Dizajn 10kV inteligentne trafostanice tipa kutije temeljene na Gizwits IoT platformi + STM32

Inteligentni sustav daljinskog upravljanja tipa 10kV tipa kutije predstavljen u ovom članku dizajnirao je i razvio Tian Hui sa Sveučilišta znanosti i tehnologije Xi'an.

Sustav uzima dizajn inteligentnog sustava za promjenu kutija od 10 kV za studentski stan na fakultetu kao inženjersku pozadinu, i dizajnira inteligentni sustav za mijenjanje kutija od 10 kV koji se temelji na Internet stvari. Sustav se sastoji od tri dijela: sloj percepcije, komunikacijski sloj i aplikacijski sloj. Percepcijski sloj odgovoran je za prikupljanje i prijenos podataka senzora na kontroler polja.

Uključujući sekundarnu sistemsku opremu kao što su uređaji za zaštitu mikroračunala, inteligentna mrežna brojila, i inteligentni regulatori kompenzacije jalove snage, kao i opremu za otkrivanje okoliša kao što su temperatura i vlažnost, dim, i senzori za uranjanje vode. Kontroler na licu mjesta koristi ugrađeni mikroprocesor STM32, uključujući LCD zaslon, modul glasovnog alarma, relejni i GPRS komunikacijski modul, itd.; komunikacijski sloj koristi GPRS bežičnu komunikaciju, koji je odgovoran za dvosmjerni prijenos podataka između kontrolora na licu mjesta i platforme u oblaku; Gizwits cloud platforma razvija sustav daljinskog nadzora i mobilnu aplikaciju za transformatore tipa kutije, koji je odgovoran za skladištenje, analiza i obrada podataka o radu transformatora tipa kutije.

This system finally realizes the user's remote monitoring of environmental parameters such as variable temperature and humidity, Alarm za dim i temeljna jama vode, kao i električni parametri kao što je struja, voltaža, frekvencija i faktor snage, i radni status opreme putem računala WEB ili MOBILE APP.

Kada postoji abnormalnost ili greška u radu transformatora tipa kutije, sustav nadzora automatski procjenjuje razinu kvara, i šalje alarm kroz različite kombinacije zvona na licu mjesta, aplikacija za mobilni telefon, SMS i telefon, itd., i obavještava relevantno osoblje da na vrijeme ukloni skrivene probleme i spriječi električne nesreće. . Pogodan je za daljinski nadzor i centralizirano upravljanje box transformatorima i prostorijama za distribuciju električne energije, i može uvelike poboljšati razinu inteligencije i napajanja, sigurnost i pouzdanost opreme za distribuciju električne energije u školama, Poduzeća i zajednice.

1. Uvod

Izgradnjom i razvojem socijalne ekonomije i distribucijske mreže, sve je više i više 10kV box transformatora. Tradicionalna trafostanica tipa kutije od 10 kV općenito prihvaća način rada nenadziranog i ručnog redovitog pregleda, koji ima nizak stupanj inteligencije i nema sustave daljinskog nadzora i alarma kvara za okoliš i opremu. Trenutno, brzim razvojem tehnologije pametnih senzora, ugrađena tehnologija, komunikacijska tehnologija i tehnologija računalstva u oblaku te smanjenje troškova, 10kV trafostanica tipa pametne kutije temeljena na Internetu stvari postala je najbolji izbor za nadogradnju i transformaciju tradicionalnih podstanica tipa kutije.

Inteligentni sustav daljinskog nadzora trafostanice tipa kutije temeljen na Internetu stvari može daljinski nadzirati okruženje trafostanice tipa kutije, radni parametri i status opreme u stvarnom vremenu. Kao što je prikazano na slici 1.

Korisnici mogu daljinski nadzirati parametre okoliša kao što su temperatura i vlažnost kutije, dimni alarm, i nakupljanje vode u temeljnim jamama, kao i električni parametri kao što je struja, voltaža, frekvencija, i faktor snage, i status opreme putem računala ili mobilnih APP-ova u bilo kojem trenutku. Kada trafostanica kutije radi abnormalno ili ne uspije, sustav praćenja automatski će obavijestiti relevantno osoblje različitim metodama APP-a za mobilne telefone, SMS i telefon prema razini kvara, kako bi se na vrijeme uklonili skriveni kvarovi i spriječile električne nesreće.

10kV podstanica tipa pametne kutije temeljena na internetu stvari

Sustav daljinskog nadzora trafostanice tipa pametne kutije sastoji se od "fieldbus LAN" unutar trafostanice tipa kutije i "Mreža širokog područja platforme u oblaku" izvan trafostanice tipa Kutija. Ovaj strukturni model može se primijeniti na razvoj sustava daljinskog nadzora za sekundarnu vodoopskrbnu opremu, sustave daljinskog nadzora, stambeni sustavi upravljanja naplatom električne energije, i sustave daljinskog nadzora dizala kako bi se poboljšala razina inteligencije i upravljanja tradicionalnom opremom i promicala nadogradnja tradicionalnih industrija. Ima dobru vrijednost primjene.

2. Cjelokupni dizajn programa

Dizajn pametne trafostanice tipa kutije na temelju Interneta stvari temelji se na dizajnu 10kV pametne trafostanice tipa kutije u studentskom stanu. Primarni dizajn sustava 10kV inteligentnog transformatora tipa kutije isti je kao i kod tradicionalnog 10kV box-type transformatora, I ima tendenciju da bude zrelo. Ovaj se članak usredotočuje na inteligentni dizajn 10kV pametnog box-type transformatora. Slijedi kratak pregled dizajnerskog sadržaja primarnog sustava 10kV pametnog box-type transformatora.

2.1 Primarni dizajn sustava 10kV inteligentne trafostanice tipa kutije

Opterećenje snage br. 5 Studentska stambena zgrada na sveučilištu uglavnom je rasvjeta, računala i novododani klima uređaji. Svaka spavaonica izračunava se kao 8 narod, opterećenje rasvjete je 100W, svako opterećenje studentskog računala je 200W, i svaka vješalica splitskog tipa 1.5P novo je instalirana s klima uređajima Snaga je 1.3kW, a opterećenje jedne spavaonice je 3,0kW. Prema "Priručnik za projektiranje industrijskog i civilnog napajanja i distribucije", the dormitory's power load demand coefficient is 0.7, A faktor snage je 0.8.

S obzirom na povećanje opterećenja električnom energijom studentskog stana u budućnosti, Transformator mora rezervirati određenu maržu, i odabran je transformator kapaciteta 1000kVA. Uzimajući u obzir početne troškove ulaganja i operativne troškove transformatora, kao i zahtjeve nacionalne politike očuvanja energije i smanjenja emisija, u tu svrhu odabran je potpuno zatvoreni uljni transformator S13-M-1000/10-0.4 s malim gubicima.

Na temelju statističkog izračuna opterećenja, izračun kratkog spoja, dinamička provjera stabilnosti i provjera toplinske stabilnosti, odabrana je glavna oprema primarnog sustava transformatora tipa kutije. Specifični modeli i tehnički parametri glavne opreme primarnog sustava prikazani su u tablici 3, Stol 4, Stol 5 i Tablica 6.

Prema projektnim zahtjevima BR-a. 5 trafostanica studentskog stana i izračun dizajna primarnog sustava, glavni dijagram ožičenja dizajniranog primarnog sustava br.. 5 trafostanica studentskog stana prikazana je na slici 2.

Brojka 2 : Glavni dijagram ožičenja primarnog sustava trafostanice tipa kutije u studentskom stanu na sveučilištu

2.2 Inteligentna shema dizajna transformatora kutije od 10 kV

Ciljanje na nedostatke u dizajnu i probleme koji postoje u upravljanju radom tradicionalne trafostanice tipa kutije od 10 kV, Ključ za rješavanje problema leži u izgradnji sustava zatvorene petlje za otkrivanje, daljinski nadzor i alarm inteligentnog okruženja i opreme trafostanice tipa kutija, a dizajn ima daljinski nadzor radnog okruženja i električne opreme Inteligentni sustav transformatora kutija s različitim funkcijama može prikupljati i nadzirati parametre okoliša kao što je kontrola pristupa transformatora kutija, temperaturu i vlažnost okoline, dimni alarm, i voda u kabelskom rovu, kao i napon, sadašnji, aktivna snaga, jalova snaga, faktor snage, temperatura kabela, transformator transformator, itd.

Tjelesna temperatura i plinski alarmni signal i ostali radni parametri opreme, Ventilator ispušnih plinova daljinskog upravljača, Uređaj za zaštitu mikroračunala i prekidač prekidača prekidača.

Sustav prihvaća pametne instrumente i pametne senzore s komunikacijskim funkcijama koje se obično koriste u industrijskim lokacijama, i prenosi prikupljene podatke kontroloru polja putem komunikacije terenskom sabirnicom, a kontroler polja prenosi podatke na poslužitelj ili glavno računalo u oblaku putem bežičnog ili ožičenog komunikacijskog modula. Ostvarite funkcije kao što je telemetrija, daljinska signalizacija i daljinsko upravljanje.

Sustav daljinskog nadzora inteligentnog transformatora kutija od 10 kV temeljen na Internetu stvari koristi inteligentne instrumente i senzore s digitalnom dvosmjernom komunikacijskom funkcijom, i ujednačeno prihvaća standardno RS485 sučelje sabirnice i Modbus-RTU komunikacijski protokol. Sustav daljinskog nadzora inteligentnog transformatora kutija temeljen na Internetu stvari sastoji se od tri dijela: Percepcijski sloj, komunikacijski sloj i aplikacijski sloj.
* Sloj percepcije: kroz različita pametna brojila i pametne senzore za prikupljanje različitih okruženja, radni parametri opreme i radni status opreme transformatora kutije, i prenijeti podatke kontroloru polja putem RS485 sabirnice. Kontroler polja ima ugrađeni operacijski sustav i prikupljanje podataka, Računarstvo, funkcije obrade i upravljanja.
* Komunikacijski sloj: Ovaj sloj je veza i veza prijenosa i razmjene podataka, i odgovoran je za dvosmjerni prijenos podataka između platforme u oblaku i kontrolora na licu mjesta. Prema stvarnim komunikacijskim uvjetima transformatora tipa kutije, različite metode komunikacije kao što je ožičeni optički kabel, Ethernet ili bežični GPRS mogu se odabrati za prijenos podataka na platformu u oblaku.
*Aplikacijski sloj: Dizajnirajte i razvijte sustav daljinskog nadzora za transformatore tipa kutije na cloud platformi, odgovoran za slanje, primanje i obrada povijesnih podataka, daljinski nadzor radnih parametara transformatora tipa kutije, i zabilježiti pohranu i analizu podataka o radu događaja. I razvijte WEB i mobilnu APLIKACIJU na cloud platformi, dežurni električar može u bilo kojem trenutku pratiti radne podatke i radni status opreme transformatora kutije putem računala ili mobilne APP-a.

3. Dizajn hardvera sustava

3.1 Lokalna mreža RS485 sabirnice na mjestu transformatora kutije

Razvojem i napretkom ugrađene tehnologije i smanjenjem troškova, mnogi instrumenti za otkrivanje, Senzori i aktuatori imaju ugrađene mikroprocesore za nedostatke i probleme prijenosa informacija tradicionalne terenske opreme tipa kutije, koji može dovršiti ADDA pretvorbu i linearizaciju i digitalno filtriranje. Sučelje podataka o serijskoj komunikaciji dodano je unutar ovih uređaja s digitalnim poljem, A serijska dvosmjerna komunikacija između terenskih uređaja može se ostvariti pomoću jedinstvenog standardnog komunikacijskog protokola.

Trenutno se uglavnom koristi industrijska autobusna mreža.

Jedan od ključeva dizajna sustava daljinskog nadzora za pametne transformatore tipa kutije je odabir pametnih instrumenata i senzora s digitalnim dvosmjernim komunikacijskim funkcijama, te usvojiti standardna i jedinstvena sučelja sabirnice i komunikacijske protokole. Polazeći od inženjerske prakse dizajna transformacije tipa pametne kutije od 10 kV u polju Br. 5 studentski apartman, odabrani su RS485 sabirnica i Modbus-RTU komunikacijski protokol koji općenito podržavaju pametni senzori.

Prema glavnom dijagramu ožičenja primarnog sustava box-transformatora u studentskom stanu na fakultetu i dijagramu bloka sustava 10kV inteligentnog sustava daljinskog nadzora box-transformatora, Dizajn hardvera sustava uzima kontroler polja box-transformatora kao jezgru, i sastoji se od integriranog zaštitnog uređaja mikroračunala, inteligentno mrežno brojilo i inteligentna jalove snage Sekundarna sistemska oprema kao što su kompenzatori, i senzore za otkrivanje okoliša kao što su senzori dima temperature i vlažnosti, PT100 temperaturni senzori i senzori za prodor vode tvore RS485 sabirnicu lokalne mreže mjesta transformacije od kutije do kutije. Dijagram sustava lokalne mreže sabirnice RS485 transformatora kutije prikazan je na slici 4.

Dijagram sustava lokalne mreže sabirnice RS485 web-mjesta za pretvorbu vrste okvira

(1) RS485 serijska komunikacijska sabirnica

Način komunikacije RS485 sabirnice je master-slave način rada, A glavni uređaj anketira svaki robovski uređaj za komunikaciju, i umrežavanje u jednoj do više točaka može se uspostaviti kako bi se formirao distribuirani sustav. RS485 sučelje je široko korišteno serijsko sučelje male brzine, i RS485 sučelje ima sljedeće karakteristike.
* RS485 sučelje.

Komunikacija sučelja RS485 prihvaća način diferencijalnog prijenosa, i ima kombinaciju uravnoteženog upravljačkog programa i diferencijalnog prijemnika, i koristi razliku napona na oba kraja kabela za prijenos signala, što uvelike povećava sposobnost odupiranja smetnjama uobičajenog načina rada i smetnji protiv buke.
* RS485 sabirnica ima visoku brzinu prijenosa i veliku udaljenost prijenosa. Maksimalna udaljenost prijenosa je oko 1200 metara, a maksimalna brzina prijenosa je 10Mbps; Njegova brzina prijenosa obrnuto je proporcionalna udaljenosti prijenosa, a maksimalna udaljenost prijenosa može se postići kada je brzina ispod 20 kbps.
* Podrška za više čvorova. Općenito, RS485 petlja sabirnice teoretski može podržavati 247 čvorovi uređaja.

(2) Protokol serijske komunikacije Modbus-RTU

Protokol Modbus primjenjuje se na mrežu industrijskih sabirnica. Kroz protokol, podatkovna komunikacija može se obavljati između kontrolora i terenske opreme. Oprema koju proizvode različiti proizvođači može formirati sustav praćenja industrijske autobusne mreže prema jedinstvenom protokolu. Protokol ima strukturu gospodara i robova, jedan glavni čvor u mreži, a ostali su robovski čvorovi, i svaki robovski čvor ima jedinstvenu adresu uređaja.

U serijskoj sabirnici, Glavni čvor pokreće naredbu, i svi robovski uređaji primit će naredbu. Naredba Modbus sadrži adresu robovlasničkog uređaja koji izvršava naredbu, a robovski uređaj određen glavnim uređajem prvo reagira, a zatim izvršava naredbu. U naredbama Modbus postoje kontrolni zbrojevi kako bi se osiguralo da dolazne naredbe nisu oštećene. Modbusove naredbe mogu uputiti RTU da promijeni svoju vrijednost registra, čitanje i upravljanje ulazno-izlaznim priključkom ili upravljanje njime, i naredite uređaju da vrati jedan ili više podataka iz registra.

Modbus uključuje ASCII, RTU i TCP tri vrste poruka. ASCII način prijenosa, LRC kontrolni zbroj, niska učinkovitost prijenosa, ali intuitivno, Jednostavno i jednostavno ispravljanje pogrešaka. Način prijenosa RTU-a, pomoću CRC provjere, visoka učinkovitost prijenosa, nešto složenije od ASCII-ja. Općenito govoreći, ako je količina podataka koji se prenose mala, možete razmisliti o korištenju ASCII protokola; ako je količina podataka koji se prenose relativno velika, najbolje je koristiti RTU protokol. Iz tog razloga, inteligentni instrumenti i senzori ovog sustava ujednačeno prihvaćaju modbus-RTU komunikacijski način.

3.2 Hardverski dizajn kontrolera polja box transformatora

Kontroler polja transformatora kutije sastoji se od ugrađenog sustava. Ugrađeni sustav usmjeren je na aplikaciju, Softver i hardver mogu se prilagoditi, i ostvaruje automatizaciju opreme, inteligencija, i funkcije daljinskog nadzora. Uglavnom se sastoji od ugrađenih mikroprocesora, povezani hardver, ugrađeni operativni sustavi, i aplikacijski softverski sustavi.

(1) STM32 mikroprocesorski minimalni sustav

Minimalni sustav ugrađenog mikroprocesora uključuje ugrađeni mikroprocesor, Resetirani krug i krug za ispravljanje pogrešaka. Satni krug pruža potreban vanjski signal sata, Krug resetiranja pruža jedinstveno početno stanje, A krug za ispravljanje pogrešaka pruža sučelje za preuzimanje i ispravljanje pogrešaka programa.
* Opcija ugrađenog mikroprocesora. Prema zahtjevima 10kV inteligentnog sustava daljinskog nadzora transformatora kutija za performanse kontrolera na licu mjesta, ovaj sustav odabire STM32F103ZET6 čip kao osnovni mikroprocesor kontrolera na licu mjesta. Ugrađeni mikroprocesor STM32F103ZET6, MCU ima visoku integraciju, niska potrošnja energije, i visoke cijene performansi. Pogodan je za različite zahtjeve primjene u industrijskom medicinskom području, i može zadovoljiti zahtjeve prikupljanja podataka i obrade ovog sustava u stvarnom vremenu.
* Krug kristalnog oscilatora. Krug kristalnog oscilatora osigurava fiksni frekvencijski puls mikroprocesoru kako bi mikroprocesor normalno radio. Mikroprocesor STM32 ima dva kristalna oscilatora, kristalni oscilator od 8 MHz pruža vanjski sat velike brzine, a kristalni oscilator od 32.768 KHz pruža vanjski sat male brzine.

* Resetiraj krug. Funkcija kruga za resetiranje mikroprocesora je ponovno pokretanje sustava. Kada sustav zakaže, Pritisnite gumb za resetiranje da biste ponovno pokrenuli uređaj. Općenito, Krug resetiranja koristi signal niske razine za ponovno pokretanje.

(2) Dizajn strujnog kruga

Sustav odabire vanjsko napajanje istosmjernom strujom nazivnog napona od 12V (2A), i odabire DC 5V (2A) adapter za napajanje s USB sučeljem za napajanje kontrolera polja. 12V istosmjerno napajanje spojeno je na upravljačku ploču, a istosmjerno napajanje od 12 V povlači se kako bi se dobilo istosmjerno napajanje od 5 V putem modula za spuštanje LM2596S. Napon od 5 V zatim prolazi kroz čip regulatora AMS1117-3.3V kako bi se dobio napon od 3,3 V za napajanje STM32 čipa. Dijagram kruga regulatora napajanja LM2596S i AMS1117-3.3V prikazan je na slici 8.

(3) RS485 sučelje za TTL modul

RS485 sučelje za TTL modul ostvaruje dvosmjernu pretvorbu i komunikaciju RS485 signala i TTL signala, Ali signal se mora izvršiti naizmjenično, i ne može se izvoditi u dva smjera u isto vrijeme. Svi terenski uređaji koriste ovaj modul za povezivanje s mikrokontrolerom, a dijagram ožičenja prikazan je na slici 9.

Dijagram ožičenja TFT-LCD i STM32 MCU - Brojka 9

(4) LCD modul zaslona

Budući da kontroler na licu mjesta sustava daljinskog nadzora tipa kutije mora prikazati mnogo brojeva i znakova, 2,8-inčni TFT-LCD zaslon s tekućim kristalima odabran je kao modul zaslona, a unutra je ILI9341 kontroler. Razmotrite STM32 može komunicirati s ILI9341 putem SPI sučelja, 8080 sučelje ili RGB sučelje. Kako bi se postigla brža frekvencija osvježavanja, TFT-LCD koristi 8080 sučelje paralelne podatkovne sabirnice. STM32 emitira podatke u memoriju ILI9341 kontrolera kroz FSMC modul promjenjive statičke memorije.

(5) Modul glasovnog alarma

Kada mikroprocesor STM32 otkrije da postoji abnormalnost ili greška u podacima o radu transformatora kutije, Poslat će poruku serijskom portu i pokrenuti glasovni alarm. Modul glasovnog alarma odabire najčešće korišteni glasovni čip SYN6288, i automatski emitira informacije o glasovnom alarmu prema programiranom programu. Sustav koristi GB2312 kod, koja je pogodna za razmjenu informacija u kineskoj obradi znakova i kineskoj komunikaciji znakova. SYN6288 također točno prepoznaje brojeve, vremena i datumi, i najčešće korištene mjerne jedinice.

(6) Relejni modul

Kontroler polja odabire grupu dvosmjernih optocoupler izolacijskih relejnih modula za kontrolu otvaranja i zatvaranja DC 12V alarmnog zvona i ventilatora, a relej čvrstog stanja od 220 V može se odabrati prema vrsti napajanja i snazi ispušnog ventilatora tipa kutije. Svaki relejni modul ima normalno otvorene i normalno zatvorene kontakte, kao i oznaka statusa LED diode; Svaki relejni krug izoliran je optocouplerima, i opremljen je diodom slobodnog kotača za oslobađanje induciranog napona releja i zaštitu prethodnog kruga. Kada temperatura okoline transformatora kutije prelazi određeni raspon, kontroler na licu mjesta daje visoku razinu, i jedan optocoupler izolacijski relej djeluje na uključivanje ventilatora da se ohladi; kada se pojave ozbiljne greške poput prekomjerne koncentracije dima, kontroler pokreće još jedan optocoupler izolacijski relej za povezivanje Petlja zvona alarma šalje alarm na licu mjesta alarm. Za dijagram principa rada releja i dijagram spajanja između relejnog modula i STM32 čipa, obratite se proizvođaču i pošaljite zahtjev.

(7) Komunikacijski modul

Prema projektnim zahtjevima 10kV inteligentnog sustava daljinskog nadzora transformatora kutije, komunikacija između inteligentnog box transformatora i oblaka odabire GPRS metodu bežične komunikacije s niskim troškovima prometa. Gizwits firmware GPRS modul.
*Gizwits firmware GPRS modul (G510_GAgent firmware). Ovaj modul je aplikacijski program koji radi na različitim komunikacijskim modulima, pružanje funkcija kao što su dvosmjerni prijenos podataka u oblaku i proizvodnim uređajima, konfiguracija uređaja u mrežu, otkrivanje i povezivanje, i nadogradnje programa. The circuit diagram between the GPRS module and the main controller can be obtained by contacting the manufacturer.

*GPRS-GA6 module. This module can realize the transmission of voice, short message and data with low power consumption. It is suitable for various design requirements in M2M applications, especially for the design of compact products. Drugo, the communication protocol adopts UART serial port bus transmission, uses standard AT commands to control the module, and selects the baud rate of 115200bps. Contact the IoT manufacturer for the connection circuit diagram of the GPRS-GA6 module and the STM32 microcontroller.

3.3 Microcomputer comprehensive protection device

According to the power transformer protection design specification (GB/T 50062-2008), 10kV transformers usually need to install overcurrent protection with time limit. The microcomputer protection device has the protection, measurement and control functions of transformers and lines, as well as the functions of data acquisition, monitoring and system self-inspection, and has high sensitivity and reliability.

According to the design requirements of the 10kV intelligent box change in the student apartment, the Ankerui AM3-I current-type microcomputer comprehensive protection device with RS485 communication function is selected, with IA, IB, IC, UA, UB, UC, P, Q, Fr and other electric Parameter measurement, 8-channel external switch signal acquisition, and circuit breaker remote control opening and closing operations and other functions. The wiring terminal diagram of AM3-I microcomputer protection device is as follows:

Wiring terminal diagram of AM3-I microcomputer protection device

3.4. Smart network meter

Smart network meters are used to detect electrical parameters such as three-phase current, voltage and power of low-voltage power distribution circuits, as well as the opening and closing status of isolating switches and circuit breakers. According to the design requirements of the secondary system of 10kV intelligent box transformer, Ankerui ACR intelligent network meter with RS485 communication function is selected, and the wiring diagram of ACR intelligent network meter and low-voltage current transformer and the wiring diagram of switch input and output are selected.

ACR smart network meter low-voltage current transformer and digital input and output wiring diagram

ACR smart network meter adopts Modbus-RTU protocol, which can measure and collect power parameters. The switch input function can detect the switching status of the isolating switch and circuit breaker, and the relay output function can remotely turn on and off the circuit breaker. The ACR intelligent network meter has a unified plan for the communication address table, which can realize the three remote functions of telemetry, daljinska signalizacija i daljinsko upravljanje.

(1) AD conversion and calculation of AC analog signal

The 3 phase voltage signals and 3 current signals (current transformer output signals) directly collected by the ACR smart network meter are all analog quantities, which need to be converted into digital signals that can be recognized by the CPU for data processing. Prvi, the 3 phase voltages of 220V and 3 current analogs are transformed into low-voltage signals through the converter, and converted into the voltage allowed by the AD converter through a voltage forming loop; , converted into a digital signal by AD and input to the CPU. The schematic diagram of the sampling and AD conversion process of the AC analog quantity can be obtained by contacting the manufacturer.

* Analog voltage conversion and low-pass filtering. The function of the voltage forming circuit is to electrically isolate and transform the electricity. Općenito, the AD converter requires the input signal to be ±5V and ±10V, so the transformation ratio of the voltage converter can be determined. Low-pass filters are divided into passive filters and active filters. Active filters are composed of capacitors, resistors and integrated operational amplifiers, which amplify the signal while filtering. Passive filters only have filtering functions but no signal amplification functions.
* Analog signal sampling. The sampling process should follow Shannon's sampling theorem, to je, the sampling frequency must not be less than 2 times the highest frequency of the input signal. The sampling process is very fast. The current AD converter sampling has reached the nanosecond level, while the sampling period of the power system automatic device is at the millisecond level, so the voltage and current signals of the six loops can share one AD converter, but the sampling circuit Must be equipped with a sample-and-hold device and a multiplexer switch.
* AD conversion. AD converters include successive approximation, integral, counting, parallel comparison, and VFC voltage-frequency converters. The successive approximation AD converter is a representative of both speed and precision in the ADC, and it has a higher conversion resolution at a higher conversion rate.

(2) Half cycle absolute value integration algorithm of sinusoidal electric quantity

The key of the software algorithm is to improve the accuracy and speed of the algorithm operation. The key of the AC sampling algorithm of the smart meter is to solve how to calculate the amplitude or effective value of the sinusoidal sampling signal according to the instantaneous value of the sinusoidal signal. The most commonly used algorithm for sine quantities is the half-cycle absolute value integration algorithm. The principle of the half-cycle absolute value integration algorithm is that the integral of the absolute value of the sine quantity in any half cycle is a constant S, and the integral value constant S has nothing to do with the integral start angle . The half-cycle absolute value integration algorithm based on the sine function model is shown in Figure 19.

Algoritam integracije apsolutne vrijednosti poluciklusa na temelju modela sinusne funkcije

The expression for calculating the effective value of the current by using the half-cycle absolute value integral algorithm is shown in the figure below:

In the formula, S represents the integral of the absolute value within half a cycle; I represents the effective value of the current; i represents the instantaneous value of the current; w represents the angular velocity; T represents the AC power cycle; f represents the AC power frequency; N represents the number of samples in one cycle ; Ts represents the sampling period.

3.5 RS485 temperature and humidity smoke sensor

Considering that the power supply line in the box-type transformer may have leakage, overload, short-circuit and excessive contact resistance, which may cause fires, and the failure of the fuel oil-immersed transformer may cause fires. Stoga, it is necessary to install a smoke sensor in the box-type transformer for fire detection of the box-type transformer. In order to detect potential failures early. In order to ensure the measurement accuracy and reduce the cost at the same time, the RS485 temperature, humidity and smoke three-in-one sensor is used to detect the temperature, humidity and smoke concentration in the box transformer. The temperature and humidity sensor uses the SHT30 probe. On-site surge and pulse interference. The sensor has 4 wires: red, black, yellow, and green. For the specific wiring method of the temperature and humidity smoke sensor, please contact the IoT manufacturer.

The smart meters and sensors designed in this system adopt the Modbus-RTU protocol, which can communicate reliably within the full baud rate range of 1200-115200. The baud rate of smart meters and sensors is uniformly set to 9600bps. The data transmission format and data conversion format of the sensor are as follows:
Sensor data query frame format. The sensor follows the standard Modbus-RTU protocol, and the sensor reading is stored in the holding register, and the function code is 04. The upper computer reads the sensor data inquiry frame format, and the lower computer sensor data inquiry frame format.

3.6 PT100 temperature transmitter - working principle of RTD PT100 - working principle of temperature sensor

PT100 temperature transmitter is used to detect transformer body temperature, high voltage and low voltage cable temperature, it is suitable for various industrial sites. Transformer will produce losses during operation, mainly iron loss and copper loss, also known as core loss and load loss. Copper loss varies with the load current and is proportional to the square of the load current. Transformer loss calculation formula is as follows:

In the formula, P0 represents the active power of the transformer in no-load operation at the rated voltage; I1 and I2 represent the high-voltage line current and the low-voltage side line current; R1 and R2 represent the high-voltage side resistance and the low-voltage side resistance.

The PT100 temperature transmitter is embedded with RS485 bus interface, and each temperature transmitter can be connected to 4 PT100 temperature sensors.

3.7 Working principle of water immersion transmitter

Due to the low water level of the box substation foundation pit, there is often water accumulation in the cable trench and foundation pit after the heavy rain, and there is a potential safety hazard of cable leakage, so irregular inspection and drainage are required. In this design, the water immersion sensor is used to detect the water accumulation in the foundation pit of the box substructure. The water immersion sensor applies the principle of liquid conduction, and uses electrodes to detect whether there is water. Select a contact type water immersion detector with RS485 communication function. The working principle of the water immersion detector is shown in Figure 23.

4. System software design

The system software design includes two parts: 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. The microcomputer integrated protection device, smart network meter and smart sensor in the field bus local area network of the box transformer have embedded application software, so only the software program design of the field controller of the box transformer is required.

4.1 Design of field controller software for box-type transformer

The field controller of the box transformer is an embedded system, and its software system is composed of application program, API, embedded operating system and BSP (board support package). According to the characteristics of many parameters, many tasks and high real-time requirements collected by the field controller of the 10kV intelligent box-type transformer, the μC/OS-Ⅲ embedded real-time operating system, which is widely used in commercial product development and teaching research, is selected. μC/OS-Ⅲ regards tasks as the smallest unit, and any task does not need to care about the specific management method of resources, which is determined by the operating system.

4.2 Software program design of field controller of box-type transformer

The entire software system design is based on the distributed system composed of intelligent instruments, senzori, field controllers and cloud platforms, and the design and development of application software is carried out. Data transmission and exchange, the on-site controller and the Gizwits cloud server use the Gizwits communication protocol in the GPRS firmware for data transmission and exchange. The main program flow chart of the field controller application software of the box-type transformer.

*Software main program. Prvi, initialize all parts of the system, such as GPIO, serial port, clock, memory management, itd., and create tasks in μC/OS-Ⅲ. STM32 performs sensor data acquisition and processing, and sends correct information to LCD display. U isto vrijeme, the STM32 sends AT commands to the GPRS-G510 module, exchanges data, connects to the Gizwits cloud platform through the LwM2M protocol, and judges whether the GPRS communication module is successfully connected to the Gizwits cloud server. If the connection is successful, data transmission is performed. Then judge whether the processed data is greater than the set threshold.
If it is a minor failure of the box substation, send the data information to the mobile APP through the cloud platform; if it is a general failure, send the data alarm information to the mobile APP through the cloud platform, and start the GPRS-GA6 communication module to send the alarm information through the mobile phone SMS; if If it is a serious fault, the data alarm information will be sent to the mobile phone APP through the cloud platform, and the GPRS-GA6 communication module will be activated to send the alarm information through the mobile phone text message and call the preset relevant personnel.