水银滑环
秦勉1，钟建伟1，董伟广1，戴小剑2，田波2，龙玉雪3，杨雄威3，孔子杰3（1.湖北民族大学信息工程学院，湖北恩施445000；2.国网湖北省电力有限公司恩施供电公司，
湖北恩施445000；3.湖北英孚电力有限公司，湖北恩施445000）
摘要：本设计主要采用低功耗高性能的STM32单片机作为微型控制器，采用电压互感器、电流互感器
作为变压器的信号转换及电压-电流信号采集模块，采用AD637转换芯片作为信号转换器件，采用过 零比较器及异或门电路实现功率因数及信号频率的测量，采用Pt100铂热电阻测温传感器作为变压器
绕组的温度采集模块，采用蜂鸣器作为信号故障报警模块，采用WINCC软件组建的触摸屏作为系统
的监控界面。系统的主要目的是通过变压器的温度、电参数（电压、电流、功率因数及频率）及外部环境
参数的采集实现对变压器参数的检测与监控功能，并根据其采集的参数，确定变压器是否处于正常运
行状态。
关键词：STM32；信号采集；WINCC；监控界面
中图分类号：TM774；TM63文献标志码：A文章编号：1671-8887（2021）02-0010-03
DOI：10.16786/2021.02.003
Design of Transformer Parameter Acquisition and
Monitoring System Based on Microcomputer Control
QIN Mian1,ZHONG Jianwei1,DONG Weiguang1,DAI Xiaojian2,
手机支撑架
TIAN Bo2,LONG Yuxue3,Yang Xiongwei3,Kong Zijie3
(1.School of Information Engineering,Hubei University for Nationalities,
Hubei Enshi445000,China;2.Enshi Power Supply Company,State Grid Hubei Electric
Power Company,Hubei Enshi445000,China;3.Hubei Yingfu Electric Power Co.,Ltd,
Hubei Enshi445000,China)
Abstract:This design mainly uses STM32MCU with low power consumption and high performance as
microcontroller,voltage transformer and current transformer as signal conversion and voltage and current
signal acquisition module,AD637conversion chip as signal converter,measurement of Power Factor and
Signal Frequency by Zero-crossing Comparator and XOR Gate Circuit,Pt100platinum thermal resistance
多元合金
temperature sensor is used as temperature acquisition module of transformer winding,buzzer is used as
signal failure alarm module,and touch screen formed by WINCC software is used as monitoring interface
of the system.The main purpose of the system is to detect and monitor transformer parameters according to
the acquisition of transformer temperature,electrical parameters(voltage,current,power factor and
frequency)and external environment parameters,and to determine whether the transformer is in normal
operation according to its acquisition parameters.
基金项目：光伏发电功率随机波动特性的时间尺度下推方法研究，国家自然科学基金（51177060）；10kV配点变压器在线监测及故障诊断装置的研究与开发，恩施州科技计划项目（D2*******）
作者简介：钟建伟（1972-），男（土家族），湖北恩施人，硕士，教授，主要从事电力系统运行与控制方面的研究；董伟广（1995-），男（汉族），安徽阜阳人，硕士生，主要从事电力系统运行与控制方面的研究。
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收稿日期：2019-08-26
Key words:STM32;signal acquisition;WINCC;monitoring interface
引言
配电变压器连接着高压输电线路与用户，用于分配电能，在电力系统中起着重要的作用。配电变压器是否正常工作，会对电力系统的安全性起至关重要的作用。如果配电变压器发生事故，会导致生产暂停或影响正常的设备，造成经济损失。利用单一的在线监测系统无法对变压器各种各样的问题进行检测。目前的研究趋势是开发能监测多种电力设备和能完整准确反映设备状态信息的综合在线监测分析系统。
本研究基于STM32F103ZET 6F 控制的变压器监测系统[1]
。将STM 32F103ZET6F 作为核心CPU 来控制信号的采集及处理，最后通过WINCC 实现对所采集参数的集中监控。在本系统的设计中包括信号处理器、温度采样信号单元、电压电流采样单元、信号变换单元、方波信号处理单元、通讯模块、警报模块、显示模块。1
变压器在线监测的系统结构
变压器参数采集及监控过程流程图如图1所示。将所得各信号利用STM32F 103ZET6F 处理器对所得电参数和温度参数进行判断是否处于正常值范围内，若所得数据处于异常状态可触发蜂鸣器报警。利用SIMATIC Wincc 人机图形界面软件制作了变压器在线监测的监控画面，通过其单片机与WINCC 间的通信功能将数据传送到WINCC 监控画面中，并且在上位机中能够制作界面故障报警显
示系统，可以实现二次报警功能，在应用中也可以实现多组变压器的终端控制[2-6]。
变压器在线监测的工作程序图如图2所示。调试过程中可以通过按键来实施系统的运行停止以及系统的复位功能。本设计系统会对所监测的变压器进行实时监测，根据所采集到的电压、电流以及温度等信号，自动识别判断数据是否处于异常值，做到异常值报警功能。温度传感器采集的温度信号和经AD 转换后的电压、电流数据以及经过波形变换电路处理过后得到的频率和功率因数发送到CPU 中，CPU 会根据获得的信息，将变压器相关电参数及温度数据保存[7]。本系统利用WINCC 软件制作了一个上位机界面能够更加方便地观察整个系统的运行状况。
2系统实现的总体设计
单片机属于低压器件，而所要采集的信号为高
压信号，所以需要利用互感器进行采集的同时将电压、电流信号进行变比处理以及设计滤波电路和放大电路来得到小信号值，以便AD 转换芯片接收转换，并且能够符合单片机的信号应用范围。在系统运行中，其负载端不一定是三相对称的状态，所以在接入时将电压、电流互感器接成Y0/Y0形，用以供给要求测量线电压的仪表和测量装置以及要求供给相电压的监察装置。
在得到电压、电流信号后，通过滤波放大电路
处理，
得到小信号的电压和电流。将小信号接入到
图1
变压器参数采集及监控系统结构图
图2变压器在线监测的工作程序图
AD637转换芯片中实现数据的转换，并将转换后数据发送到微控制器中进行储存。同时，为了得到变压器运行时的功率以及功率因数，系统采用了波形变换电路进行监测。该变换电路能够将正弦波转换到方波的同频率、同相位变换，方波的频率即为正弦波的频率。
气胀式救生衣将电压、电流正弦波信号变换成方波信号后，再利用变换后两路方波信号的相位差来获得电压与电流的相位差，对这个相位差进行处理就能够得到变压器输出侧的频率及功率因数。通过“异或”逻辑器件处理两路方波，当两路输入信号的电平不同时输出高电平，电平相同时输出低电平，一个周期内高电平的持续时间即为采集到的电压与电流的相位差。
使用Pt100温度传感器利用预埋温度计探头法对变压器的温度进行采集。整个系统完成参数检测后由微处理器处理，对变压器实时采集的数据进行分析，当信号处于异常值时系统能够触发报警信号。同时，由单片机处理器储存数据，并通过通信功能传送到上位机中进行二次监控管理。单片机采用R232通讯口进行通讯。因为WINCC软件中采用了modbus协议，所以在单片机程序中需要写入一个标准的modbus协议，以实现单片机与WINCC 之间的通讯，进而实现在WINCC软件中建立系统监控界面[8,10]。采用WINCC人机界面管理能够方便管理员对系统进行监测，并且WINCC内部的编程也能够实现对数据的二次分析，若发现数据异常能够产生二次预警的效果，有效地保证了系统的稳定运行。
3系统仿真结果
在WINCC监控画面中，首先设置根画面作为登录界面，只有当工作人员正确输入登录界面的用户名及密码时，才能够进入到系统的监控界面，可以防止系统数据的泄露。当进入系统监控界面后，监控人员可以观察到变压器运行的实时数据（电压、电流、温度、频率及功率因数等）。在监控界面下可以直接进入登陆界面中，而再次从登陆到监控时仍需要输入密码才能进入监控数据的界面。
4结论
本设计采用用单片机作为微控制器，与WINCC软件组建的触摸屏相结合实现了对数据的监控，整个监控画面清晰明确，可在实现多组变压器监控上有着较好的应用。
参考文献：
[1]甄力.基于STM32的电力数据采集系统的设计和实现[J].通讯
世界,2016(24):216-217.
[2]苏鸿敏.基于WINCC环境下的循环水监控系统[J].冶金动力,
2018(9):61-62,66.
[3]隋斌，刘伟.基于SIMATIC WinCC开发的智能化变配电监控系
统[J].现代建筑电气,2018,9(11):21-23.
[4]柴晓彤，汪亮，王永庆，等.基于STM32F103单片机的单泵运行参
数数据采集系统[J].真空,2018,55(5):15-18.
[5]常俸瑞，刘超.基于STM32的电力数据采集装置设计[J].自动化
技术与应用,2019,38(3):148-152.
[6]季力.基于STM32芯片的电参数测量与数据传输[J].自动化与葡萄酒电动开瓶器
仪器仪表,2010(3):137-139.
[7]孟强.基于STM32的数据采集系统设计[D].南京林业大学,
2014.
[8]林填达，张泉宏，曾敏，等.基于Modbus协议的STM32与触摸屏
通讯的实现[J].自动化与仪表,2015,30(8):45-48.
[9]曲鸣飞，张鑫.单片机与触摸屏通讯系统设计——基于Modbus
协议[J].中国新通信,2019,21(4):49.
[10]王旭，吴栋，董庆源.基于Modbus协议的触摸屏与单片机通讯
控制[J].电子制作,2015(9):9.
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