一种油温检测和油液位监测装置的设计
配电变压器是配电网电能运输的重要组成部分，它的作用是进行电压的变换和电能的分配和传输。配电变压器一旦出现了问题，就会造成很大的影响，如果不能及时迅速的维修和完善，就可能会造成极大范围内且长时间停电，这个不仅会给居民日常生活和工农业生产带来严重的影响，更有甚者可能造成严重的危害。运行之中的变压器的异常主要分为6种：分别是声音异常，温度异常，油位异常，外表异常，颜色、气味异常，变压器过负荷。其中，油浸式变压器温度和绝缘油油面高度是判断温度异常和油位异常的评判标准，这个也是保证变压器正常运行的重要组成部分。
而对于温度的检测操作比较容易并且一般情况下检测结果也是比较准确，通过对于温度信号的检测就可以十分清晰的检测出变压器的运行状态。目前常用的变压器冷却控制装置大部分都是使用传统的继电器，并且人工来控制温度控制器机械触电的开闭，驱动交流接触器的线圈，从而接通冷却器。然而这种方式自动化程度低，易因风机群同时启动而电流过大[12]。若配电变压器发生过热故障或绝缘油流出致使短路而毁损，一方面会影响用户的用电，另一方面也会造成用户恐慌，影响人民对于国家电力工程质量的信心。因此实现对变压器运行状态中的温度及油液液位进行实时监测和故障定位，对于保障配电网的稳定运行起着关键作用[1]。而且我国占地面积极大，电网多为辐射型网络，变压器安装数量多且密集、事故发生多、检修停电范围过大。所以对于配电变压器，尤其是农村的配电变压器进行在线监测，是智能电网建设的重要组成部分。配电网中大量使用的油浸式配电变压器，目前大部分都是采用油浮式机械油位指示器和机械温度计，目前无法对油位和油温等非电量进行在线监测以及数据远传，只能依靠人工巡回检查，依靠眼睛来完成检查，巡检难度之高以至于漏检率居高不下[5]。针对上述情况，为了减少更换次数，应该建造一个油位和油温的监测装置，而目前最广为人知的方法中，热监测是最有效的方法之一，它提供了有关老化和过载能力的有效信息，在这一领域热点温度是监督方面的一个非常重要的参数，许多研究人员认为热点温度是油箱顶部有温升高和额定电流下热点之油箱内的梯度之和【9】。所以就很有必要去创造出来一种油浸式变压器温度及油液液位监测装置，该装置采用超声波穿透技术在不破坏变压器缸体前提下可探测出变压器内部是否存在油液，不锈钢封装的温度传感器能测量出变压器缸体温度变化，2.4G无线通信模块能够实时将变压器缸体温度和油液液位信息传输至上位机，上位机设备通过GSM移动通讯模块将相关所有下位机监测装置回传的温度和液位信息以文字短信形式传送至用户终端设备[1]。
监测装置总体设计方案分为下位机和上位机两部分，其中下位机主要用于实时监测变压器温度和缸体内部油液液位的变化，并通过无线通信模块向上位机发送相关监测数据，其硬件电路设计方案主要以STC89C51单片机为核心处理器，超声波液位探测传感器探测变压器内部油液下限位置是否存在油液，DS18B20温度传感器测量变压器外壳温度，LCD1602液晶显示器显示相关测量数据，2.4G无线通信模块NRF24L01实时将测量数据发送至上位机等作为主要构成部分。上位机起到中继汇总的功能，其通过无线模块接收和汇总多个下位机发来的监测数据，并向用户终端发送监控数据，如果油位或者油温超过了设定的标准，则led灯亮且响起警报，给工作人员以提醒，其硬件电路设计方案采用与下位机型号一致的核心处理器、显示器和无线通信模块，GSM移动通讯模块等作为主要构成部分[1]。
超声波作为监测油位和油温装置中获得油位数据的方法随着电子计算机、光纤、超声波等高科技技术的发展，出现了种类多样的液位测量手段。但是一般的超声波液位检测是需要在容器顶端开口，将传感器安装在溶液的上方，通过计算声波在溶液上方气体中的传播时间间接得出溶液液位。但是对于容器开孔会破坏容器的结构性和气密性的这种运用超神波的方法，不能用于安全要求高，且危险性高的配电配压器中，同时液体的挥发也会使得超声波难以准确的判断出气液的分界面，对于测量结果也会造成较大的误差。针对以上问题就需要选择一款专门针对密封容器内部液位液位进行准确测量的非接触式超声波液位传感器[4]。非接触式超声波液位传感器就是由探头发出信号波，信号波遇到被测液面介质和空气临界面时再被反射，一些反射回来的信号波被原发射信号的探头接收，之后将此信号进行转换为所需要的电路信号。超声波信号波以声波速度传播，从发射出去再到接收回来所需时间间隔与探头到被测液面介质表面的距离成正比。此长度值H与声速V和传输时间T之间的关系可以用公式表示：H=Vtimes;T/2[4]。这也是利用了超声波对固体介质具有较强的穿透作用，能穿过一般钢材料制作的容器壁进入液态介质中的特性，将超声波传感器安装在容器外壁的底部，当声波透过容器壁在被测液体、气体中传播时，会在界面发生反射，根据其穿越固液、气液２个界面的时间差及其在被测液体中的传播速度，可计算出被测液位的高度。通过超声波传感器发射一束超声波，超声波一部分穿过容器的外壁，传播进入容器内的液体中，向上传播，到达液面后再被发射回来，并再次穿透外壁被换能器接收，测量出脉冲超声波来回的传输时间，就可以求出相应的液位[11]。
硬件电路的设计是整个油位和油温监测的基础，也是整个系统的核心内容。系统的硬件设计主要包括单片机、GSM模块、无线收发模块、报警模块和液晶数据显示模块。下面分别介绍STC89C51单片机和GSM模块。本系统硬件的核心控制器采用的是宏晶科技生产的支持在线编程的STC89C51系列单片机，它具有超低功耗、体积小、价格低、抗干扰能力强、运算速度快的优点，拥有丰富的I/O口资源，工作温度范围：（-40～＋85）℃，完全兼容在Keil平台软件程序开发环境，是一种损耗低、性能优异、带有８Ｋ字节Flash程序存储器的CMOS8位微处理器，符合本系统对于控制器的性能、I/O口资源及环境的要求。本系统采用的GSM模块是SIMCom公司生产的紧凑型GSM／GPRS模块SIM900A，采用表面组装技术（surfacemountingtechnology，SMT）封装，可以内置用户应用程序，易于客户生产加工，支持双频，支持短信息、数据通信、语音传输等服务，具有体积小、功耗低、集成度高、传输速率快等优点。SIM900A通信模块通过串行接口与５１单片机进行通信，主要通过串口传输标准的AT命令对模块进行控制，进行各种无线通信功能。当接收到报警指令时，GSM模块立刻启动[4]。无线收发器采用Nordic公司生产的NRF24L01芯片。NRF24L01是世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片，采用FSK调制，内部集成Nordic自己的EnhancedShockBurst协议。NRF24L01集收发功能于一体，在设计电路时，包括两块NRF24L01电路板，通过不同的程序可以控制芯片分别完成接收和发送的功能。为了方便用户使用，Nordic公司将NRF24L01芯片的典型外围电路集成到一块PCB板上，只留出序号为１～８的控制信号、数据信号及VDD与VSS信号引脚，方便用户使用单片机进行控制。NRF24L01是一款单片射频收发器,工作在世界通用的2.4-2.5GHzISM频段。接收模式下能同时接收六路数据[3]。无线收发芯片NRF24L01可通过硬件或软件模拟SPI接口对进行配置,能兼容无SPI外设的MCU。通过SPI配置无线收发模式、工作频道、发送输出功率、天线增益、发送和接收地址等功能,实现无线数据收发。NRF24L01功耗低,在0dBm输出功率的发送模式下,电流消耗仅为11.3mA,很好地满足了无线传感器网络对低功耗的需求[3]。
温度检测模块用于实时监测周围环境的温度，该模块由DS18B20数字温度传感器和一个上拉电阻组成。温度传感器DS18B20是由美国DALLAS公司生产的单总线、数字化温度传感器，具有体积小、精度高、功耗低、测量范围宽、抗干扰能力强等优点。显示模块的主要作用是实时显示监测到的周围环境温度。本设计用LCD1602字符型LCD来实现。字符型LCD1602是一种专门用于显示字母、数字、字符等ASCII码的显示器，该显示器采用软封装，接口为标准的SIP16引脚，分电源、通信数据和控制3部分，可以很方便地与单片机进行连接。在采取远程视频监测时，考虑到视频中听不到任何声音，所以采用LED灯的亮和灭来标识温度是否超限。LED灯亮表示温度超限，LED灭表示温度在正常的范围[2]。
远程用户界面远离检测器定位，使得远程用户界面不暴露于检测器处的环境条件，远程用户界面与测试控制模块通信，其中远程用户界面可操控以从测试控制模块接收检测信号并输出可辨别的信号，该信号可操作以指示传感器是否在工作[10]。
油浸式配电变压器温度及油液液位监测装置具有无接触测量、实时监测回传结果、功能模块相互独立等优点。通过对该监测装置的应用，可实现配电变压器油位和油温的有效在线监测[1]。油温和油位监测装置的无源无线特性保证了传感器安装后设备免维护以及足够的电气安全[5]。
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