信号输入/输出端对应相接，核心处理单元电路008的第二信号输出/输入端与备用通信通道电路007的信号输入/输出端对应相接，核心处理单元电路008的第三信号输出/输入端与数据存储电路005的信号输入/输出端对应相接，核心处理单元电路008的第四信号输出/输入端与Wi-Fi通信单元电路009的信号输入/输出端对应相接。 

所述的核心处理单元电路008作为中央处理单元，核心处理单元的主芯片为ATMEL公司的SAM4S8B。核心处理单元电路008通过SPI总线与交流采集电路002、数据存储电路005、Wi-Fi通信单元电路009进行数据通信。交流采集电路002使用计量芯片IDT90E36，电压采样采用电阻分压方式，电流采样采用差分取样方式，数据存储电路005采用的FLASH芯片为ATMEL的AT25DF321A，容量为4MB，Wi-Fi通信单元电路009使用的Wi-Fi模块为上海庆科EMW3140。状态监测电路001，交流采集电路002采集数据，传回核心处理单元电路008，按可调的时间间隔生成历史数据存入数据存储电路005，状态监测电路001采用PT100热电阻采集变压器温度数据，有异常时通过指示报警电路006的LED指示灯与蜂鸣器动作，对外指示告警。人体感应传感器电路004，其芯片信号为LHI778，传感器为BIS0001监测到有人接近后反馈给核心处理单元电路008，核心处理单元电路008控制Wi-Fi通信单元电路009设置成AP热点，操作人员平板/手机应用的APP010连接上变压器，进行数据交互。 

所述的交流采集电路002中电流采样采用高变比（630A/100mA）的电流互感器，电压取样电路采用电阻分压取样，用微型PT（2mA：2mA）隔离，使用计量芯片采集电压、电流二次侧信号，然后核心处理单元电路008中CPU通过SPI接口读取计量芯片相关处理后数据。 

所述的状态监测电路001同时采样基准电压与热敏电阻分压电压，设计有电压跟随器电路，然后由核心处理单元电路008中CPU通过A/D接口采集对应电压值。 

所述的人体感应传感器电路004是利用热释电红外传感器基本原理：人体辐射的红外线中心波长为9~10um，而探测元件的波长灵敏度在0.2~20um范围内几乎稳定不变，在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7~10um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。 

所述的核心处理单元电路008中CPU通过IIC接口采集人体感应传感器电路004中变化状态。 

所述的Wi-Fi通信单元电路009中Wi-Fi模块与智能手机或者平板电脑连接，从而实现一些重要数据的交换，而Wi-Fi模块与核心处理单元电路008中CPU通过SPI接口实现数据的交换。 

所述的组件电源电路003使用线性电源变压器与DC-DC芯片稳压的组合方式，实现向核心处理单元电路008中CPU提供3.3V供电。 

如图2所示，交流采集电路002：三相电压采用直接从变压器低压侧铜排打孔引线的方式取得，而三相电流信号通过高变比的电流互感器得到；电压取样电路采用电阻将电压变成电流，在使用微型PT（2mA：2mA），最终将交流电压220V/50HZ信号，变化成交流电流1mA/50HZ信号，然后PT二次侧用电阻负载实现电流到电压的变化，最终将电压信号送入到计量芯片采集管脚处，电流采样相似与电流采样（如图2所示）；然后计量芯片处理采集的电压和电流信号，再由核心处理单元电路008中MCU通过SPI总线交互计量芯片中的数据，比如：变压器低压侧的三相电压电流，有功无功功率，频率，功率因数等实时交流模拟量数据与总电能示值、总电能量等电能量数据和三相不平衡度、谐波含有率、谐波分量、负载率等电能量统计数据。 

如图3所示，状态监测电路001：油变的油温由组件采用电阻分压方式测得；由核心处理单元电路008中MCU的A/D经过负反馈放大电路直接采样PT100电阻上的电压值。 

干变的三相绕组温度通过采集干式变压器配置的温控器输出的4-20mA直流模拟量信号得到。采用2个250欧姆的精密电阻并联，作为取样电阻，转换为0.5V-2.5V的电压信号，由核心处理单元电路008中MCU的A/D采集并计算出温度值。 

如图4所示，组件电源电路003：组件电源电路003取电从变压器低压出线铜排上钻孔引线。采用3个220：10的线性电源变压器，得到额定10V的交流电压信号。交流电压信号经过桥式整流与电容储能滤波，得到额定值11V左右的直流电压。采用DC-DC芯片对直流电压进行降压稳压处理，输出3.3V的工作电压，3.3V电压的带负载能力为800mA。 

人体感应传感器电路004：人体感应传感器电路004来感应操作人员的到来，适时启动Wi-Fi AP热点。 

使用热释电传感器，当人体进入到监测区域时，传感器接收到信号，从而反馈给单片机，单片机通过控制Wi-Fi电源的方式启动Wi-Fi模块。因为人体辐射的红外线中心波长为9~10um，而探测元件的波长灵敏度在0.2~20um范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7~10um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。 

因为变压器安装场合各异，其中干变因为处于室内，传感器不容易被干扰。油浸式变压器由于处在室外（多为杆上），需要设置好传感器接收信号的区域，减少误开次数。同时软件根据开关次数，结合一定算法，来减少频繁开关通信模块电源。 

数据存储电路005：采用4MB DATA FLASH芯片，存储3个月以上的各项历史数据，绘制历史数据曲线，以供分析，通过SPI接口与主单片机通信。 

指示报警电路006：智能组件箱体上留孔，通过导光柱连接LED灯。当组件的核心处理单元电路008检测到各种预设的异常状态时，通过IO电平的变换使相应的指示灯（如超温、过载等）点亮，使维护人员直接能发现此台变压器异常。同时也设有运行、通讯等状态指示灯，显示组件的状态。 

备用通信通道电路007：组件留有备用通信通道，3.3V LVTTL电平，UART口，也可以配合自制的转接板，转换成232、485等通信通道。该接口主要为出厂前校表，调试用，也可作为后备通道使用。 

核心处理单元电路008：核心处理单元电路008作为智能组件的核心，控制处理各功能单元。其中主MCU选择为ATMEL的M4核单片机，该单片机的最低要求包括256KB FLASH和32KB RAM，4个串口，3个SPI，需要支持IIC。其外围配置有硬件看门狗芯片，时钟芯片，使用超级电容做为时钟芯片的后备电源，使其在掉电后仍能保持数周。 

Wi-Fi通信单元电路009：Wi-Fi通信单元电路009是实现数据采集传感器技术的核心。Wi-Fi通信单元电路009与核心处理单元电路008采用SPI总线连接，支持最高到48MHz的SPI时钟。Wi-Fi模块工作时配置成SOFT AP模式，其工作电流约80mA。Wi-Fi通信单元电路009与人体感应传感器电路004配合使用，降低Wi-Fi的功耗，延长Wi-Fi模块的寿命。 

操作人员平板/手机应用的APP010：在WIN8/IOS/android平台的移动终端均能安装相应的APP软件，与智能配电变压器进行数据交互。利用APP软件，能召测实时数据，显示3个月的历史数据曲线，并有维修定位，经济运行分析，专家判断，油变寿命估算等由APP软件实现的高级功能。 

如图1所示，基本工作流程如下： 

首先该采集传感器通过状态监测电路001和交流采集电路002分别采集配电变压器本体011上三相绕组温度（干式变压器）、或油温（油变）和三相电压、电流，然后由核心处理单元电路008进行相关逻辑运算，然后通过数据存储电路005进行相关数据存储、指示报警电路006进行相关状态的显示，接下来如果有操作人员平板/手机应用的APP010来连接采集传感器，则核心处理单元电路008会通过Wi-Fi通信单元电路009与操作人员平板/手机应用的APP010进行数据的交换，操作人员平板/手机应用的APP010得到相关数据就可以对配电变压器本体011进行经济运行、防窃电分析等高级功能实现。

关于人体感应传感器电路004主要用于感应操作人员的到来，适时启动Wi-Fi AP热点。 

关于组件电源电路003主要用于从配电变压器本体011取电，为采集传感器进行供电。 

Claims (8)

1.用于智能变压器的数据采集传感器系统，其特征在于：包括配电变压器本体(011)、智能组件和操作人员平板/手机应用的APP（010），其中配电变压器本体(011)、智能组件和操作人员平板/手机应用的APP（010）依次串接；其中配电变压器本体(011)中的干变绕组温度信号输出端接入智能组件中的状态监测电路（001）的干变绕组温度信号输入端，配电变压器本体(011)中的油变油温信号输出端接入智能组件中的状态监测电路（001）的油变油温信号输入端，配电变压器本体(011)中的铁芯温度信号输出端接入智能组件中的状态监测电路（001）的铁芯温度信号输入端，配电变压器本体(011)中的第一低压侧三相电流接入智能组件中的交流采集电路（002）的第一低压侧三相电流的输入端，配电变压器本体(011)中的第二低压侧三相电流分别接入智能组件中的交流采集电路（002）的第二低压侧三相电流的输入端、组件电源电路（003）的输入端；智能组件中的Wi-Fi通信单元电路（009）的信号输出端通过无线与操作人员平板/手机应用的APP（010）信号输入端相接。

2.根据权利要求1所述的用于智能变压器的数据采集传感器系统，其特征在于：所述的智能组件其结构包括状态监测电路（001），交流采集电路（002），组件电源电路（003），人体感应传感器电路（004），数据存储电路（005），指示报警电路（006），备用通信通道电路（007），核心处理单元电路（008），Wi-Fi通信单元电路（009）；其中状态监测电路（001）的信号输出端与核心处理单元电路（008）的第一信号输入端相接，核心处理单元电路（008）的第二信号输入端与人体感应传感器电路（004）的信号输出端相接，核心处理单元电路（008）的信号输出端与指示报警电路（006）的信号输入端相接，核心处理单元电路（008）的第一信号输出/输入端与交流采集电路（002）的信号输入/输出端对应相接，核心处理单元电路（008）的第二信号输出/输入端与备用通信通道电路（007）的信号输入/输出端对应相接，核心处理单元电路（008）的第三信号输出/输入端与数据存储电路（005）的信号输入/输出端对应相接，核心处理单元电路（008）的第四信号输出/输入端与Wi-Fi通信单元电路（009）的信号输入/输出端对应相接。

3.根据权利要求2所述的用于智能变压器的数据采集传感器系统，其特征在于：所述的核心处理单元电路（008）作为中央处理单元，通过SPI总线与交流采集电路（002）、数据存储电路（005）、Wi-Fi通信单元电路（009）进行数据通信，状态监测电路（001），交流采集电路（002）采集数据，传回核心处理单元电路（008），按可调的时间间隔生成历史数据存入数据存储电路（005），有异常时通过指示报警电路（006），对外指示告警，人体感应传感器电路（004）监测到有人接近后反馈给核心处理单元电路（008），核心处理单元电路（008）控制Wi-Fi通信单元电路（009）设置成AP热点，操作人员平板/手机应用的APP（010）连接上变压器，进行数据交互。

4.根据权利要求2所述的用于智能变压器的数据采集传感器系统，其特征在于：所述的交流采集电路（002）中电流采样采用高变比（630A/100mA）的电流互感器，电压取样电路采用电阻分压取样，用微型PT（2mA：2mA）隔离，使用计量芯片采集电压、电流二次侧信号，然后核心处理单元电路（008）中CPU通过SPI接口读取计量芯片相关处理后数据。

5.根据权利要求2所述的用于智能变压器的数据采集传感器系统，其特征在于：所述的状态监测电路（001）同时采样基准电压与热敏电阻分压电压，设计有电压跟随器电路，然后由核心处理单元电路（008）中CPU通过A/D接口采集对应电压值。

6.根据权利要求2所述的用于智能变压器的数据采集传感器系统，其特征在于：所述的核心处理单元电路（008）中CPU通过IIC接口采集人体感应传感器电路（004）中变化状态。

7.根据权利要求1所述的用于智能变压器的数据采集传感器系统，其特征在于：所述的的Wi-Fi通信单元电路（009）中Wi-Fi模块与智能手机或者平板电脑连接，从而实现一些重要数据的交换，而Wi-Fi模块与核心处理单元电路（008）中CPU通过SPI接口实现数据的交换。

8.根据权利要求2所述的用于智能变压器的数据采集传感器系统，其特征在于：所述的组件电源电路（003）使用线性电源变压器与DC-DC芯片稳压的组合方式，实现向核心处理单元电路（008）中CPU提供3.3V供电。

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