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[摘要]大型变压器长距离运输存在众多的安全风险，对电网的健康安全运行有重要的影响。为实现对变压器运输过程监控，保障性能，需要提高变压器运输质量管理的系统化和信息化水平。文章分别从监控中心、通信中心、监测终端和集中控制器四个系统架构层次出发，初步设计了基于可视化的变压器运输质量监测监控管理平台。该监控管理平台能实现变压器关键参数运输状态数据的实时监控，运输危险状态报警和趋势分析，监控变压器运输的实时状态，为保证设备运输质量提供有力保障。
[关键词]变压器；运输；可视化；监控平台
[DOI]1013939/jcnkizgsc201726130
1引言
随着我国能源结构调整，西南地区将规划建设大型变电（换流）站等基数设施。这些工程涉及大型变压器长距离运输。变压器在运输方式有公路、铁路、水运以及它们之间两种或者三种方式的组合，运输和换装过程中不可避免地会受到颠簸、冲击、倾斜等。这些风险因素如果超出规定值，就会造成变压器内部结构损伤，给产品质量和工程按期投运带来极大影响。
因此，需要建立可视化的变压器运输质量监测监控管理平台。该管理平台具备以下主要功能：一是影响安全的主要参数在运输中实时远传监控；二是运输危险状态报警，提示承运人员准备安全保障措施。
2运输过程监测系统研究现状
20世纪70年代屡次出现变压器受运输冲击影响，致使变压器使用寿命大幅度缩短。20世纪80年代后，我国提出的《三相油浸式电力变压器技术参数和要求》的方案规定：220KV变压器运输需安装封闭式冲击震动记录仪。在《电气装置安装工程电力变压器、油浸电抗器、互感器施工及验收规范》中，规范了大型变压器运输要求，提出了冲击加速度、压力（充氮运输）、倾斜度等运输安全参数。尤其在近年我国特高压交直变压器运输，提出了更高的安全运输要求。
运输远程监控系统在物流行业已经进行了初步尝试。随着“互联网+”的兴起，主要使用在以下领域：装箱运输集中监控、奶源运输远程监控、危险品运输远程监控、危重物品运输监控等。随着我国特高压工程快速发展，特高压变压器运输的远程监控引起电网公司的重视。目前对于大型变压器运输过程监控主要是利用其他行业运输监测系统。但由于行业背景不同，在适用性上只能满足部分变压器运输的新需求。其他行业运输过程的监测系统应用的功能如表1所示。
从表1可以看出，由于行业要求不同，变压器生产厂家和用户很难实时掌握变压器运输过程中的以下信息：一是运输路线；二是当前地理位置；三是行驶速度；四是三轴加速度；五是双轴倾斜角度；六是氮气压力；七是驾驶员驾驶状态；八是大型车组运行实时路况等重要信息。这些信息对于厂家了解变压器运输安全和用户安排施工进度是非常重要的。另外，在设备运输到达现场后才能查看，对发现的设备故障，运输质量无法判定，相关责任难以界定。
3系統架构设计
参考国内类似可视化平台基本理论，大型变压器运输质量监测可视化监控管理平台由四个部分组成，分别为监测终端、集中控制器、通信中心和远程监控中心，其总体系统架构见下图。
监控中心是整个系统数据的汇集及管理中枢；通信中心是信息传输公共平台；监视终端和集中控制器通过ZigBee技术构成了物联网智能传感网络，共同完成运输技术参数采集。系统通过控制集中控制器，可智能识别终端设备，增减监测终端数量，完成网络组建。监测终端主要负责采集运输过程中的相关参数（冲击和振动加速度、车体倾斜角度、充氮压力等），并通过物联网传输到集中控制器。通过以上信息采集、传输、反馈等对大型变压器运输过程中各项安全指标进行实时监视和管理，确保整个运输过程在可控范围内实施。
系统架构图
31监控中心设计
监控中心是整个系统的中枢，由无线网关路由器、多个服务器和防火墙等设备组成。它的作用是在运输过程中，记录全程线路、数据，并对运输安全状态进行实时评定；在运输结束后，对全程运输数据分析，对运输质量评定，并保存完整的记录数据。
监控中心的设计需要结合变压器运输安全管理流程和所需功能完成：一是梳理电力设备运输的参与者和管理流程，录入运输计划和方案、运输安全在线监测和预警报警、运输后的状态记录永久追溯和运输质量的量化评价等，实现信息维护、数据查询等功能；二是将分散信息整合到平台中，运输过程形成有效的计划、执行、检查、处理管理循环；三是结合设备运输参与者，按照运输时间发生顺序，实现大型变压器运输质量的在线管控。
电网公司、设备厂商、运输企业可通过设定专用通道查询、调取相应内容比如运输计划、运输信息、变压器在途安全信息、运输车辆和运输路线等信息。运输结束后还可以调取不同时间和地点行车路线和传感器数据等信息。
32通信中心设计
通信中心的设计主要通过变压器本体和车辆监测信息的汇总集中，预期实现的功能主要功能有：一是向随车同行作业人员提供变压器本体实时运输状态数据，对危险状态实时报警，该信息可根据需要实现短距离的可靠传输；二是采用GPRS 网络信息传输技术，将状态信息远传至远程监控中心和相关负责人员；三是可采用GPS 技术，将车辆的实时地理位置信息每分钟（根据需要调整）传送给远方监控中心。
利用监测装置和远程监控中心对变压器的运输全过程进行了实时监测和控制，主要包括以下内容：一是运输基本情况：运输路线、行驶速度、车辆实时地理位置定位等；二是变压器本体内部气体压力、倾斜角度、纵向和横向及垂直加速度的实时数值；三是预警次数、超限次数、氮气瓶压力和气瓶更换情况等。
该系统采取一体化设计，在生产厂家统一集中部署、统一分析和存储，实现业务流程、管理标准与指标体系有机集合，实现变压器台账信息、车辆信息、状态监测信息、调度计划信息的处理和信息展现有机融合。 33监测终端设计
监测终端是运输过程中安全和技术指标的检测装置，主要由各类传感器组成。检测内容包括：车辆行驶速度和变压器冲击加速度、倾斜角度、内部充氮压力等参数，进行实时显示分析，提醒相关人员执行正确操作，保证大型变压器的运输安全。
检测终端检测到数传输到数据集中控制器。目前数据传输采用ZigBee收发器CC2530通过遥控方式开启。稳压电路将电池的电压转换为系统各部件所需的电源电压。各种传感器负责采集变压器运输过程中的监测状态参数，运输过程中影响变压器安全和质量的主要因素包括：冲击加速度值（三轴加速度）、倾斜角度、充氮压力（充氮运输）、运输实时观测和车辆行驶速度等。
331冲击振动传感器
冲击振动传感器是测量变压器运输冲击加速度的传感器，要求具有性能稳定、精度高、温漂小、结构紧凑、安装方便等特点；并且实现全程监测，实时预警的功能。冲击振动传感器采用三线制数字输出，可通过协议发送指令控制。
冲击振动处理器定期向传感器发送釆集指令，然后通过电路向处理器发送冲击振动数据。目前，常用冲击振动器可测三轴±8g以内的加速度值。传感器的釆集时间间隔可根据需求设置，传感器可将三轴（X，Y，Z）加速度的绝对最大值记录，并可求出最大值、最小值、平均值和三轴矢量和。变压器运输过程中，水平冲击加速度不大于3g，垂直冲击加速度不超过2g。根据变压器需要，在箱体内外装有多个冲击记录仪，要求每个冲击记录仪测定值都不超标。
332氮气压力传感器
变压器完成实验后，需放空变压器油并在油箱内注入高纯氮气（纯度为 999%以上，露点为-35℃）。在运输过程中，由于氮气有小量泄露，需要随时准备补充注入合格气体，以保证箱内压力在 20kPa～30kPa内。
氮气压力传感器对数据进行保存和处理。常用的传感器可测定0～100kPa内气体压力。氮气压力传感器与处理器之间采用RS485串口通信，可以输出1～5V信号，在B和A接入电阻R13，可以增强其抗干扰能力，防止处理器收到乱码。
333倾斜角传感器
特高压变压器公路运输时，本体沿长轴、短轴方向倾斜分别不大于15°和10°；水路运输时，本体倾斜角度不大于15°。目前，ZCT245AN-232双轴倾角传感器具有体积小、重量轻、测角范围±45°等优点，便于安装和数据传输。
334全程视频观测
目前，变压器厂家要求变压器主体运输时必须对运输过程全方面进行监控。影像资料保存并作为付款依据。为满足需要，大件运输前将便携式监控摄像头连接在专用车辆上（12V电源），全程检测变压器运输实况。
335其他检测设备
根据生产厂家和用户的需要，可以增加其他监控设备，保证变压器安全、质量和紧急事态预防。比如驾驶员状态监视器，由近红外线照相机和ECU构成。该装置安装在遮光板的正下方，近红外线照相机定期拍摄出驾驶者画像，然后通过ECU对驾驶员脸的方向和眼睛开合状态等进行解析，发现驾驶者持续眼睛处于闭合状态，该系统就会自动提示驾驶员。
34集中控制器设计
集中控制器有两个功能：一是将实现各终端传感器的集中管控；二是监测数据的实时汇集、处理、数据上送和指令接收等功能。集中控制器由软件和硬件两部分组成。软件分为应用层、框架层、驱动层，是智能传感网络和监控中心的接口负责从监控中心接收命令，同时把各种监测数据发送给监控中心。硬件部分构成见表2。
4系统可视化功能说明
根据特高压变压器运输安全需要，监测系统的可视化功能分为以下几个部分：运输线路可视化、运输计划任务进度可视化、运输实时状态数据及历史回放可视化和可见光视频及照片数据可视化。详见表3。
定位模块，按照设定的时间间隔对地理位置进行采样定位，定位信息一方面在随运输车辆实时就地显示，另一方面通过GPRS通信将地理位置信息实时远传至监测中心，在监测中心地图上，实时显示变压器各种运输位置信息。在此基础上，根据GPS和北斗定位信息，实时计算运输车辆的行驶速度
4
其他信息
三轴冲击加速度值、变压器内部气体压力值、补气装置气体压力值、自动补气动作信息、倾斜角度值及车辆行驶速度等信息，通过GPRS远传至储存与运输状态监测后台，并进行相关数据的展示与发布
5结论及建议
第一，回顾了国内外对于大型设备运输监测系统的研究现状；结合特高压变压器安全运输特性，指出重点监测项目指标，如冲撞加速度、氮气压力、自动补气、全程视频监视等。
第二，本文初步介绍了基于可视化的变压器运输监控平台；并结合系统架构设计，从结构和功能上分析了监控中心、通信中心、监测终端和集中控制器。
第三，基于可视化的变压器运输监控平台设计是一个复杂系统工程，需要人员和设备较大投入。要完全实现该可视化平台功能，需要电网公司、变压器生产厂家和承运单位共同推动。
参考文献：
[1]郭小龙大型电力变压器在途监控与安全状况分析研究[D].太原：太原理工大学，2014.
[2]李勇，严兆楠，孙树波，等特高压交流变压器解体运输及现场组装技术研究[J].变压器，2016（7）：17-21
[3]秦伟，李笋，李川，等基于无线网络技术的电力变压器运输远程监测系统[J].变压器，2016（6）：29-34
[4]梁利生基于阶梯退避算法的大型电力设备实时在途监控与应用[D].太原：太原理工大学，2014.
[5]钱荔变压器运输中的三维加速度监测系统研究[D].南京：南京师范大学，2015
[6]刘静，李兴举，黄细洋大件公路运输桥式车组技术方案设计——以500千伏三堡变电站主变压器运输为例[J].物流技术，2013（21）：269-271
[7]张国兵，张文亮特高压变压器运输冲击加速度控制与安全裕度评估[J].高电压技术，2010（1）：290-295
[8]胡劲松，张映桢，葛明，等锦屏特高压换流站换流变压器型式选择与大件运输研究[J].电力设备，2008（10）：28-30
[作者简介]冷传波，中国南方电网有限责任公司超高压输电公司；郭锡文，中特物流有限公司；肖毅，中特物流有限公司；蔡伟龙，中国南方电网有限责任公司超高压输电公司；李文涛，中国南方电网有限责任公司超高压輸电公司。
[关键词]变压器；运输；可视化；监控平台
[DOI]1013939/jcnkizgsc201726130
1引言
随着我国能源结构调整，西南地区将规划建设大型变电（换流）站等基数设施。这些工程涉及大型变压器长距离运输。变压器在运输方式有公路、铁路、水运以及它们之间两种或者三种方式的组合，运输和换装过程中不可避免地会受到颠簸、冲击、倾斜等。这些风险因素如果超出规定值，就会造成变压器内部结构损伤，给产品质量和工程按期投运带来极大影响。
因此，需要建立可视化的变压器运输质量监测监控管理平台。该管理平台具备以下主要功能：一是影响安全的主要参数在运输中实时远传监控；二是运输危险状态报警，提示承运人员准备安全保障措施。
2运输过程监测系统研究现状
20世纪70年代屡次出现变压器受运输冲击影响，致使变压器使用寿命大幅度缩短。20世纪80年代后，我国提出的《三相油浸式电力变压器技术参数和要求》的方案规定：220KV变压器运输需安装封闭式冲击震动记录仪。在《电气装置安装工程电力变压器、油浸电抗器、互感器施工及验收规范》中，规范了大型变压器运输要求，提出了冲击加速度、压力（充氮运输）、倾斜度等运输安全参数。尤其在近年我国特高压交直变压器运输，提出了更高的安全运输要求。
运输远程监控系统在物流行业已经进行了初步尝试。随着“互联网+”的兴起，主要使用在以下领域：装箱运输集中监控、奶源运输远程监控、危险品运输远程监控、危重物品运输监控等。随着我国特高压工程快速发展，特高压变压器运输的远程监控引起电网公司的重视。目前对于大型变压器运输过程监控主要是利用其他行业运输监测系统。但由于行业背景不同，在适用性上只能满足部分变压器运输的新需求。其他行业运输过程的监测系统应用的功能如表1所示。
从表1可以看出，由于行业要求不同，变压器生产厂家和用户很难实时掌握变压器运输过程中的以下信息：一是运输路线；二是当前地理位置；三是行驶速度；四是三轴加速度；五是双轴倾斜角度；六是氮气压力；七是驾驶员驾驶状态；八是大型车组运行实时路况等重要信息。这些信息对于厂家了解变压器运输安全和用户安排施工进度是非常重要的。另外，在设备运输到达现场后才能查看，对发现的设备故障，运输质量无法判定，相关责任难以界定。
3系統架构设计
参考国内类似可视化平台基本理论，大型变压器运输质量监测可视化监控管理平台由四个部分组成，分别为监测终端、集中控制器、通信中心和远程监控中心，其总体系统架构见下图。
监控中心是整个系统数据的汇集及管理中枢；通信中心是信息传输公共平台；监视终端和集中控制器通过ZigBee技术构成了物联网智能传感网络，共同完成运输技术参数采集。系统通过控制集中控制器，可智能识别终端设备，增减监测终端数量，完成网络组建。监测终端主要负责采集运输过程中的相关参数（冲击和振动加速度、车体倾斜角度、充氮压力等），并通过物联网传输到集中控制器。通过以上信息采集、传输、反馈等对大型变压器运输过程中各项安全指标进行实时监视和管理，确保整个运输过程在可控范围内实施。
系统架构图
31监控中心设计
监控中心是整个系统的中枢，由无线网关路由器、多个服务器和防火墙等设备组成。它的作用是在运输过程中，记录全程线路、数据，并对运输安全状态进行实时评定；在运输结束后，对全程运输数据分析，对运输质量评定，并保存完整的记录数据。
监控中心的设计需要结合变压器运输安全管理流程和所需功能完成：一是梳理电力设备运输的参与者和管理流程，录入运输计划和方案、运输安全在线监测和预警报警、运输后的状态记录永久追溯和运输质量的量化评价等，实现信息维护、数据查询等功能；二是将分散信息整合到平台中，运输过程形成有效的计划、执行、检查、处理管理循环；三是结合设备运输参与者，按照运输时间发生顺序，实现大型变压器运输质量的在线管控。
电网公司、设备厂商、运输企业可通过设定专用通道查询、调取相应内容比如运输计划、运输信息、变压器在途安全信息、运输车辆和运输路线等信息。运输结束后还可以调取不同时间和地点行车路线和传感器数据等信息。
32通信中心设计
通信中心的设计主要通过变压器本体和车辆监测信息的汇总集中，预期实现的功能主要功能有：一是向随车同行作业人员提供变压器本体实时运输状态数据，对危险状态实时报警，该信息可根据需要实现短距离的可靠传输；二是采用GPRS 网络信息传输技术，将状态信息远传至远程监控中心和相关负责人员；三是可采用GPS 技术，将车辆的实时地理位置信息每分钟（根据需要调整）传送给远方监控中心。
利用监测装置和远程监控中心对变压器的运输全过程进行了实时监测和控制，主要包括以下内容：一是运输基本情况：运输路线、行驶速度、车辆实时地理位置定位等；二是变压器本体内部气体压力、倾斜角度、纵向和横向及垂直加速度的实时数值；三是预警次数、超限次数、氮气瓶压力和气瓶更换情况等。
该系统采取一体化设计，在生产厂家统一集中部署、统一分析和存储，实现业务流程、管理标准与指标体系有机集合，实现变压器台账信息、车辆信息、状态监测信息、调度计划信息的处理和信息展现有机融合。 33监测终端设计
监测终端是运输过程中安全和技术指标的检测装置，主要由各类传感器组成。检测内容包括：车辆行驶速度和变压器冲击加速度、倾斜角度、内部充氮压力等参数，进行实时显示分析，提醒相关人员执行正确操作，保证大型变压器的运输安全。
检测终端检测到数传输到数据集中控制器。目前数据传输采用ZigBee收发器CC2530通过遥控方式开启。稳压电路将电池的电压转换为系统各部件所需的电源电压。各种传感器负责采集变压器运输过程中的监测状态参数，运输过程中影响变压器安全和质量的主要因素包括：冲击加速度值（三轴加速度）、倾斜角度、充氮压力（充氮运输）、运输实时观测和车辆行驶速度等。
331冲击振动传感器
冲击振动传感器是测量变压器运输冲击加速度的传感器，要求具有性能稳定、精度高、温漂小、结构紧凑、安装方便等特点；并且实现全程监测，实时预警的功能。冲击振动传感器采用三线制数字输出，可通过协议发送指令控制。
冲击振动处理器定期向传感器发送釆集指令，然后通过电路向处理器发送冲击振动数据。目前，常用冲击振动器可测三轴±8g以内的加速度值。传感器的釆集时间间隔可根据需求设置，传感器可将三轴（X，Y，Z）加速度的绝对最大值记录，并可求出最大值、最小值、平均值和三轴矢量和。变压器运输过程中，水平冲击加速度不大于3g，垂直冲击加速度不超过2g。根据变压器需要，在箱体内外装有多个冲击记录仪，要求每个冲击记录仪测定值都不超标。
332氮气压力传感器
变压器完成实验后，需放空变压器油并在油箱内注入高纯氮气（纯度为 999%以上，露点为-35℃）。在运输过程中，由于氮气有小量泄露，需要随时准备补充注入合格气体，以保证箱内压力在 20kPa～30kPa内。
氮气压力传感器对数据进行保存和处理。常用的传感器可测定0～100kPa内气体压力。氮气压力传感器与处理器之间采用RS485串口通信，可以输出1～5V信号，在B和A接入电阻R13，可以增强其抗干扰能力，防止处理器收到乱码。
333倾斜角传感器
特高压变压器公路运输时，本体沿长轴、短轴方向倾斜分别不大于15°和10°；水路运输时，本体倾斜角度不大于15°。目前，ZCT245AN-232双轴倾角传感器具有体积小、重量轻、测角范围±45°等优点，便于安装和数据传输。
334全程视频观测
目前，变压器厂家要求变压器主体运输时必须对运输过程全方面进行监控。影像资料保存并作为付款依据。为满足需要，大件运输前将便携式监控摄像头连接在专用车辆上（12V电源），全程检测变压器运输实况。
335其他检测设备
根据生产厂家和用户的需要，可以增加其他监控设备，保证变压器安全、质量和紧急事态预防。比如驾驶员状态监视器，由近红外线照相机和ECU构成。该装置安装在遮光板的正下方，近红外线照相机定期拍摄出驾驶者画像，然后通过ECU对驾驶员脸的方向和眼睛开合状态等进行解析，发现驾驶者持续眼睛处于闭合状态，该系统就会自动提示驾驶员。
34集中控制器设计
集中控制器有两个功能：一是将实现各终端传感器的集中管控；二是监测数据的实时汇集、处理、数据上送和指令接收等功能。集中控制器由软件和硬件两部分组成。软件分为应用层、框架层、驱动层，是智能传感网络和监控中心的接口负责从监控中心接收命令，同时把各种监测数据发送给监控中心。硬件部分构成见表2。
4系统可视化功能说明
根据特高压变压器运输安全需要，监测系统的可视化功能分为以下几个部分：运输线路可视化、运输计划任务进度可视化、运输实时状态数据及历史回放可视化和可见光视频及照片数据可视化。详见表3。
定位模块，按照设定的时间间隔对地理位置进行采样定位，定位信息一方面在随运输车辆实时就地显示，另一方面通过GPRS通信将地理位置信息实时远传至监测中心，在监测中心地图上，实时显示变压器各种运输位置信息。在此基础上，根据GPS和北斗定位信息，实时计算运输车辆的行驶速度
4
其他信息
三轴冲击加速度值、变压器内部气体压力值、补气装置气体压力值、自动补气动作信息、倾斜角度值及车辆行驶速度等信息，通过GPRS远传至储存与运输状态监测后台，并进行相关数据的展示与发布
5结论及建议
第一，回顾了国内外对于大型设备运输监测系统的研究现状；结合特高压变压器安全运输特性，指出重点监测项目指标，如冲撞加速度、氮气压力、自动补气、全程视频监视等。
第二，本文初步介绍了基于可视化的变压器运输监控平台；并结合系统架构设计，从结构和功能上分析了监控中心、通信中心、监测终端和集中控制器。
第三，基于可视化的变压器运输监控平台设计是一个复杂系统工程，需要人员和设备较大投入。要完全实现该可视化平台功能，需要电网公司、变压器生产厂家和承运单位共同推动。
参考文献：
[1]郭小龙大型电力变压器在途监控与安全状况分析研究[D].太原：太原理工大学，2014.
[2]李勇，严兆楠，孙树波，等特高压交流变压器解体运输及现场组装技术研究[J].变压器，2016（7）：17-21
[3]秦伟，李笋，李川，等基于无线网络技术的电力变压器运输远程监测系统[J].变压器，2016（6）：29-34
[4]梁利生基于阶梯退避算法的大型电力设备实时在途监控与应用[D].太原：太原理工大学，2014.
[5]钱荔变压器运输中的三维加速度监测系统研究[D].南京：南京师范大学，2015
[6]刘静，李兴举，黄细洋大件公路运输桥式车组技术方案设计——以500千伏三堡变电站主变压器运输为例[J].物流技术，2013（21）：269-271
[7]张国兵，张文亮特高压变压器运输冲击加速度控制与安全裕度评估[J].高电压技术，2010（1）：290-295
[8]胡劲松，张映桢，葛明，等锦屏特高压换流站换流变压器型式选择与大件运输研究[J].电力设备，2008（10）：28-30
[作者简介]冷传波，中国南方电网有限责任公司超高压输电公司；郭锡文，中特物流有限公司；肖毅，中特物流有限公司；蔡伟龙，中国南方电网有限责任公司超高压输电公司；李文涛，中国南方电网有限责任公司超高压輸电公司。