基于STM32的铁芯接地电流无线在线监测装置设计

    方浩

    摘 要：变压器正常运行时，铁芯必须有一点可靠接地，如多点接地变压器铁芯和大地构成了回路将严重威胁变压器的安全运行。为了实时监测铁芯工况，同时减轻装置安装的工作量，提出了一种变压器铁芯无线在线监测的方案。采用STM32作为MCU，协同无线通信模块对采集量进行无线传输至子IED。

    关键词：变压器；铁芯；接地电流；无线通信；在线监测

    变压器正常运行时，铁芯必须有一点可靠接地，如多点接地变压器铁芯和大地构成了回路将严重威胁变压器的安全运行。统计资料表明，电力系统故障中，变压器故障仍占较大比例，而变压器铁芯多点接地故障在变压器总事故中占第三位，因此对变压器铁芯接地电流的实时在线监测显得尤为重要。在线监测技术手段不仅能及时发现多点接地故障，还可以通过长期的数据积累实现趋势分析，预防事故扩大[1-2]。

    目前变压器铁芯接地电流在线监测装置通常采用有线数据传输，这种方式在220kV及以下变电站中应用较多。但在220kV以上变电站中，由于主变多为单相变压器，变压器及电抗器数量多，采用有线数据传输会增加电缆敷设量，加大改造难度。因此，采用无线通信的形式，把监测数据就地数字化后上传至IED，将彻底摆脱电缆的束缚，提高系统的灵活性，减少带电检测或有线数据传输带来的误差。

    1 系统结构

    变压器铁芯接地电流无线在线监测系统分为监测单元及IED两个部分，系统采用星形拓扑结构，如图1所示，这种网络结构扩展性极强，单个监测单元的故障不会引起整个系统瘫痪，提高了系统的可靠性。这种结构可以根据需要配置监测单元数量而无需任何电缆敷设工作，同时，在增加或删减监测单元的时候只需要重新配置IED即可。其中监测单元部署于变压器本体上，负责采集铁芯接地电流，就地数字化传输至IED。IED可就地布置也可以布置于变电站主控室内，通过网线以I2协议将监测数据上传至站端CAC（状态接入控制器）。

    2 硬件方案

    变压器铁芯接地电流监测单元与变压器铁芯接地引下线无电气连接，监测单元通过电流互感器将采集接地电流，如图2所示。通常情况下220kV及以下变压器的铁芯接地电流在10mA左右，随着电压等级上升或负载变大，铁芯接地电流也将上升，正常情况下±800kV换流变的铁芯接地电流在20mA～60mA之间。

    监测单元由STM32F103RB芯片作为MCU，外围包括无线通信模块、接地电流采集模块、3.6V电池，如图3所示。

    监测单元直接布置于变电站现场，大多数情况下是直接固定于变压器本体上，所处的环境电磁干扰大，因此需要采用高灵敏度、低温漂、高共模抑制比的硬件电路减少干扰，同时也不会不影响信号失真。监测单元的外壳需要达到IP55的防水防尘等级，应对户外恶劣的自然环境。

    2.1 微处理器MCU

    由于整个装置采用电池供电，为了减少功耗，本设计方案选取STM32F103RB作为装置的MCU，该芯片作为一款低功耗处理器，本身自带了16通道12位的A/D转换器，兼顾了高性能及低功耗。该芯片在睡眠模式下消耗的电流仅为14μA，可以通过外部中断INT对MCU进行唤醒。

    2.2 通信模块

    鉴于监测单元需要经常处于睡眠模式，睡眠状态下要求的消耗电流需小于1μA，因此本装置的无线通信芯片采用ChipCon公司的CC1100芯片，该芯片可以通过接收适当的电磁信号将自身从休眠状态唤醒，进而通过外触发的方式将MCU从休眠状态唤醒。该芯片在睡眠状态下消耗电流仅为900nA，低消耗电流可以充分延长电池供电时间及寿命。无线通信模块与MCU的通信接口如图4所示。

    CC1100的电磁波唤醒功能能够保证在没有MCU的干预情况下，有效的电磁波到来时CC1100能从休眠状态唤醒并进入接收状态，并通过GD引脚产生脉冲信号触发MCU的外部中断，MCU在外部中断触发后立刻唤醒并读取CC1100接收到的指令信息，并执行相关程序。

    2.3 接地电流采集电路

    采集电路包含滤波、放大及限流三个回路，可以通过MCU自带的A/D转换模块进行模数转换，进而得到接地电流值。根据通常变压器铁芯的接地电流值及国家电网公司制定的状态监测标准，变压器铁芯接地电流采集范围为1mA～10A，精度为±1%。

    3 软件方案

    为了最大程度发挥硬件电路的功能，实现超低功耗要求的同时，又能实现性能的最优，本系统对软件部分进行了精心设计。软件流程如图5所示。

    系统在绝大多数的时间下都处于休眠状态，仅在收到唤醒命令时，才会从休眠状态唤醒。经过短时的运行状态，完成接地电流采集并发送完成后再次进入休眠状态。

    4 结语

    文章设计的变压器铁芯接地电流在线监测装置可对同一变电站中的多台变压器铁芯接地电流进行实时监测。装置采用了短距离无线通信技术，并用大容量电池供电，超低功耗的设计使装置工作年限大大延长。装置结构简单、抗干扰能力强，装置与被监测对象及电源无任何电气连接，提高了变电站运行的安全性。

    [参考文献]

    [1]邬小波，彭珣，郭绍伟，等.变压器铁芯接地电流检测装置应用研究[J].华北电力技术，2013（8）：9-15.

    [2]孙松，杨阳，姜华.变压器铁芯接地故障的诊断与处理[J].湖南电力，2008（5）：32-33.