1. 引言
直流电阻测试通常用于检查变压器绕组的接线、绝缘以及潜在的绕组故障[1]，可以评估变压器绕组的电气性能和可靠性。电力变压器是电力系统中至关重要的设备，其安全稳定运行对于整个电网的可靠性具有重要影响。在变压器的各种预防性试验中，直流电阻测试是评估其绕组状况的有效手段之一。
在开展变压器例行检修试验时，往往需要现场试验人员手动调档，在所有分接档位处测量试验数据，根据测试结果进行打磨除锈，如此重复测量数据多轮，直到试验数据合格。调档过程中，除试验人员和监护人员外，还需派专人进行调档操作，专职负责手动操作变压器有载调压机构上的调档旋钮，并根据变压器档位显示面板观察变化判断当前档位，这种调档方式效率较低，且会增加人力成本。随着电力系统的发展和对供电可靠性要求的提高，实现变压器直流电阻测试的自动化变得尤为迫切。
在直流电阻自动测试方法方面，国内外已有相关研究。2016年唐琪等设计了一种主变有载分接开关遥控调档装置，测试过程不需要专门的调档人员，提高了直流电阻试验的效率[2]。2017年贵阳供电局的靳斌设计了一种远程切换变压器档位的装置，其采用多接点控制器实现了远程有线档位切换[3]。2022年邹浪通过使用BCD码实现了对变压器档位监控的功能[4]。2022年华翔翔能科技公司公布专利《一种配电变压器分接开关自动调档装置》，通过螺纹杆、电机和旋转套相配合，从而实现配电变压器分接开关自动跳档[5]。2023年深圳供电局公开的专利《一种用于变压器试验的调档监控装置及系统》，提出了一种变压器调档装置，其执行器在接收到控制器发出的调档指令后，驱动档位调节旋钮旋转，从而实现变压器档位的切换[6]。2023年黄博设计了一种更加安全的变压器档位控制系统，解决了调档不成功和非正常调档的问题[7]。目前已有自动调档装置从不同的方面进行了改进，但是有的调档方式涉及较为复杂的机械结构，不适合复杂多变场景下的应用，有的易受安装位置、运行环境影响，影响试验数据准确性，不够智能化。
基于以上背景，本文提出了一种有载变压器直流电阻自动测试系统的设计方案。该系统能够自动识别变压器的档位，并通过远程调节实现档位的自动切换，从而减轻试验人员的劳动强度，提高测试效率和准确性。
2. 系统硬件设计
有载变压器直流电阻自动测试系统由自动调档装置执行端和自动调档装置远程端两部分组成，如图1所示。
Figure 1. Overall system design
图1. 系统总体设计
为满足远程遥控调档的需求，该装置设计为“调档执行机构”与“远程控制机构”两大部分。调档执行机构直接安装于有载分接开关上，承担着执行调压命令及采集、处理图像数据的重任。它不仅能够接收来自远程控制端的调压指令，还能将处理后的图像数据回传给远程控制端，并具备图像数据的存储功能，以确保调档过程的准确性与可追溯性。远程控制端则由试验人员操作，负责发出调压命令、接收并显示调档机构传回的图像数据，从而实现远程监控与调控。
在调档执行机构的设计中，特别选用了杰锐微通公司的HF899图像传感器模组作为图像采集的核心。这款传感器以其小巧的体积、低电压运行以及广角130度无畸变摄像头与影像处理器功能于一体的优势，成为现场试验的理想选择。在摄像头传感器上增加补光灯，确保在各种光照条件下都能准确捕捉图像。通过摄像头模块实时采集当前变压器档位的图像数据。香橙派处理器接收并使用YOLOv8算法处理这些图像，分析得到当前的档位。香橙派通过串口通信接口将档位数据传送至本端ESP32模块。本端ESP32模块利用其WiFi功能，将这些档位数据传输至远程ESP32设备。远程ESP32接收到数据后，通过数码管显示当前的档位状态，便于远程监控。
执行端使用香橙派OrangePi5B作为核心控制单元，接收来自摄像头模块采集的图像数据，处理来自数据发送模块的信号，利用YOLOv8算法进行智能分析。根据分析结果，控制点击器以实现变压器档位调节。将处理后的数据通过ESP32单片机传输至远程端，实现数据交互。
档位控制时，用户通过配备的旋钮按键，选择并输入期望设置的档位。该输入信息被直接发送至远程ESP32设备。远程ESP32对用户的档位选择进行处理，并将指令数据回传至控制端ESP32。执行端ESP32收到用户指令后，通过串口通信将指令传送回香橙派。香橙派根据用户指令控制点击器，精确调整变压器至用户所需的档位，以完成远程档位调节的闭环控制。
3. 系统软件设计
为了使机构各模块能够并行且高效运行，软件设计采用了嵌入式方案，涵盖了单片机控制模块与香橙派控制模块。软件设计的核心内容包括调档指令的精准控制、图像的采集与处理、WIFI通信协议的制定，以及图像数据的存储等关键功能。特别地，在图像采集与处理方面，针对高数据量带来的传输与处理挑战，系统采用了创新的准实时处理策略。
使用过程中需实时查看档位信息以确认机构运行状态。系统通过摄像头模块实时采集当前变压器档位的图像数据。香橙派处理器接收并处理这些图像，分析得到当前的档位数据信息。香橙派通过串口通信接口将分析得出的档位数据发送至本地ESP32模块。本地ESP32模块利用其WiFi功能，将这些档位数据传输至远程ESP32设备。远程ESP32接收到数据后，通过数码管清晰显示当前的档位状态，便于远程监控。
档位升降指令的输入与控制则通过单片机的IO口实现。用户通过旋转按键以中断触发方式输入升档或降档指令，单片机根据指令及预设的延时函数生成对应的脉冲触发时间，并将这些信息编码后无线发送给调档机构。控制端ESP32负责识别接收到的指令，确定升降档操作，最后通过其管脚将脉冲信号传递给驱动电路，驱动升档点击器或降档点击器完成调档动作。整个系统的综合设计流程如图2所示，确保了各模块间的协同工作与高效运行。
通过香橙派处理器的控制，系统能够实现远程升降档操作。用户只需通过远程端输入期望的档位信息，系统根据用户输入的挡位数据与当前检测的挡位数据进行比较，如果二者一致则不需要调整挡位，否则计算二者挡位差值进行自动调节，直至调节到位。以上过程均是自动完成档位的调节，大大提高了测试的便捷性和效率。
Figure 2. Remote gear adjustment process diagram
图2. 远程调档流程图
4. 现场实测效果
直流电阻自动测试系统在国网常德供电公司杨桥变电站进行了测试，图3为现场采集的仪器挡位面板图，采集图像时考虑了不同偏差角度和不同光线条件。图3展示了“3”、“15”、“2”、“14”四个仪器挡位，图片上的带颜色的数字为经过本系统识别处理后的数字。可以看出，无论是光线较好的情况(前3个挡位)，还是光线和角度不好，部分数字有阴影的情况(挡位14)，本系统均能快速正确的识别出挡位信息，为精确的调档和直流电阻测试提供了保障。
Figure 3. On site testing effect diagram
图3. 现场测试效果图
5. 小结
本文介绍了一种基于香橙派OrangePi5B核心控制元件的有载变压器直流电阻自动测试系统的设计与实现。该系统融合了YOLOv8算法进行图像数据处理，实现了档位的自动识别，并借助ESP32单片机完成了执行端与远程端的数据高效交互。系统支持远程升降档控制、档位自动检测以及直流电阻的快速测试，显著提升了测试的自动化程度和效率。在软件设计方面，提出了一种实用的准实时图像处理方法，并完成了整个系统的软件综合设计。最终，通过硬件与软件的紧密结合，成功研发出有载变压器直流电阻遥控调档装置，并经过实际测试验证了其有效性和实用价值，为电力系统的安全稳定运行提供了强有力的技术支持。
基金项目
国网常德供电公司2024群众性科技创新项目：便携式有载变压器自动调压装置(项目编号：B916J0240007)。