上海置信电气有限公司的沈剑韬、刘伟、姚彦良、刘毅、陈元昊在2024年第11期《电气技术》上撰文，通过研制一种无源无线型配电变压器在线监测装置，实现对变压器油温、油位、压力、桩头温度、环境温度等非电量的实时监测。该装置由锂电池供电，配置低功耗工作模式，利用4G/远距离无线电（LoRa）/窄带物联网（NB-IoT）等无线通信方式对外传输监测数据，在结构设计上可以与管状油位计通用，保证了安装使用的便利性。样机的现场运行情况表明，该装置具有推广应用价值。

作为配电系统的核心设备，配电变压器的运行状态直接影响配电网运行的可靠性。对配电变压器油温、油位等非电量的监测，可以实现从不同维度评估其运行状态，这对延长变压器使用寿命、提高电网运行可靠性和经济性具有重要意义。因此，本文通过研制一种无源无线型配电变压器在线监测装置，对变压器的油温、油位、油压、桩头温度、环境温度等非电量进行实时监测，以有效反映其运行工况和健康状态；同时，利用其无源无线工作模式，实现安装使用的便利性。

1 总体设计方案

本文研制的在线监测装置集成油温、油位、压力、桩头温度、环境温度等非电量监测功能。其中，油温、油位、压力传感器集成在内部传感器板上。桩头温度测量包括传感器和接收模块两部分，传感器为捆绑式结构，可以绑扎在变压器高低压桩头位置，接收模块可以接入装置传感器板，二者通过无线通信方式进行数据传输。环境温度传感器探头通过天线引出。在线监测装置保留原有的压力释放阀功能、油位指示功能，可以实现与原有管状油位计的直接替换。

在结构上，在线监测装置分为上、中、下三个舱体：顶部为电源通信舱，放置电池和通信板；中间为传感器舱，放置传感器板；底部舱体放置浮子和压力释放阀等机械结构。配电变压器在线监测装置结构设计如图1所示。

装置的系统架构采用双微控制单元（micro- controller unit, MCU）系统设计，分为传感器板和通信板。传感器板负责各类非电量传感器的数据采集，通信板负责对内对外通信及电源管理。板间通信采用RS 485方式，对外数据传输通过4G/远距离无线电（long range radio, LoRa）/窄带物联网（narrow band internet of things, NB-IoT）等无线通信方式实现。

图1 配电变压器在线监测装置结构设计

MCU选用兆易创新GD32F330系列芯片，相比于同类型国外芯片，国产MCU具有成本低、技术自主可控等优势，并且该系列MCU还具备各类通用总线及丰富的模拟、数字外设。在线监测装置系统架构如图2所示，包含通信和传感器采集两部分。

图2 在线监测装置系统架构

2 硬件设计和软件设计

硬件设计包括配置各个传感器的接口、传感器输出信号的处理、RS 485通信、电源的管理等。油温和压力数据通过集成电路总线（inter-integrated circuit, IIC）方式输出，油位信号通过模拟电压输出，桩头温度数据通过通用异步收发器（universal asynchronous receiver/transmitter, UART）输出。

系统软件设计流程主要包括系统初始化、传感器参数设置、数据采集及滤波处理、数据校验和上传等。在传感器数据采集过程中加入数字信号滤波算法，再对采集到的数据进行校验分析，最后根据Modbus协议传输数据。

此外，在软件设计中配置MCU的低功耗工作模式，即定时待机/休眠和定时唤醒[5]。待机模式基于Cortex—M4的SLEEPDEEP模式实现。待机模式有四个唤醒源，包括来自NRST引脚的外部复位、RTC闹钟/时间戳/侵入事件、FWDG复位、WKUP引脚的上升沿。待机模式可以达到最低功耗，但唤醒时间最长，程序设计中利用RTC闹钟实现定时唤醒。在线监测装置软件设计流程如图3所示。

图3 在线监测装置软件设计流程

为了便于监测数据的对外传输，在装置软件设计中配置Modbus协议。在线监测装置的通信规约建立在标准Modbus通信协议基础上，采用Modbus- RTU模式。协议中配置03/04/06/10四个功能码，03功能码读参数量，04功能码读数据量，06和10功能码分别写单个和多个参数量。油温、油位、压力等非电量数值设置为数据量，各个非电量的告警阈值及待机间隔时间设置为参数量，数据量为只读，参数量为可读写。功能码说明见表1。

表1 功能码说明

3 低功耗工作模式的实现

在线监测装置采用锂电池供电，供电电压为3.6V，虽然安装使用方便，但是需要定期更换。因此，为延长电池的使用寿命，将装置配置为一种低功耗工作模式，通过硬件和软件配合实现。硬件上通过RT9701电子开关来控制后级电源的通断，除了通信板MCU外，其余所有元器件的电源全部接入电子开关的后级。

MCU可以控制电子开关的使能引脚EN，当EN引脚输入高电平时，电子开关VOUT引脚输出3.3V电压；当EN引脚输入低电平时，VOUT引脚输出电压为0。在软件程序中设置MCU的定时待机和定时唤醒工作模式，在MCU待机状态下，EN引脚输入为低电平，VOUT引脚输出电压为0，在线监测装置进入待机状态；定时唤醒后，EN引脚输入高电平，VOUT引脚输出电压为3.3V，在线监测装置正常工作。从待机到唤醒的间隔时间可设置。电子开关应用原理如图4所示。

图4 电子开关应用原理

经测试，装置在正常工作状态下的功耗约为0.6W，工作电流为180mA；待机状态下功耗近似为0，但实测仍有约1mA的电流。

式（1）

进一步可估算出装置工作一年所需的电池容量约为1.27A∙h。另外，无线模块从启动到连接需要5s左右，为确保数据通信的可靠性，设置装置每个工作周期的工作时间不低于15s。不同配置方案所需电池容量见表2。

表2 不同配置方案所需电池容量

最终选用某型号锂氩电池，其标称容量为18A∙h，按照表2的估算数据可以满足使用6年的要求。考虑实际运行情况，电池实际可用容量约为标称容量的70%～80%，则按照表2设定的工作模式，电池可支持装置运行10年左右。

4 无线通信方式的实现

装置可以兼容4G/LoRa/NB-IoT三种无线方式实现对外通信，每种通信方式分别使用相应的通信模块。通信模块直接集成于监测装置通信板上，与通信板MCU之间通过UART通信。LoRa模块需另外配置一个网关，LoRa模块通过无线方式与网关通信，网关模块通过RS 485方式上送至台区融合终端，融合终端再上送至主站。在台区无融合终端的情况下，通过公网4G模块传输到自建平台。4G/NB-IoT模块可以直接通过基站传输到自建平台，但是目前不支持直接与融合终端通信。在线监测装置的不同应用模式如图5所示。

相对而言，使用4G/NB-IoT模块有更好的便利性，装置整体的生产制造成本更低，无需任何外接装置，实现即插即用。模块在使用前需配置相应的工作模式（TCP透传）、端口号、目标地址、注册包内容等参数，配置完成后重启设备即可。

无线模块会和平台建立连接，根据指示灯状态判断连接状态是否正常，模块和平台建立连接后，平台便会发送相应的Modbus命令，监测装置根据命令回复相应的数据。无线通信模块参数配置示意图如图6所示。

为确保4G通信的安全性，在通信模块设置中可选择启用安全套接层（secure socket layer, SSL）加密，即内置加密证书，是一种软件加密方式。

图5 在线监测装置的不同应用模式

图6 无线通信模块参数配置示意图

该4G模块在稳定工作状态下的工作电流约为4～5mA，连接状态下的工作电流约为20mA。经实验测试，在信号良好的情况下，模块建立通信的时间为5s左右（根据模块的通信指示灯判断），对整个装置的工作功耗无明显影响。

一些偏远台区距离基站较远，建立通信的时间较长，对装置整体的工作功耗会有影响，这是本文装置应用的局限性，不适用于偏远台区。监测数据上送到自建平台后，可以根据各类数据绘制变化曲线、上送告警信息等。自建平台可以扩展为手机端APP，使监测装置的安装使用、实时数据的查看更便捷。自建平台手机端APP界面如图7所示。

图7 自建平台手机端APP界面

为了便于装置的功能调试和性能验证，本文开发了一款上位机软件，具备各类非电量数据读取、告警信息读取、参数设置等功能，便于装置的出厂调试和现场维护。目前，本文研制的在线监测装置已在部分地区试点运行，根据现场运行数据可绘制各类非电量变化曲线。某试点台区装置运行24h得到的非电量变化曲线如图8所示。

图8 某试点台区装置运行数据曲线

由图8可以看出，24h内油温在15～25℃区间内波动，油位和压力曲线比较平稳，无明显变化，且压力值呈现负压状态。后续可以获取更多的数据对配电变压器的运行状态进行评估分析。

5 结论

变压器一次设备的在线监测及状态评估具有重要意义，本文研制的配电变压器在线监测装置可以实时监测配电变压器的运行工况，并通过无线通信方式进行数据传输，从而实现对异常情况的预警。后续可将装置使用的锂氩电池升级为可充电电池，同时可在外部配置光伏电池板进行供电，以彻底解决装置功耗和电池续航问题，进一步提升装置应用的便利性。

本工作成果发表在2024年第11期《电气技术》，论文标