Ontwerp van een 10kV intelligent onderstation van het boxtype op basis van het Gizwits IoT-platform + STM32

Het 10kV intelligente afstandsbedieningssysteem van het doostype dat in dit artikel wordt geïntroduceerd, is ontworpen en ontwikkeld door Tian Hui van Xi'an University of Science and Technology.

Het systeem neemt het ontwerp van een 10 kV intelligent wisselsysteem voor een studentenappartement in een hogeschool als technische achtergrond, en ontwerpt een 10kV intelligent dozenwisselsysteem op basis van de internet van dingen. Het systeem bestaat uit drie delen: perceptie laag, communicatielaag en applicatielaag. De waarnemingslaag is verantwoordelijk voor het verzamelen van sensorgegevens en de verzending naar de veldcontroller.

Inclusief secundaire systeemapparatuur zoals beveiligingsapparatuur voor microcomputers, intelligente netwerkmeters, en intelligente controllers voor blindvermogencompensatie, evenals omgevingsdetectieapparatuur zoals temperatuur en vochtigheid, rook, en waterdompelsensoren. De on-site controller maakt gebruik van STM32 embedded microprocessor, inclusief LCD-scherm, gesproken woord ontruimingsmodule, relais en GPRS-communicatiemodule, enz.; de communicatielaag maakt gebruik van draadloze GPRS-communicatie, die verantwoordelijk is voor de tweerichtingsgegevensoverdracht tussen de on-site controller en het cloudplatform; Het Gizwits-cloudplatform ontwikkelt een systeem voor bewaking op afstand en een mobiele app voor box-type transformatoren, die verantwoordelijk is voor de opslag, analyse en verwerking van bedrijfsgegevens van transformatoren van het doostype.

Dit systeem realiseert eindelijk de bewaking op afstand van de gebruiker van omgevingsparameters zoals variabele temperatuur en vochtigheid, rookmelder en funderingsputwater, evenals elektrische parameters zoals stroom, Spanning, frequentie en arbeidsfactor, en apparatuur werkstatus via de computer WEB of mobiele APP.

Wanneer er een afwijking of fout is in de werking van de doostransformator, het monitoringsysteem beoordeelt automatisch het storingsniveau, en stuurt een alarm via verschillende combinaties van on-site bel, mobiele telefoon APP, SMS en telefoon, enz., en stelt het relevante personeel op de hoogte om verborgen problemen tijdig te elimineren en elektrische ongevallen te voorkomen. . Het is geschikt voor bewaking op afstand en gecentraliseerd beheer van kasttransformatoren en stroomverdeelruimten, en kan het intelligentieniveau en de veiligheid en betrouwbaarheid van stroomdistributieapparatuur in scholen aanzienlijk verbeteren, ondernemingen en gemeenschappen.

1. Invoering

Met de bouw en ontwikkeling van de sociale economie en het distributienetwerk, er zijn steeds meer 10kV kasttransformatoren. Het traditionele onderstation van het 10 kV-doostype neemt over het algemeen de bedrijfsmodus van onbeheerde en handmatige regelmatige inspectie aan, die een lage mate van intelligentie heeft en geen bewaking op afstand en foutalarmsystemen voor de omgeving en apparatuur mist. Momenteel, met de snelle ontwikkeling van slimme sensortechnologie, ingebedde technologie, communicatietechnologie en cloud computing-technologie en de verlaging van de kosten, het 10kV smart box-type onderstation op basis van het Internet of Things is de beste keuze geworden voor het upgraden en transformeren van traditionele box-type onderstations.

Het intelligente systeem voor bewaking op afstand van het onderstation van het doostype op basis van het internet der dingen kan de omgeving van het onderstation van het doostype op afstand bewaken, operationele parameters en status van apparatuur in real time. Zoals te zien in figuur 1.

Gebruikers kunnen omgevingsparameters zoals temperatuur en vochtigheid van de box op afstand bewaken, rook alarm, en waterophoping in funderingsputten, evenals elektrische parameters zoals stroom, Spanning, frequentie, en arbeidsfactor, en apparatuurstatus via computers of mobiele APP's op elk moment. Wanneer het box-onderstation abnormaal werkt of uitvalt, het monitoringsysteem zal het relevante personeel automatisch op de hoogte stellen via verschillende methoden van de mobiele telefoon APP, SMS en telefoon volgens het storingsniveau, om op tijd verborgen fouten te elimineren en elektroongevallen te verhinderen.

10kV smart box-onderstation op basis van het Internet of Things

Het bewakingssysteem op afstand van het smart box-type substation bestaat uit een "veldbus LAN" in het onderstation van het doostype en a "cloudplatform wide-area netwerk" buiten het onderstation van het doostype. Dit structurele model kan worden toegepast op de ontwikkeling van bewakingssystemen op afstand voor systemen voor bewaking op afstand van secundaire watervoorzieningsapparatuur, beheersystemen voor huishoudelijke elektriciteitskosten, en systemen voor monitoring op afstand van liften om de intelligentie en het beheersniveau van traditionele apparatuur te verbeteren en de upgrade van traditionele industrieën te bevorderen. Het heeft een goede toepassingswaarde.

2. Algehele programma opzet

Het ontwerp van een smart box-type onderstation op basis van het internet der dingen is gebaseerd op het ontwerp van een 10 kV smart box-type onderstation in een studentenflat. Het primaire systeemontwerp van de 10kV intelligente doostransformator is hetzelfde als dat van de traditionele 10kV doostransformator, en het heeft de neiging volwassen te zijn. Dit artikel richt zich op het intelligente ontwerp van de 10kV smart box-type transformator. Hieronder volgt een kort overzicht van de ontwerpinhoud van het primaire systeem van de 10kV smart box-transformator.

2.1 Primair systeemontwerp van 10 kV intelligent onderstation van het doostype

De vermogensbelasting van nr. 5 studentenflatgebouw in een universiteit is voornamelijk verlichting, computers en nieuw toegevoegde airconditionerladingen. Elke slaapzaal wordt berekend als 8 mensen, de verlichtingsbelasting is 100W, de belasting van elke leerlingcomputer is 200W, en elke 1.5P split-type hanger is nieuw geïnstalleerd met airconditioners. Het vermogen is 1.3kW, en de belasting van een enkele slaapzaal is 3,0 kW. Volgens de "Ontwerphandleiding voor industriële en civiele stroomvoorziening en distributie", de vraagcoëfficiënt van de slaapzaal is 0.7, en de arbeidsfactor is 0.8.

Gezien de toename van de elektriciteitslast van het studentenappartement in de toekomst, de transformator moet een bepaalde marge reserveren, en de transformator met een capaciteit van 1000kVA wordt geselecteerd. Gezien de initiële investeringskosten en bedrijfskosten van de transformator, evenals de eisen van het nationale energiebesparings- en emissiereductiebeleid, Hiervoor wordt de verliesarme, volledig gesloten olie-ondergedompelde transformator S13-M-1000/10-0.4 geselecteerd.

Op basis van belastingsstatistische berekening, kortsluitberekening, dynamische stabiliteitsverificatie en thermische stabiliteitsverificatie, de hoofduitrusting van het primaire systeem van de doostransformator is geselecteerd. De specifieke modellen en technische parameters van de hoofduitrusting van het primaire systeem worden weergegeven in de tabel 3, Tafel 4, Tafel 5 en tafel 6.

Volgens de ontwerpvereisten van de nr. 5 studentenflat projectbox onderstation en de ontwerpberekening van het primaire systeem, het hoofdbedradingsschema van het ontworpen primaire systeem van de nr. 5 onderstation voor studentenappartementen wordt getoond in figuur 2.

Figuur 2 : Het hoofdbedradingsschema van het primaire systeem van een onderstation in een studentenflat in een universiteit

2.2 Intelligent ontwerpschema van 10kV Box Transformer

Gericht op de ontwerpdefecten en problemen die bestaan in het operationele beheer van het 10kV traditionele box-type onderstation, de sleutel tot het oplossen van het probleem ligt in de constructie van een gesloten lussysteem voor de detectie, bewaking en alarm op afstand van de omgeving en apparatuur van het intelligente box-type substation, en het ontwerp heeft bewaking op afstand van de werkomgeving en elektrische apparatuur. Het intelligente boxtransformatorsysteem met verschillende functies kan omgevingsparameters verzamelen en bewaken, zoals toegangscontrole van de boxtransformator, omgevingstemperatuur en vochtigheid, rook alarm, en water in de kabelgoot, evenals spanning, huidig, actieve kracht, reactief vermogen, krachtfactor, kabel temperatuur, transformator transformator, enz.

Lichaamstemperatuur en gasalarmsignaal en andere bedrijfsparameters van de apparatuur, op afstand bedienbare afzuigventilator, microcomputerbeveiligingsapparaat en stroomonderbrekerschakelaar.

Het systeem maakt gebruik van slimme instrumenten en slimme sensoren met communicatiefuncties die veel worden gebruikt op industriële locaties, en verzendt de verzamelde gegevens naar de veldcontroller via veldbuscommunicatie, en de veldcontroller verzendt de gegevens naar de server of cloud-hostcomputer via een draadloze of bedrade communicatiemodule. Realiseer functies zoals telemetrie, afstandssignalering en afstandsbediening.

Het bewakingssysteem op afstand van de 10kV intelligente boxtransformator op basis van het Internet of Things maakt gebruik van intelligente instrumenten en sensoren met digitale tweerichtingscommunicatiefunctie, en neemt uniform de standaard RS485-businterface en het Modbus-RTU-communicatieprotocol over. Het systeem voor bewaking op afstand van de intelligente boxtransformator op basis van het internet der dingen bestaat uit drie delen: de belevingslaag, de communicatielaag en de applicatielaag.
* Perceptie laag: door middel van diverse slimme meters en slimme sensoren om diverse omgevingen te verzamelen, bedrijfsparameters van apparatuur en werkstatus van de boxtransformator, en verzend de gegevens naar de veldcontroller via de RS485-bus. De veldcontroller heeft een ingebouwd besturingssysteem en beschikt over gegevensverzameling, Computeren, verwerkings- en controlefuncties.
* Communicatie laag: Deze laag is de verbinding en schakel van datatransmissie en -uitwisseling, en is verantwoordelijk voor de tweerichtingsoverdracht van gegevens tussen het cloudplatform en de on-site controller. Volgens de daadwerkelijke communicatievoorwaarden van de doos-type transformator, verschillende communicatiemethoden zoals bedrade optische kabel, Ethernet of draadloze GPRS kan worden geselecteerd om gegevens naar het cloudplatform te verzenden.
*Applicatielaag: Ontwerp en ontwikkel een monitoringsysteem op afstand voor box-type transformatoren op het cloudplatform, verantwoordelijk voor de verzending, ontvangen en verwerken van historische gegevens, bewaking op afstand van de bedrijfsparameters van de box-type transformator, en recordopslag en analyse van bedrijfsgegevens van gebeurtenissen. En ontwikkel WEB en mobiele APP op het cloudplatform, de dienstdoende elektricien kan op elk moment de bedrijfsgegevens en de werkstatus van de apparatuur van de transformator controleren via de computer of mobiele APP.

3. Ontwerp van systeemhardware

3.1 RS485-bus lokaal netwerk van de locatie van de transformatorkast

Met de ontwikkeling en vooruitgang van ingebedde technologie en de vermindering van kosten, veel detectie-instrumenten, sensoren en actuatoren hebben ingebouwde microprocessors voor de tekortkomingen en problemen van informatieoverdracht van traditionele veldapparatuur van het doostype, die AD DA-conversie en linearisatie en digitale filtering kan voltooien. Binnen deze digitale veldapparaten is een seriële communicatiegegevensinterface toegevoegd, en de seriële tweerichtingscommunicatie tussen veldapparaten kan worden gerealiseerd door gebruik te maken van een uniform standaard communicatieprotocol.

Momenteel voornamelijk gebruikt industrieel busnetwerk.

Een van de sleutels tot het ontwerp van het bewakingssysteem op afstand voor smart box-type transformatoren is het selecteren van slimme instrumenten en sensoren met digitale tweerichtingscommunicatiefuncties, en om standaard en uniforme businterfaces en communicatieprotocollen te gebruiken. Uitgaande van de technische praktijk van het 10kV smart box-type transformatieontwerp in de nr. 5 studenten appartement, de RS485-bus en het Modbus-RTU-communicatieprotocol dat over het algemeen wordt ondersteund door slimme sensoren worden geselecteerd.

Volgens het hoofdbedradingsschema van het primaire systeem van een box-transformator in een studentenflat in een universiteit en het systeemblokschema van het 10kV intelligente box-transformator monitoringsysteem op afstand, het ontwerp van de systeemhardware neemt de box-transformator-veldcontroller als kern, en bestaat uit een microcomputer geïntegreerd beschermingsapparaat, een intelligente netwerkmeter en een intelligent blindvermogen Secundaire systeemapparatuur zoals compensatoren, en omgevingsdetectiesensoren zoals rooksensoren voor temperatuur en vochtigheid, PT100-temperatuursensoren en waterindringingssensoren vormen het RS485-bus-local area-netwerk van de box-to-box-transformatiesite. Het RS485-bus lokaal netwerksysteemschema van de doostransformator wordt getoond in figuur 4.

RS485-bus lokaal netwerksysteemschema van de transformatiesite van het doostype

(1) RS485 seriële communicatiebus

De communicatiemodus van de RS485-bus is master-slave-modus, en het masterapparaat ondervraagt elk slaveapparaat voor communicatie, en one-to-multi-point netwerken kunnen tot stand worden gebracht om een gedistribueerd systeem te vormen. De RS485-interface is een veelgebruikte seriële interface met lage snelheid, en de RS485-interface heeft de volgende kenmerken.
* RS485-interface.

RS485-interfacecommunicatie maakt gebruik van differentiële transmissiemodus, en heeft een combinatie van gebalanceerde driver en differentiële ontvanger, en gebruikt het spanningsverschil aan beide uiteinden van de kabel om signalen over te dragen, wat het vermogen om weerstand te bieden aan common-mode interferentie en anti-ruisinterferentie aanzienlijk verbetert.
* RS485-bus heeft een hoge transmissiesnelheid en een lange transmissieafstand. De maximale transmissieafstand is ongeveer 1200 meter, en de maximale overdrachtssnelheid is 10 Mbps; de transmissiesnelheid is omgekeerd evenredig met de transmissieafstand, en de maximale transmissieafstand kan worden bereikt wanneer de snelheid lager is dan 20 kbps.
* Ondersteuning van meerdere knooppunten. In het algemeen, een RS485-buslus kan theoretisch ondersteunen 247 apparaat knooppunten.

(2) Modbus-RTU seriële communicatieprotocol

Het Modbus-protocol wordt toegepast op het industriële busnetwerk. Via het protocol, datacommunicatie kan worden uitgevoerd tussen de controller en de veldapparatuur. De apparatuur die door verschillende fabrikanten wordt geproduceerd, kan een industrieel busnetwerkbewakingssysteem vormen volgens een uniform protocol. Het protocol heeft een master-slave-structuur, één hoofdknooppunt in het netwerk, en de anderen zijn slaafknooppunten, en elk slaafknooppunt heeft een uniek apparaatadres.

In het seriële busnetwerk, het hoofdknooppunt start een opdracht, en alle slave-apparaten zullen de opdracht ontvangen. Het Modbus-commando bevat het adres van het slave-apparaat dat het commando uitvoert, en het door het masterapparaat aangewezen slave-apparaat reageert eerst en voert vervolgens de opdracht uit. Er zijn checksums in de Modbus-commando's om ervoor te zorgen dat de binnenkomende commando's niet beschadigd zijn. Modbus-commando's kunnen de RTU instrueren om de registerwaarde te wijzigen, lees of regel de I/O-poort, en geef het apparaat de opdracht om een of meer registergegevens terug te sturen.

Modbus bevat ASCII, RTU en TCP drie soorten berichten. ASCII-transmissiemodus, LRC-controlesom, lage transmissie-efficiëntie, maar intuïtief, eenvoudig en gemakkelijk te debuggen. RTU-transmissiemodus, CRC-controle gebruiken, hoge transmissie-efficiëntie, iets gecompliceerder dan ASCII. In het algemeen, als de hoeveelheid te verzenden gegevens klein is, u kunt overwegen om het ASCII-protocol te gebruiken; als de hoeveelheid te verzenden gegevens relatief groot is, het is het beste om het RTU-protocol te gebruiken. Om deze reden, de intelligente instrumenten en sensoren van dit systeem nemen uniform de Modbus-RTU-communicatiemodus over.

3.2 Hardware-ontwerp van veldcontroller van Box Transformer

De veldcontroller van de boxtransformator is samengesteld uit een ingebed systeem. Het embedded systeem is applicatiegericht, software en hardware kunnen op maat worden gemaakt, en realiseert apparatuurautomatisering, intelligentie-, en bewakingsfuncties op afstand. Het bestaat voornamelijk uit ingebedde microprocessors, gerelateerde hardware, ingebedde besturingssystemen, en applicatiesoftwaresystemen.

(1) STM32 microprocessor minimaal systeem

Het minimale systeem van ingebedde microprocessor omvat ingebedde microprocessor, resetcircuit en foutopsporingscircuit. Het klokcircuit levert het benodigde externe kloksignaal, het resetcircuit zorgt voor een uniforme begintoestand, en het foutopsporingscircuit biedt een interface voor het downloaden en debuggen van programma's.
* Ingebouwde microprocessoroptie. Volgens de vereisten van het 10kV intelligente transformatordoosbewakingssysteem op afstand voor de prestaties van de on-site controller, dit systeem kiest de STM32F103ZET6-chip als de kernmicroprocessor van de on-site controller. STM32F103ZET6 ingebouwde microprocessor, MCU heeft een hoge integratie, laag energieverbruik, en hoge kostenprestaties. Het is geschikt voor verschillende toepassingseisen op industrieel medisch gebied, en kan voldoen aan de eisen van data-acquisitie en real-time verwerking van dit systeem.
* Kristaloscillatorcircuit. Het kristaloscillatorcircuit levert een puls met vaste frequentie aan de microprocessor om de microprocessor normaal te laten werken. De STM32-microprocessor heeft twee kristaloscillatoren, de 8MHz kristaloscillator zorgt voor een externe high-speed klok, en de 32.768KHz kristaloscillator zorgt voor een externe low-speed klok.

* Circuit resetten. De functie van het resetcircuit van de microprocessor is om het systeem opnieuw op te starten. Wanneer het systeem faalt, druk op de resetknop om het apparaat opnieuw op te starten. Over het algemeen, het resetcircuit gebruikt een signaal van laag niveau om opnieuw op te starten.

(2) Ontwerp van het stroomcircuit

Het systeem selecteert een externe DC-voeding met een nominale spanning van 12V (2A), en selecteert een DC 5V (2A) voedingsadapter met een USB-interface om de veldboek van stroom te voorzien. De 12V DC-voeding is aangesloten op de besturingskaart, en de DC 12V-voeding wordt verlaagd om een DC 5V-voeding te verkrijgen via de LM2596S step-down module. De 5V-spanning wordt vervolgens door de AMS1117-3.3V-regelaarchip geleid om een 3.3V-spanning te verkrijgen om de STM32-chip van stroom te voorzien. Het schakelschema van de LM2596S en AMS1117-3.3V voedingsregelaar wordt getoond in figuur 8.

(3) RS485-interface naar TTL-module

De RS485-interface naar TTL-module realiseert de bidirectionele conversie en communicatie van RS485-signaal en TTL-signaal, maar het signaal moet afwisselend worden uitgevoerd, en kan niet tegelijkertijd in twee richtingen worden uitgevoerd. Alle veldapparaten gebruiken deze module om verbinding te maken met de microcontroller, en het bedradingsschema wordt getoond in figuur 9.

Bedradingsschema van TFT-LCD en STM32 MCU - Figuur 9

(4) LCD-displaymodule

Omdat de on-site controller van het box-type bewakingssysteem op afstand veel cijfers en tekens moet weergeven, een 2,8-inch TFT-LCD liquid crystal display is geselecteerd als weergavemodule, en er zit een ILI9341-controller in. Overweeg dat STM32 kan communiceren met ILI9341 via de SPI-interface, 8080 interface of RGB-interface. Om een snellere verversingssnelheid te bereiken, TFT-LCD gebruikt 8080 parallelle databusinterface. STM32 voert gegevens uit naar het geheugen van de ILI9341-controller via de FSMC-module met variabel statisch geheugen.

(5) Module voor gesproken woord ontruiming

Wanneer de STM32-microprocessor detecteert dat er een afwijking of fout is in de werkingsgegevens van de doostransformator, het stuurt een bericht naar de seriële poort en start een gesproken woord ontruiming. De gesproken woord ontruimingsmodule selecteert de veelgebruikte stemchip SYN6288, en zendt automatisch gesproken woord ontruimingsinformatie uit volgens het geprogrammeerde programma. Het systeem gebruikt GB2312-code, die geschikt is voor informatie-uitwisseling in Chinese karakterverwerking en Chinese karaktercommunicatie. Ook cijfers herkent de SYN6288 nauwkeurig, tijden en data, en veelgebruikte maateenheden.

(6) Relais module

De veldcontroller selecteert een groep 2-weg optocoupler isolatierelaismodules om het openen en sluiten van de DC 12V-alarmbel en ventilator te regelen, en het 220V AC solid-state relais kan worden geselecteerd op basis van het type voeding en het vermogen van de afzuigventilator van het doostype. Elke relaiscircuitmodule heeft normaal open en normaal gesloten contacten, evenals LED-statusindicatie; elk relaiscircuit is geïsoleerd door optocouplers, en is uitgerust met een vrijloopdiode om de geïnduceerde spanning van het relais vrij te geven en het vorige circuit te beschermen. Wanneer de omgevingstemperatuur van de doostransformator een bepaald bereik overschrijdt, de on-site controller voert een hoog niveau uit, en één optocoupler-isolatierelais werkt om de ventilator aan te zetten om af te koelen; bij ernstige storingen zoals een te hoge rookconcentratie, de controller stuurt een ander optocoupler-isolatierelais aan om verbinding te maken. De alarmbellus zendt een lokaal alarm uit. Voor het werkingsprincipeschema van het relais en het aansluitschema tussen de relaismodule en de STM32-chip, neem contact op met de fabrikant en stuur het verzoek.

(7) Communicatie module

Volgens de ontwerpvereisten van het 10kV intelligente transformatorbewakingssysteem op afstand, de communicatie tussen de intelligente boxtransformator en de cloud kiest de draadloze GPRS-communicatiemethode met lage verkeerskosten. Gizwits firmware GPRS-module.
*Gizwits firmware GPRS-module (G510_GAgent-firmware). Deze module is een applicatieprogramma dat draait op verschillende communicatiemodules, functies bieden zoals tweerichtingstransmissie van cloud- en productapparaatgegevens, apparaatconfiguratie in het netwerk, ontdekken en binden, en programma-upgrades. Het schakelschema tussen de GPRS-module en de hoofdcontroller kan worden verkregen door contact op te nemen met de fabrikant.

*GPRS-GA6-module. Deze module kan de overdracht van stem realiseren, kort bericht en gegevens met een laag stroomverbruik. Het is geschikt voor verschillende ontwerpvereisten in M2M-toepassingen, vooral voor het ontwerp van compacte producten. ten tweede, het communicatieprotocol maakt gebruik van UART seriële poortbustransmissie, gebruikt standaard AT-commando's om de module te besturen, en selecteert de baudrate van 115200bps. Contacteer de IoT-fabrikant voor het aansluitschema van de GPRS-GA6-module en de STM32-microcontroller.

3.3 Microcomputer uitgebreid beschermingsapparaat

Volgens de ontwerpspecificatie voor de bescherming van de stroomtransformator (GB/T 50062-2008), 10kV-transformatoren moeten meestal een overstroombeveiliging met tijdslimiet installeren. Het microcomputerbeveiligingsapparaat heeft de bescherming, meet- en regelfuncties van transformatoren en leidingen, evenals de functies van data-acquisitie, monitoring en systeem zelfinspectie, en heeft een hoge gevoeligheid en betrouwbaarheid.

Volgens de ontwerpeisen van de 10kV intelligente wisselkast in het studentenappartement, het Ankerui AM3-I stroomtype microcomputer uitgebreide beveiligingsapparaat met RS485-communicatiefunctie is geselecteerd, met IA, IB, IK, UA, UB, UC, P, Q, Fr en andere elektrische parametermeting, 8-kanaal externe schakelsignaalacquisitie, en stroomonderbreker afstandsbediening voor openen en sluiten en andere functies. Het bedradingsaansluitschema van het AM3-I-microcomputerbeveiligingsapparaat is als volgt:

Bedradingsaansluitschema van AM3-I microcomputerbeveiligingsapparaat

3.4. Slimme netwerkmeter

Slimme netwerkmeters worden gebruikt om elektrische parameters zoals driefasige stroom te detecteren, spanning en vermogen van laagspanningsstroomdistributiecircuits, evenals de openings- en sluitingsstatus van scheidingsschakelaars en stroomonderbrekers. Volgens de ontwerpvereisten van het secundaire systeem van 10kV intelligente doostransformator, Ankerui ACR intelligente netwerkmeter met RS485-communicatiefunctie is geselecteerd, en het bedradingsschema van ACR intelligente netwerkmeter en laagspanningsstroomtransformator en het bedradingsschema van schakelingang en -uitgang worden geselecteerd.

ACR slimme netwerkmeter laagspanningsstroomtransformator en bedradingsschema digitale ingang en uitgang

ACR slimme netwerkmeter gebruikt het Modbus-RTU-protocol, die vermogensparameters kan meten en verzamelen. De schakelaaringangsfunctie kan de schakelstatus van de scheidingsschakelaar en stroomonderbreker detecteren, en de relaisuitgangsfunctie kan de stroomonderbreker op afstand in- en uitschakelen. De ACR intelligente netwerkmeter heeft een uniform plan voor de communicatieadrestabel, die de drie externe functies van telemetrie kan realiseren, afstandssignalering en afstandsbediening.

(1) AD conversie en berekening van AC analoog signaal

De 3 fasespanningssignalen en 3 huidige signalen (stroomtransformator uitgangssignalen) direct verzameld door de ACR slimme netwerkmeter zijn allemaal analoge grootheden, die moeten worden omgezet in digitale signalen die door de CPU kunnen worden herkend voor gegevensverwerking. Eerst, de 3 fasespanningen van 220V en 3 huidige analogen worden via de omzetter omgezet in laagspanningssignalen, en omgezet in de spanning die door de AD-omzetter is toegestaan via een spanningsvormende lus; , omgezet in een digitaal signaal door AD en ingevoerd in de CPU. Het schematische diagram van het bemonstering- en AD-conversieproces van de analoge AC-grootheid kan worden verkregen door contact op te nemen met de fabrikant.

* Analoge spanningsomzetting en laagdoorlaatfiltering. De functie van het spanningsvormende circuit is om de elektriciteit elektrisch te isoleren en te transformeren. Over het algemeen, de AD-converter vereist dat het ingangssignaal ±5V en ±10V is, zodat de transformatieverhouding van de spanningsomvormer kan worden bepaald. Laagdoorlaatfilters zijn onderverdeeld in passieve filters en actieve filters. Actieve filters zijn samengesteld uit condensatoren, weerstanden en geïntegreerde operationele versterkers, die het signaal versterken tijdens het filteren. Passieve filters hebben alleen filterfuncties maar geen signaalversterkingsfuncties.
* Analoge signaalbemonstering. Het bemonsteringsproces moet de bemonsteringsstelling van Shannon volgen, dat is, de bemonsteringsfrequentie mag niet lager zijn dan 2 maal de hoogste frequentie van het ingangssignaal. Het bemonsteringsproces is erg snel. De huidige bemonstering van de AD-converter heeft het niveau van nanoseconden bereikt, terwijl de bemonsteringsperiode van het automatische apparaat van het voedingssysteem zich op het niveau van milliseconden bevindt, zodat de spannings- en stroomsignalen van de zes lussen één AD-omzetter kunnen delen, maar het bemonsteringscircuit moet zijn uitgerust met een bemonsterings- en houdapparaat en een multiplexerschakelaar.
* AD-conversie. AD-converters bevatten opeenvolgende benaderingen, integraal, tellen, parallelle vergelijking, en VFC-spannings-frequentieomvormers. De AD-omzetter met opeenvolgende benadering is een vertegenwoordiger van zowel snelheid als precisie in de ADC, en het heeft een hogere conversieresolutie bij een hogere conversieratio.

(2) Algoritme voor integratie van absolute waarde met halve cyclus van sinusvormige elektrische grootheid

De sleutel van het software-algoritme is het verbeteren van de nauwkeurigheid en snelheid van de werking van het algoritme. De sleutel van het AC-bemonsteringsalgoritme van de slimme meter is om op te lossen hoe de amplitude of effectieve waarde van het sinusvormige bemonsteringssignaal moet worden berekend volgens de momentane waarde van het sinusvormige signaal. Het meest gebruikte algoritme voor sinusgrootheden is het algoritme voor integratie van absolute waarde met halve cyclus. Het principe van het algoritme voor integratie van de absolute waarde van een halve cyclus is dat de integraal van de absolute waarde van de sinusgrootheid in een halve cyclus een constante S is, en de integrale waardeconstante S heeft niets te maken met de integrale starthoek . Het algoritme voor de integratie van de absolute waarde van de halve cyclus op basis van het sinusfunctiemodel wordt getoond in figuur 19.

Algoritme van halve cyclus absolute waarde-integratie op basis van sinusfunctiemodel

De uitdrukking voor het berekenen van de effectieve waarde van de stroom met behulp van het algoritme voor de absolute waarde-integraal van een halve cyclus wordt weergegeven in de onderstaande afbeelding:

In de formule, S vertegenwoordigt de integraal van de absolute waarde binnen een halve cyclus; I vertegenwoordigt de effectieve waarde van de stroom; i vertegenwoordigt de momentane waarde van de stroom; w staat voor de hoeksnelheid; T vertegenwoordigt de wisselstroomcyclus; f staat voor de wisselstroomfrequentie; N staat voor het aantal monsters in één cyclus ; Ts vertegenwoordigt de bemonsteringsperiode.

3.5 RS485 rooksensor voor temperatuur en vochtigheid

Houd er rekening mee dat de voedingslijn in de transformatorkast lek kan zijn, overbelasten, kortsluiting en te hoge contactweerstand, die brand kunnen veroorzaken, en het falen van de in stookolie ondergedompelde transformator kan brand veroorzaken. Daarom, voor branddetectie van de transformatorkast is het noodzakelijk om een rookmelder in de transformatordoos te installeren. Om mogelijke storingen vroegtijdig op te sporen. Om de meetnauwkeurigheid te waarborgen en tegelijkertijd de kosten te verlagen, de RS485-temperatuur, vochtigheid en rook drie-in-een sensor wordt gebruikt om de temperatuur te detecteren, vochtigheid en rookconcentratie in de transformatorkast. De temperatuur- en vochtigheidssensor maakt gebruik van de SHT30 sonde. On-site overspanning en pulsinterferentie. De sensor heeft 4 draden: rood, zwart, geel, en groen. Voor de specifieke bedradingsmethode van de temperatuur- en vochtigheidsrooksensor, neem dan contact op met de IoT-fabrikant.

De slimme meters en sensoren die in dit systeem zijn ontworpen, maken gebruik van het Modbus-RTU-protocol, die betrouwbaar kan communiceren binnen het volledige baudratebereik van 1200-115200. De baudrate van slimme meters en sensoren is uniform ingesteld op 9600bps. Het gegevensoverdrachtformaat en het gegevensconversieformaat van de sensor zijn als volgt:
Frameformaat voor query van sensorgegevens. De sensor volgt het standaard Modbus-RTU-protocol, en de sensoruitlezing wordt opgeslagen in het houdregister, en de functiecode is 04. De bovenste computer leest het frameformaat voor het opvragen van sensorgegevens, en het frameformaat voor gegevensonderzoek van de onderste computersensor.

3.6 PT100 temperatuurzender - werkingsprincipe van RTD PT100 - werkingsprincipe van temperatuursensor

De PT100-temperatuurzender wordt gebruikt om de lichaamstemperatuur van de transformator te detecteren, hoogspanning en laagspanning kabel temperatuur, het is geschikt voor verschillende industriële locaties. Transformator zal tijdens bedrijf verliezen veroorzaken, voornamelijk ijzerverlies en koperverlies, ook wel bekend als core loss en load loss. Koperverlies varieert met de belastingsstroom en is evenredig met het kwadraat van de belastingsstroom. De formule voor de berekening van het transformatorverlies is als volgt:

In de formule, P0 vertegenwoordigt het actieve vermogen van de transformator in nullastbedrijf bij de nominale spanning; I1 en I2 vertegenwoordigen de hoogspanningslijnstroom en de laagspanningszijlijnstroom; R1 en R2 vertegenwoordigen de weerstand aan de hoogspanningszijde en de weerstand aan de laagspanningszijde.

De PT100-temperatuurtransmitter is ingebed met een RS485-businterface, en elke temperatuurtransmitter kan worden aangesloten 4 PT100 temperatuursensoren.

3.7 Werkingsprincipe van de zender voor onderdompeling in water

Vanwege de lage waterstand van de funderingsput van het kokerstation, er is vaak waterophoping in de kabelsleuf en funderingsput na hevige regenval, en er is een potentieel veiligheidsrisico van kabellekkage, dus onregelmatige inspectie en drainage zijn vereist. In dit ontwerp, de waterdompelsensor wordt gebruikt om de waterophoping in de funderingsput van de kokerconstructie te detecteren. De waterdompelsensor past het principe van vloeistofgeleiding toe, en gebruikt elektroden om te detecteren of er water is. Selecteer een contacttype wateronderdompelingsdetector met RS485-communicatiefunctie. Het werkingsprincipe van de wateronderdompelingsdetector wordt getoond in figuur 23.

4. Ontwerp van systeemsoftware

Het ontwerp van de systeemsoftware bestaat uit twee delen: 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. Het geïntegreerde beschermingsapparaat van de microcomputer, slimme netwerkmeter en slimme sensor in het lokale netwerk van de veldbus van de boxtransformator hebben ingebouwde applicatiesoftware, dus alleen het softwareprogramma-ontwerp van de veldcontroller van de boxtransformator is vereist.

4.1 Ontwerp van field controller software voor box-type transformator

De veldcontroller van de boxtransformator is een embedded systeem, en het softwaresysteem bestaat uit een applicatieprogramma, API, ingebed besturingssysteem en BSP (bord ondersteuningspakket). Volgens de kenmerken van veel parameters, veel taken en hoge real-time vereisten verzameld door de veldcontroller van de 10kV intelligente box-type transformator, het μC/OS-Ⅲ ingebedde real-time besturingssysteem, die veel wordt gebruikt in commerciële productontwikkeling en onderwijsonderzoek, is geselecteerd. μC/OS-Ⅲ beschouwt taken als de kleinste eenheid, en elke taak hoeft zich niet druk te maken over de specifieke beheermethode van middelen, die wordt bepaald door het besturingssysteem.

4.2 Ontwerp van softwareprogramma van veldcontroller van box-type transformator

Het volledige ontwerp van het softwaresysteem is gebaseerd op het gedistribueerde systeem dat bestaat uit intelligente instrumenten, sensoren, veldcontrollers en cloudplatforms, en het ontwerp en de ontwikkeling van applicatiesoftware wordt uitgevoerd. Gegevensoverdracht en -uitwisseling, de on-site controller en de Gizwits-cloudserver gebruiken het Gizwits-communicatieprotocol in de GPRS-firmware voor gegevensoverdracht en -uitwisseling. Het stroomschema van het hoofdprogramma van de toepassingssoftware van de veldcontroller van de transformator van het doostype.

*Software hoofdprogramma. Eerst, initialiseer alle onderdelen van het systeem, zoals GPIO, seriële poort, klok, geheugen management, enz., en maak taken aan in μC/OS-Ⅲ. STM32 voert de acquisitie en verwerking van sensorgegevens uit, en stuurt de juiste informatie naar het LCD-scherm. Tegelijkertijd, de STM32 stuurt AT-commando's naar de GPRS-G510-module, wisselt gegevens uit, maakt verbinding met het Gizwits-cloudplatform via het LwM2M-protocol, en beoordeelt of de GPRS-communicatiemodule met succes is verbonden met de Gizwits-cloudserver. Als de verbinding succesvol is, gegevensoverdracht wordt uitgevoerd. Beoordeel vervolgens of de verwerkte gegevens groter zijn dan de ingestelde drempel.
Als het een kleine storing is van het box-onderstation, stuur de gegevensinformatie naar de mobiele APP via het cloudplatform; als het een algemene storing is, stuur de gegevensalarminformatie naar de mobiele APP via het cloudplatform, en start de GPRS-GA6-communicatiemodule om de alarminformatie via de mobiele telefoon-sms te verzenden; als het een ernstige fout is, de gegevensalarminformatie wordt via het cloudplatform naar de app van de mobiele telefoon verzonden, en de GPRS-GA6-communicatiemodule wordt geactiveerd om de alarminformatie via het sms-bericht van de mobiele telefoon te verzenden en het vooraf ingestelde relevante personeel te bellen.