Diseño de subestación inteligente tipo caja de 10kV basada en plataforma IoT de Gizwits + STM32

El sistema de control remoto de subestación inteligente tipo caja de 10kV presentado en este artículo fue diseñado y desarrollado por Tian Hui de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Xi'an.

El sistema toma el diseño de un sistema inteligente de cambio de caja de 10kV para un apartamento de estudiantes en una universidad como fondo de ingeniería., y diseña un sistema inteligente de cambio de caja de 10kV basado en el Internet de las Cosas. El sistema consta de tres partes: capa de percepción, Capa de comunicación y capa de aplicación. La capa de percepción es responsable de la recopilación de datos del sensor y la transmisión al controlador de campo..

Incluyendo equipos de sistemas secundarios, como dispositivos de protección de microcomputadoras, Medidores de red inteligentes, y controladores inteligentes de compensación de potencia reactiva, así como equipos de detección ambiental como temperatura y humedad, humo, y sensores de inmersión en agua. El controlador in situ utiliza un microprocesador integrado STM32, incluyendo pantalla LCD, Módulo de alarma por voz, relé y módulo de comunicación GPRS, etc.; la capa de comunicación utiliza la comunicación inalámbrica GPRS, que es responsable de la transmisión de datos bidireccional entre el controlador in situ y la plataforma en la nube; La plataforma en la nube Gizwits desarrolla un sistema de monitorización remota y una aplicación móvil para transformadores tipo caja, que es responsable del almacenamiento, Análisis y procesamiento de datos de operación de transformadores tipo caja.

Este sistema finalmente realiza el monitoreo remoto del usuario de parámetros ambientales como temperatura y humedad variables., Alarma de humo y agua del pozo de cimentación, así como parámetros eléctricos como la corriente, voltaje, Frecuencia y factor de potencia, y el estado de funcionamiento del equipo a través de la computadora WEB o la aplicación móvil.

Cuando hay una anomalía o falla en el funcionamiento del transformador tipo caja, El sistema de monitoreo juzga automáticamente el nivel de falla, y envía una alarma a través de diferentes combinaciones de timbre en el sitio, APP para teléfonos móviles, SMS y teléfono, etc., y notifica al personal pertinente para eliminar problemas ocultos a tiempo y prevenir accidentes eléctricos. . Es adecuado para la supervisión remota y la gestión centralizada de transformadores de caja y salas de distribución de energía, y puede mejorar en gran medida el nivel de inteligencia y la seguridad y confiabilidad de la fuente de alimentación de los equipos de distribución de energía en las escuelas, Empresas y comunidades.

1. Introducción

Con la construcción y desarrollo de la economía social y la red de distribución, cada vez hay más transformadores de caja de 10kV. La subestación tradicional de 10kV tipo caja generalmente adopta el modo de operación de inspección regular desatendida y manual, que tiene un bajo grado de inteligencia y carece de sistemas de monitoreo remoto y alarma de fallas para el medio ambiente y el equipo.. Actualmente, con el rápido desarrollo de la tecnología de sensores inteligentes, Tecnología integrada, Tecnología de la comunicación y tecnología de computación en la nube y la reducción de costos, la subestación tipo caja inteligente de 10kV basada en el Internet de las Cosas se ha convertido en la mejor opción para la actualización y transformación de las subestaciones tradicionales tipo caja.

El sistema inteligente de monitoreo remoto de subestación tipo caja basado en Internet de las cosas puede monitorear remotamente el entorno de subestación tipo caja, Parámetros de funcionamiento y estado de los equipos en tiempo real. Como se muestra en la figura 1.

Los usuarios pueden monitorear de forma remota los parámetros ambientales, como la temperatura y la humedad de la caja., Alarma de humo, y acumulación de agua en pozos de cimentación, así como parámetros eléctricos como la corriente, voltaje, frecuencia, y factor de potencia, y el estado del equipo a través de computadoras o aplicaciones móviles en cualquier momento. Cuando la subestación de caja funciona de forma anormal o falla, el sistema de monitoreo notificará automáticamente al personal relevante a través de diferentes métodos de APP de teléfono móvil, SMS y teléfono según el nivel de fallo, para eliminar fallos ocultos a tiempo y prevenir accidentes eléctricos.

10Subestación tipo caja inteligente kV basada en Internet de las Cosas

El sistema de monitoreo remoto de la subestación tipo caja inteligente consiste en un "LAN de bus de campo" dentro de la subestación tipo caja y un "Red de área amplia de plataforma en la nube" fuera de la subestación tipo caja. Este modelo estructural se puede aplicar al desarrollo de sistemas de monitoreo remoto para equipos secundarios de suministro de agua sistemas de monitoreo remoto, Sistemas de gestión de carga eléctrica residencial, y sistemas de monitoreo remoto de ascensores para mejorar el nivel de inteligencia y gestión de los equipos tradicionales y promover la actualización de las industrias tradicionales. Tiene un buen valor de aplicación.

2. Diseño general del programa

El diseño de una subestación tipo caja inteligente basada en el Internet de las Cosas se basa en el diseño de una subestación tipo caja inteligente de 10kV en un apartamento de estudiantes universitarios. El diseño del sistema primario del transformador inteligente tipo caja de 10kV es el mismo que el del transformador de caja tradicional de 10kV, y tiende a ser maduro. Este artículo se centra en el diseño inteligente del transformador inteligente tipo caja de 10kV. La siguiente es una breve descripción del contenido de diseño del sistema primario del transformador tipo caja inteligente de 10kV.

2.1 Diseño del sistema primario de la subestación inteligente tipo caja de 10kV

La carga de potencia de No. 5 El edificio de apartamentos para estudiantes en una universidad es principalmente iluminación, Computadoras y cargas de aire acondicionado recién agregadas. Cada dormitorio se calcula como 8 gente, la carga de iluminación es de 100W, la carga de cada computadora del estudiante es de 200W, y cada percha de tipo dividido 1.5P está recién instalada con acondicionadores de aire La potencia es de 1.3kW, y la carga de un solo dormitorio es de 3.0kW. De acuerdo con la "Manual de diseño de suministro y distribución de energía industrial y civil", el coeficiente de demanda de carga de energía del dormitorio es 0.7, y el factor de potencia es 0.8.

Teniendo en cuenta el aumento de la carga eléctrica del apartamento de estudiantes en el futuro., El transformador necesita reservar un cierto margen, y se selecciona el transformador con una capacidad de 1000kVA. Considerando el costo de inversión inicial y el costo operativo del transformador, así como los requisitos de la política nacional de conservación de energía y reducción de emisiones, el transformador sumergido en aceite totalmente sellado de baja pérdida S13-M-1000/10-0.4 se selecciona para este propósito.

Sobre la base del cálculo estadístico de la carga, Cálculo de cortocircuitos, Verificación de estabilidad dinámica y verificación de estabilidad térmica, Se selecciona el equipo principal del sistema primario del transformador tipo caja. Los modelos específicos y los parámetros técnicos del equipo principal del sistema primario se muestran en la Tabla 3, Mesa 4, Mesa 5 y Tabla 6.

De acuerdo con los requisitos de diseño del No. 5 Subestación de la caja del proyecto del apartamento para estudiantes y el cálculo del diseño del sistema primario, el diagrama de cableado principal del sistema primario diseñado del No. 5 La subestación de la caja del apartamento de estudiantes se muestra en la figura 2.

Figura 2 : El diagrama de cableado principal del sistema primario de una subestación tipo caja en un apartamento de estudiantes en una universidad.

2.2 Esquema de diseño inteligente del transformador de caja de 10kV

Apuntando a los defectos de diseño y problemas existentes en la gestión de la operación de la subestación tradicional tipo caja de 10kV, La clave para resolver el problema radica en la construcción de un sistema de circuito cerrado para la detección., Monitorización remota y alarma del entorno y equipamiento inteligente de la subestación tipo caja, y el diseño tiene monitoreo remoto del entorno operativo y equipos eléctricos El sistema inteligente de transformador de caja con varias funciones puede recopilar y monitorear parámetros ambientales como el control de acceso del transformador de caja, temperatura ambiente y humedad, Alarma de humo, y agua en la zanja del cable, así como el voltaje, actual, Potencia activa, Potencia reactiva, Factor de potencia, Temperatura del cable, transformador transformador, etc..

Temperatura corporal y señal de alarma de gas y otros parámetros de funcionamiento del equipo, Extractor de control remoto, Dispositivo de protección de microcomputadora e interruptor de disyuntor.

El sistema adopta instrumentos inteligentes y sensores inteligentes con funciones de comunicación comúnmente utilizadas en sitios industriales, y transmite los datos recopilados al controlador de campo a través de la comunicación de bus de campo, y el controlador de campo transmite los datos al servidor o computadora host en la nube a través de un módulo de comunicación inalámbrico o cableado. Realizar funciones como la telemetría, Señalización remota y control remoto.

El sistema de monitorización remota del transformador de caja inteligente de 10kV basado en el Internet de las Cosas utiliza instrumentos y sensores inteligentes con función de comunicación bidireccional digital, y adopta uniformemente la interfaz de bus RS485 estándar y el protocolo de comunicación Modbus-RTU. El sistema de monitorización remota de transformador de caja inteligente basado en el Internet de las Cosas se compone de tres partes: La capa de percepción, La capa de comunicación y la capa de aplicación.
* capa de percepción: a través de varios medidores inteligentes y sensores inteligentes para recopilar diversos entornos, Parámetros de funcionamiento del equipo y estado de funcionamiento del equipo del transformador de caja, y transmitir los datos al controlador de campo a través del bus RS485. El controlador de campo tiene un sistema operativo incorporado y tiene recopilación de datos, Informática, Funciones de procesamiento y control.
* Capa de comunicación: Esta capa es la conexión y el enlace de transmisión e intercambio de datos., y es responsable de la transmisión bidireccional de datos entre la plataforma en la nube y el controlador in situ. De acuerdo con las condiciones reales de comunicación del transformador tipo caja, Varios métodos de comunicación, como el cable óptico cableado, Se puede seleccionar Ethernet o GPRS inalámbrico para transmitir datos a la plataforma en la nube.
*Capa de aplicación: Diseñar y desarrollar un sistema de monitorización remota para transformadores tipo caja en la plataforma cloud, Responsable del envío, Recepción y tratamiento de datos históricos, Monitoreo remoto de los parámetros de operación del transformador tipo caja, y registrar el almacenamiento y el análisis de los datos de operación de eventos. Y desarrollar WEB y APP móvil en la plataforma en la nube, el electricista de turno puede monitorear los datos de operación y el estado de funcionamiento del equipo del transformador de caja en cualquier momento a través de la computadora o la aplicación móvil.

3. Diseño de hardware del sistema

3.1 Red de área local del bus RS485 del sitio del transformador de caja

Con el desarrollo y progreso de la tecnología embebida y la reducción de costos, Muchos instrumentos de detección, Los sensores y actuadores tienen microprocesadores incorporados para las deficiencias y problemas de transmisión de información de los equipos de campo tradicionales tipo caja., que puede completar la conversión y linealización de ADDA y el filtrado digital. Se agrega una interfaz de datos de comunicación en serie dentro de estos dispositivos de campo digital, y la comunicación bidireccional en serie entre dispositivos de campo se puede realizar mediante el uso de un protocolo de comunicación estándar unificado.

Red de autobuses industriales utilizada principalmente en la actualidad.

Una de las claves para el diseño del sistema de monitorización remota para transformadores tipo caja inteligente es seleccionar instrumentos y sensores inteligentes con funciones de comunicación digital bidireccional, y adoptar interfaces de bus y protocolos de comunicación estándar y unificados. A partir de la práctica de ingeniería del diseño de transformación tipo caja inteligente de 10kV en el No. 5 Apartamento de estudiantes, se seleccionan el bus RS485 y el protocolo de comunicación Modbus-RTU generalmente compatibles con sensores inteligentes.

De acuerdo con el diagrama de cableado principal del sistema primario de un transformador de caja en un apartamento de estudiantes en una universidad y el diagrama de bloques del sistema de monitoreo remoto inteligente de transformador de caja de 10kV, El diseño del hardware del sistema toma el controlador de campo del transformador de caja como núcleo, y consiste en un dispositivo de protección integrado de microordenador, un medidor de red inteligente y una potencia reactiva inteligente Equipo del sistema secundario, como compensadores, y sensores de detección ambiental como Sensores de humo de temperatura y humedad, Los sensores de temperatura PT100 y los sensores de intrusión de agua forman la red de área local del bus RS485 del sitio de transformación de caja a caja. El diagrama del sistema de red de área local del bus RS485 del transformador de caja se muestra en la Figura 4.

Diagrama del sistema de red de área local del bus RS485 del sitio de transformación tipo caja

(1) Bus de comunicación serie RS485

El modo de comunicación del bus RS485 es el modo maestro-esclavo, y el dispositivo maestro sondea cada dispositivo esclavo para la comunicación, y se pueden establecer redes de uno a varios puntos para formar un sistema distribuido. La interfaz RS485 es una interfaz serial de baja velocidad ampliamente utilizada, y la interfaz RS485 tiene las siguientes características.
* Interfaz RS485.

La comunicación de la interfaz RS485 adopta el modo de transmisión diferencial, y tiene una combinación de controlador balanceado y receptor diferencial, y utiliza la diferencia de voltaje en ambos extremos del cable para transmitir señales, que mejora en gran medida la capacidad de resistir la interferencia de modo común y la interferencia anti-ruido.
* El bus RS485 tiene una alta tasa de transmisión y una larga distancia de transmisión. La distancia máxima de transmisión es de aproximadamente 1200 metros, y la tasa de transmisión máxima es de 10Mbps; su velocidad de transmisión es inversamente proporcional a la distancia de transmisión, y la distancia máxima de transmisión se puede alcanzar cuando la velocidad es inferior a 20 kbps.
* Admite múltiples nodos. En general, un lazo de bus RS485 teóricamente puede soportar 247 nodos de dispositivo.

(2) Protocolo de comunicación serie Modbus-RTU

El protocolo Modbus se aplica a la red de bus industrial. A través del protocolo, la comunicación de datos se puede llevar a cabo entre el controlador y el equipo de campo. Los equipos producidos por diferentes fabricantes pueden formar un sistema de monitoreo de red de bus industrial siguiendo un protocolo unificado. El protocolo tiene una estructura maestro-esclavo, un nodo maestro en la red, y los demás son nodos esclavos, y cada nodo esclavo tiene una dirección de dispositivo única.

En la red de bus serie, el nodo maestro inicia un comando, y todos los dispositivos esclavos recibirán el comando. El comando Modbus contiene la dirección del dispositivo esclavo que ejecuta el comando, y el dispositivo esclavo designado por el dispositivo maestro responde primero y luego ejecuta el comando. Hay sumas de verificación en los comandos Modbus para asegurarse de que los comandos que llegan no se hayan dañado.. Los comandos de Modbus pueden indicarle a la RTU que cambie su valor de registro, leer o controlar el puerto de E/S, y ordenar al dispositivo que devuelva uno o más datos de registro.

Modbus incluye ASCII, RTU y TCP tres tipos de mensajes. Modo de transmisión ASCII, Suma de comprobación LRC, baja eficiencia de transmisión, pero intuitivo, simple y fácil de depurar. Modo de transmisión RTU, utilizando la verificación CRC, alta eficiencia de transmisión, un poco más complicado que ASCII. Generalmente hablando, si la cantidad de datos a transmitir es pequeña, puede considerar usar el protocolo ASCII; si la cantidad de datos a transmitir es relativamente grande, lo mejor es usar el protocolo RTU. Por esta razón, los instrumentos y sensores inteligentes de este sistema adoptan el modo de comunicación Modbus-RTU de manera uniforme.

3.2 Diseño de hardware del controlador de campo del transformador de caja

El controlador de campo del transformador de caja está compuesto por un sistema integrado. El sistema embebido está centrado en la aplicación, el software y el hardware se pueden adaptar, y realiza automatización de equipos, inteligencia, y funciones de monitoreo remoto. Se compone principalmente de microprocesadores integrados., hardware relacionado, sistemas operativos embebidos, y sistemas de software de aplicación.

(1) Sistema mínimo de microprocesador STM32

El sistema mínimo de microprocesador integrado incluye microprocesador integrado, circuito de reinicio y circuito de depuración. El circuito de reloj proporciona la señal de reloj externa requerida, el circuito de reinicio proporciona un estado inicial unificado, y el circuito de depuración proporciona una interfaz para descargar y depurar programas.
* Opción de microprocesador incorporado. De acuerdo con los requisitos del sistema de monitoreo remoto del transformador de caja inteligente de 10kV para el rendimiento del controlador en el sitio, este sistema elige el chip STM32F103ZET6 como el microprocesador central del controlador en el sitio. Microprocesador integrado STM32F103ZET6, MCU tiene alta integración, bajo consumo de energía, y rendimiento de alto costo. Es adecuado para diversos requisitos de aplicación en el campo de la medicina industrial., y puede cumplir con los requisitos de adquisición de datos y procesamiento en tiempo real de este sistema.
* circuito oscilador de cristal. El circuito del oscilador de cristal proporciona un pulso de frecuencia fija al microprocesador para que el microprocesador funcione normalmente.. El microprocesador STM32 tiene dos osciladores de cristal, el oscilador de cristal de 8 MHz proporciona un reloj externo de alta velocidad, y el oscilador de cristal de 32,768 KHz proporciona un reloj externo de baja velocidad.

* Restablecer circuito. La función del circuito de reinicio del microprocesador es reiniciar el sistema. Cuando el sistema falla, presione el botón de reinicio para reiniciar el dispositivo. Generalmente, el circuito de reinicio usa una señal de bajo nivel para reiniciar.

(2) Diseño de circuito de potencia

El sistema selecciona una fuente de alimentación externa de CC con un voltaje nominal de 12V (2A), y selecciona un DC 5V (2A) adaptador de corriente con una interfaz USB para suministrar energía al controlador de campo. La fuente de alimentación de 12 V CC está conectada a la placa de control, y la fuente de alimentación de 12 V CC se reduce para obtener una fuente de alimentación de 5 V CC a través del módulo reductor LM2596S. Luego, el voltaje de 5V se pasa a través del chip regulador AMS1117-3.3V para obtener un voltaje de 3.3V para suministrar energía al chip STM32.. El diagrama de circuito del regulador de fuente de alimentación LM2596S y AMS1117-3.3V se muestra en la Figura 8.

(3) Interfaz RS485 a módulo TTL

La interfaz RS485 al módulo TTL realiza la conversión y comunicación bidireccional de la señal RS485 y la señal TTL, pero la señal debe ejecutarse alternativamente, y no se puede llevar a cabo en dos direcciones al mismo tiempo. Todos los dispositivos de campo usan este módulo para conectarse con el microcontrolador, y el diagrama de cableado se muestra en la figura 9.

Diagrama de cableado de TFT-LCD y MCU STM32 - Figura 9

(4) Módulo de pantalla LCD

Dado que el controlador en el sitio del sistema de monitoreo remoto tipo caja necesita mostrar muchos números y caracteres, se selecciona una pantalla de cristal líquido TFT-LCD de 2,8 pulgadas como módulo de visualización, y hay un controlador ILI9341 dentro. Considere que STM32 puede comunicarse con ILI9341 a través de la interfaz SPI, 8080 interfaz o interfaz RGB. Para lograr una frecuencia de actualización más rápida, Usos de TFT-LCD 8080 interfaz de bus de datos paralelo. STM32 envía datos a la memoria del controlador ILI9341 a través del módulo FSMC de memoria estática variable.

(5) Módulo de alarma por voz

Cuando el microprocesador STM32 detecta que hay una anomalía o falla en los datos de operación de la caja del transformador, enviará un mensaje al puerto serie e iniciará una alarma de voz. El módulo de alarma por voz selecciona el chip de voz de uso común SYN6288, y transmite automáticamente información de alarma de voz de acuerdo con el programa programado. El sistema utiliza el código GB2312, que es adecuado para el intercambio de información en el procesamiento de caracteres chinos y la comunicación de caracteres chinos. El SYN6288 también reconoce números con precisión, horas y fechas, y unidades de medida de uso común.

(6) Módulo de relé

El controlador de campo selecciona un grupo de módulos de relé de aislamiento de optoacoplador de 2 vías para controlar la apertura y el cierre de la campana de alarma y el ventilador de 12 V CC., y el relé de estado sólido de 220 V CA se puede seleccionar de acuerdo con el tipo de fuente de alimentación y la potencia del ventilador de escape tipo caja. Cada módulo de circuito de relé tiene contactos normalmente abiertos y normalmente cerrados, así como indicación de estado LED; cada circuito de relé está aislado por optoacopladores, y está equipado con un diodo de rueda libre para liberar el voltaje inducido del relé y proteger el circuito anterior. Cuando la temperatura ambiente del transformador de caja excede un cierto rango, el controlador en el sitio emite un alto nivel, y un relé de aislamiento de optoacoplador actúa para encender el ventilador para que se enfríe; cuando se producen fallos graves como una concentración excesiva de humo, el controlador acciona otro relé de aislamiento de optoacoplador para conectarlo El lazo de la campana de alarma envía una alarma en el sitio. Para el diagrama de principio de funcionamiento del relé y el diagrama de conexión entre el módulo de relé y el chip STM32, póngase en contacto con el fabricante y envíe la solicitud.

(7) Módulo de comunicación

De acuerdo con los requisitos de diseño del sistema de monitoreo remoto del transformador de caja inteligente de 10kV, la comunicación entre el transformador de caja inteligente y la nube elige el método de comunicación inalámbrica GPRS con bajo costo de tráfico. Gizwits firmware módulo GPRS.
*Gizwits firmware módulo GPRS (Firmware G510_GAgent). Este módulo es un programa de aplicación que se ejecuta en varios módulos de comunicación., proporcionar funciones como la transmisión bidireccional de datos de dispositivos de productos y de la nube, configuración de dispositivos en la red, descubrimiento y enlace, y actualizaciones del programa. El diagrama de circuito entre el módulo GPRS y el controlador principal se puede obtener poniéndose en contacto con el fabricante..

*Módulo GPRS-GA6. Este módulo puede realizar la transmisión de voz., mensajes cortos y datos con bajo consumo de energía. Es adecuado para varios requisitos de diseño en aplicaciones M2M, especialmente para el diseño de productos compactos. En segundo lugar, el protocolo de comunicación adopta la transmisión de bus de puerto serie UART, utiliza comandos AT estándar para controlar el módulo, y selecciona la tasa de baudios de 115200bps. Contacta el fabricante de internet de las cosas para el diagrama de circuito de conexión del módulo GPRS-GA6 y el microcontrolador STM32.

3.3 Dispositivo de protección integral de microordenador

De acuerdo con la especificación de diseño de protección del transformador de potencia (GB/T 50062-2008), 10Los transformadores de kV generalmente necesitan instalar protección contra sobrecorriente con límite de tiempo. El dispositivo de protección del microordenador tiene la protección, funciones de medida y control de transformadores y líneas, así como las funciones de adquisición de datos, monitoreo y autoinspección del sistema, y tiene alta sensibilidad y confiabilidad.

Según los requisitos de diseño del cambio de caja inteligente de 10kV en el apartamento de estudiantes, Se selecciona el dispositivo de protección integral de microordenador de tipo actual Ankerui AM3-I con función de comunicación RS485, con AI, BI, CI, AU, UB, CU, PAG, q, Fr y otra medición de parámetros eléctricos, 8-Adquisición de señal de interruptor externo de canal, y disyuntor control remoto de operaciones de apertura y cierre y otras funciones. El diagrama de terminales de cableado del dispositivo de protección de microcomputadora AM3-I es el siguiente:

Diagrama de terminales de cableado del dispositivo de protección de microcomputadora AM3-I

3.4. Medidor de red inteligente

Los contadores de redes inteligentes se utilizan para detectar parámetros eléctricos como la corriente trifásica, voltaje y potencia de los circuitos de distribución de energía de bajo voltaje, así como el estado de apertura y cierre de seccionadores e interruptores automáticos. De acuerdo con los requisitos de diseño del sistema secundario del transformador de caja inteligente de 10kV, Se selecciona el medidor de red inteligente Ankerui ACR con función de comunicación RS485, y se selecciona el diagrama de cableado del medidor de red inteligente ACR y el transformador de corriente de bajo voltaje y el diagrama de cableado de la entrada y salida del interruptor.

Transformador de corriente de bajo voltaje del medidor de red inteligente ACR y diagrama de cableado de entrada y salida digital

El medidor de red inteligente ACR adopta el protocolo Modbus-RTU, que puede medir y recopilar parámetros de potencia. La función de entrada del interruptor puede detectar el estado de conmutación del interruptor de aislamiento y el disyuntor, y la función de salida de relé puede encender y apagar el disyuntor de forma remota. El medidor de red inteligente ACR tiene un plan unificado para la tabla de direcciones de comunicación, que puede realizar las tres funciones remotas de telemetría, Señalización remota y control remoto.

(1) Conversión AD y cálculo de señal analógica AC

El 3 señales de tensión de fase y 3 señales actuales (señales de salida del transformador de corriente) recopilados directamente por el medidor de red inteligente ACR son todas cantidades analógicas, que deben convertirse en señales digitales que puedan ser reconocidas por la CPU para el procesamiento de datos. Primero, el 3 tensiones de fase de 220V y 3 los análogos actuales se transforman en señales de bajo voltaje a través del convertidor, y se convierte en el voltaje permitido por el convertidor AD a través de un bucle de formación de voltaje; , convertido en una señal digital por AD y entrada a la CPU. El diagrama esquemático del proceso de muestreo y conversión AD de la cantidad analógica de CA se puede obtener poniéndose en contacto con el fabricante..

* Conversión de voltaje analógico y filtrado de paso bajo. La función del circuito formador de voltaje es aislar eléctricamente y transformar la electricidad. Generalmente, el convertidor AD requiere que la señal de entrada sea de ±5V y ±10V, por lo que se puede determinar la relación de transformación del convertidor de voltaje. Los filtros de paso bajo se dividen en filtros pasivos y filtros activos. Los filtros activos están compuestos por condensadores., resistencias y amplificadores operacionales integrados, que amplifican la señal mientras filtran. Los filtros pasivos solo tienen funciones de filtrado pero no funciones de amplificación de señal..
* Muestreo de señal analógica. El proceso de muestreo debe seguir el teorema de muestreo de Shannon, eso es, la frecuencia de muestreo no debe ser inferior a 2 veces la frecuencia más alta de la señal de entrada. El proceso de muestreo es muy rápido.. El muestreo del convertidor AD actual ha alcanzado el nivel de nanosegundos, mientras que el período de muestreo del dispositivo automático del sistema de energía está en el nivel de milisegundos, para que las señales de voltaje y corriente de los seis bucles puedan compartir un convertidor AD, pero el circuito de muestreo debe estar equipado con un dispositivo de muestreo y retención y un interruptor multiplexor.
* conversión de anuncio. Los convertidores AD incluyen aproximación sucesiva, integral, contando, comparación paralela, y convertidores de frecuencia de voltaje VFC. El convertidor AD de aproximación sucesiva es un representante tanto de la velocidad como de la precisión en el ADC., y tiene una resolución de conversión más alta a una tasa de conversión más alta.

(2) Algoritmo de integración de valor absoluto de medio ciclo de cantidad eléctrica sinusoidal

La clave del algoritmo de software es mejorar la precisión y la velocidad de la operación del algoritmo.. La clave del algoritmo de muestreo de CA del medidor inteligente es resolver cómo calcular la amplitud o el valor efectivo de la señal de muestreo sinusoidal de acuerdo con el valor instantáneo de la señal sinusoidal.. El algoritmo más comúnmente utilizado para cantidades sinusoidales es el algoritmo de integración de valor absoluto de medio ciclo.. El principio del algoritmo de integración de valor absoluto de medio ciclo es que la integral del valor absoluto de la cantidad del seno en cualquier medio ciclo es una constante S, y la constante de valor integral S no tiene nada que ver con el ángulo de inicio integral . El algoritmo de integración de valor absoluto de medio ciclo basado en el modelo de función seno se muestra en la Figura 19.

Algoritmo de integración de valor absoluto de medio ciclo basado en el modelo de función seno

La expresión para calcular el valor efectivo de la corriente utilizando el algoritmo integral de valor absoluto de medio ciclo se muestra en la siguiente figura:

en la fórmula, S representa la integral del valor absoluto dentro de medio ciclo; I representa el valor efectivo de la corriente; i representa el valor instantáneo de la corriente; w representa la velocidad angular; T representa el ciclo de alimentación de CA; f representa la frecuencia de alimentación de CA; N representa el número de muestras en un ciclo ; Ts representa el período de muestreo.

3.5 Sensor de humo de temperatura y humedad RS485

Teniendo en cuenta que la línea de alimentación en el transformador tipo caja puede tener fugas, sobrecarga, cortocircuito y resistencia de contacto excesiva, que puede provocar incendios, y la falla del transformador sumergido en aceite combustible puede causar incendios. Por lo tanto, es necesario instalar un sensor de humo en el transformador tipo caja para la detección de incendios del transformador tipo caja. Con el fin de detectar posibles fallas a tiempo. Con el fin de garantizar la precisión de la medición y reducir el costo al mismo tiempo, la temperatura RS485, El sensor tres en uno de humedad y humo se utiliza para detectar la temperatura., Humedad y concentración de humo en la caja del transformador.. El sensor de temperatura y humedad utiliza la sonda SHT30. Interferencia de impulsos y sobretensiones in situ. el sensor tiene 4 alambres: rojo, negro, amarillo, y verde. Para el método de cableado específico del sensor de humo de temperatura y humedad, póngase en contacto con el fabricante de IoT.

Los medidores y sensores inteligentes diseñados en este sistema adoptan el protocolo Modbus-RTU, que puede comunicarse de manera confiable dentro del rango completo de velocidad en baudios de 1200-115200. La velocidad en baudios de los medidores y sensores inteligentes se establece uniformemente en 9600 bps. El formato de transmisión de datos y el formato de conversión de datos del sensor son los siguientes:
Formato de cuadro de consulta de datos del sensor. El sensor sigue el protocolo Modbus-RTU estándar, y la lectura del sensor se almacena en el registro de retención, y el código de la función es 04. La computadora superior lee el formato del cuadro de consulta de datos del sensor, y el formato de marco de consulta de datos del sensor de la computadora inferior.

3.6 Transmisor de temperatura PT100 - principio de funcionamiento de RTD PT100 - principio de funcionamiento del sensor de temperatura

El transmisor de temperatura PT100 se utiliza para detectar la temperatura del cuerpo del transformador, temperatura del cable de alta y baja tensión, es adecuado para varios sitios industriales. El transformador producirá pérdidas durante la operación, principalmente pérdida de hierro y pérdida de cobre, también conocido como pérdida de núcleo y pérdida de carga. La pérdida de cobre varía con la corriente de carga y es proporcional al cuadrado de la corriente de carga. La fórmula de cálculo de pérdida del transformador es la siguiente:

en la fórmula, P0 representa la potencia activa del transformador en funcionamiento sin carga a la tensión nominal; I1 e I2 representan la corriente de línea de alto voltaje y la corriente de línea lateral de bajo voltaje; R1 y R2 representan la resistencia del lado de alto voltaje y la resistencia del lado de bajo voltaje.

El transmisor de temperatura PT100 está integrado con interfaz de bus RS485, y cada transmisor de temperatura se puede conectar a 4 Sensores de temperatura PT100.

3.7 Principio de funcionamiento del transmisor de inmersión en agua

Por bajo nivel de agua del foso de cimentación de la subestación cajón, a menudo hay acumulación de agua en la zanja del cable y el pozo de cimentación después de las fuertes lluvias, y existe un riesgo potencial de seguridad de fuga de cable, por lo que se requiere inspección y drenaje irregulares. en este diseño, el sensor de inmersión en agua se utiliza para detectar la acumulación de agua en el foso de cimentación de la subestructura de la caja. El sensor de inmersión en agua aplica el principio de conducción líquida, y utiliza electrodos para detectar si hay agua. Seleccione un detector de inmersión en agua de tipo contacto con función de comunicación RS485. El principio de funcionamiento del detector de inmersión en agua se muestra en la Figura 23.

4. diseño de software del sistema

El diseño del software del sistema incluye dos partes: the field bus LAN software design of the box-type transformer and the remote monitoring system design of the box-type transformer based on the Gizwits cloud platform. El dispositivo de protección integrado del microordenador, El medidor de red inteligente y el sensor inteligente en la red de área local del bus de campo del transformador de caja tienen software de aplicación incorporado, por lo tanto, solo se requiere el diseño del programa de software del controlador de campo del transformador de caja.

4.1 Diseño de software de controlador de campo para transformador tipo caja

El controlador de campo del transformador de caja es un sistema integrado, y su sistema de software se compone de programa de aplicación, API, sistema operativo integrado y BSP (paquete de soporte de placa). Según las características de muchos parámetros., muchas tareas y altos requisitos en tiempo real recopilados por el controlador de campo del transformador tipo caja inteligente de 10 kV, el sistema operativo en tiempo real integrado μC/OS-Ⅲ, que es ampliamente utilizado en el desarrollo de productos comerciales y la enseñanza de la investigación, es seleccionado. μC/OS-Ⅲ considera las tareas como la unidad más pequeña, y cualquier tarea no necesita preocuparse por el método específico de gestión de recursos, que está determinado por el sistema operativo.

4.2 Diseño de programa de software de controlador de campo de transformador tipo caja

Todo el diseño del sistema de software se basa en el sistema distribuido compuesto por instrumentos inteligentes, sensores, controladores de campo y plataformas en la nube, y se lleva a cabo el diseño y desarrollo de software de aplicación. Transmisión e intercambio de datos, el controlador in situ y el servidor en la nube Gizwits utilizan el protocolo de comunicación Gizwits en el firmware GPRS para la transmisión y el intercambio de datos. El diagrama de flujo del programa principal del software de aplicación del controlador de campo del transformador tipo caja.

*Programa principal de software. Primero, inicializar todas las partes del sistema, como GPIO, Puerto serial, reloj, gestión de la memoria, etc., y crear tareas en μC/OS-Ⅲ. STM32 realiza la adquisición y el procesamiento de datos del sensor, y envía la información correcta a la pantalla LCD. Al mismo tiempo, el STM32 envía comandos AT al módulo GPRS-G510, intercambia datos, se conecta a la plataforma en la nube Gizwits a través del protocolo LwM2M, y juzga si el módulo de comunicación GPRS está correctamente conectado al servidor en la nube de Gizwits. Si la conexión es exitosa, se realiza la transmisión de datos. Luego juzgue si los datos procesados son mayores que el umbral establecido.
Si es una falla menor de la subestación de caja, enviar la información de datos a la aplicación móvil a través de la plataforma en la nube; si es un fallo general, enviar la información de alarma de datos a la aplicación móvil a través de la plataforma en la nube, e inicie el módulo de comunicación GPRS-GA6 para enviar la información de alarma a través del teléfono móvil SMS; si si es una falta grave, la información de la alarma de datos se enviará a la aplicación del teléfono móvil a través de la plataforma en la nube, y el módulo de comunicación GPRS-GA6 se activará para enviar la información de alarma a través del mensaje de texto del teléfono móvil y llamar al personal relevante preestablecido.