變電站溫濕度實時測控系統研究和開發

摘要：介紹了變電站設備正常運行對溫濕度的要求，闡述了變電站溫濕度實時控制的重要性，介紹了目前變電站溫濕度測控的現狀和其它領域應用的溫濕度實時測控系統的幾種模式。設計開發了變電站溫濕度實時測控系統，從溫濕度傳感器、數據通信模式，計算機接口、后臺管理系統，溫濕度控制算法等方面詳細闡述了該系統的結構和特點。該系統采用分布式采集，集中監控方式，現場采用PID控制方法調節溫濕度，后臺可遠控風機、空調等設備運行以控制溫濕度。該系統數據流采用Modbus協議，具有較好的可擴展性。

關鍵詞：變電站 溫濕度 Modbus PID

中圖分類號：TM63 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X(2012)01(c)-0019-02

引言

隨著國家電網公司建設智能電網的不斷推進，大量無人值守的高智能化變電站需要各種具備通信功能且自動化程度高的監控系統。大量計算機、電子測控、通信、網絡等設備在變電站中應用越來越多，而這些設備的正常運行對溫濕度有一定的要求，合適的溫濕度不但是保證電力設備和繼電保護裝置穩定運行的前提，也能夠提高設備的性能。相關規定：主控制室和計算機室的溫度宜在(18-25)℃范圍內，溫度變化率每小時不應超過±5℃，相對濕度宜為45％～75％，任何情況下無凝露。對于繼保室，溫度變化范圍可為(5～30)℃，溫度變化率每小時不應超過土5℃，相對濕度宜為45％～75％，任何情況下無凝露。

當前，變電站溫濕度的控制主要有以下幾種方式：(1)人工型。現場放置溫濕度計，人工查看記錄，根據實際所測數值，進行相應的溫濕度控制，比如打開空調降溫除濕，打開風機排風等。這種模式人員工作量大，無法在第一時間調整溫濕度。(2)現場自動控制型。現場放置自動控溫裝置，溫濕度達到一定閥值，相應的繼電器動作，打開加熱器或者空調等裝置進行除濕降溫。這種模式在一定程度上降低了人員的工作強度，同時也可以較快地調整溫濕度。但是該模式實時性差，工作人員無法遠方查看溫濕度數據，也無法在裝置故障的第一時間發現，沒有數據自動記錄功能，且控制方法落后。

隨著電力系統自動化程度越來越高，我國電力系統裝備取得了長足進步，而對變電站的溫濕度等環境因素的監控的研究還是較少。因此，研究開發變電站的溫濕度實時測控系統有著實際意義。本文在分析總結現有溫濕度測量和控制技術的基礎上，結合變電站自身的特點和對溫濕度測控系統的具體需求，研究開發出變電站溫濕度實時測控系統。

1 總體結構

本文研究開發的變電站溫濕度實時測控系統總體結構如圖1所示。該系統采用分布式采集、集中監控的方式，數據傳輸采用一對多方式，即一個后臺管理系統和數據傳輸單元，對應多個現場測控單元，在每個需要監控溫濕度的場合都配置一個現場控單元。數據通信方式采用了兩利，方式，即短距離局域無線數據通信模式和485工業總線模式，可以根據不同需求選擇其中一種通信模式。無線方式下，距離較近的多個現場測控單元可以通過48 5總線先自行組網，再由同一個無線數據傳輸模塊與后臺進行通信。

測控方式采用輪詢方式，由后臺管理系統發出指令，按照順序對系統所安裝的現場測控單，亡進行數據讀取和遠程操作。整個數據流采用Modbus協議，確保數據的兼容性和傳輸過程的正確性。

2 現場測控單元

現場測控單元的功能是完成溫濕度的測量，對數據進行初步處理，并將模擬量轉換為易處理和傳輸的數字量，同時接收后臺管理系統的指令，完成相應的操作?，F場測控單元具有獨立的工作能力，能夠就地控制相關設備。

2.1 硬件結構

現場測控單元結構如圖2所示，主要由以下部分構成：(1)總控單元，采用單片機控制，接收后臺管理系統的指令執行相應操作。(2)溫濕度變送器，完成溫濕度的測量，最終以數字信號方式輸出。(3)液晶顯示屏和按鍵，作為現場測控單元的人機交互界面，液晶屏提供現場溫濕度顯示，按鍵接收人工操作，對內部參數進行設置。(4)通訊接口，利川單片機的串行端口，轉換成485差分數據與無線通信模塊通信或者直接通過485，總線與后臺交互。(5)PWM輸出，單，片機根據測量的溫濕度值及設定的目標控制值，利用PID算法計算出控制策略，調整PWM波的占空比，經過隔離和驅動，控制加熱器和風機的功率，從而達到凋節溫濕度的目的。(6)開關量輸出，用于控制報警、繼電器啟停等操作。

2.2 溫濕度變送器

溫濕度測量元件是本系統的核心部件，采用的是瑞士Sensirion公司生產的SHTII型溫濕度變送器。傳統的溫濕度測量模式是將溫濕度等信號轉換為電壓或電流等電信號，然后再用A/D芯片轉換為數字量數據。SHTll將溫度、濕度感應，信號變換和模數轉換等功能全部集成在一起。最終測量數據通過12C總線輸出，單片機只要通過12C與之通信即可讀出當前溫濕度值。數據傳輸經過8位CRc校驗，確保了溫濕度測量的精確度和數據傳輸的正確性。

2.3 控制算法

現場測控單元是一個閉環控制系統，采用PID控制算法。PID控制是一個在工業控制中常見的閉環控制方法。其基本思想是把收集到的數據和設定的參考值進行比較，計算出差值，結合之前計算的差值，根據表達式計算出新的輸入值。這個新的輸入值的作用是可以讓系統的輸出達到或者保持在設定的參考值。PID控制方法充分考慮了控制系統的比例、積分、微分環節，可以使系統更加準確和穩定。

此系統中控制對象是溫濕度，調節手段是風機的轉速、加熱器的功率或者空調的檔位等等。單片機從SHTIl讀取溫濕度值，與設定值進行比較，計算出差值，再根據前幾次的差值進行計算，得到增量值，調整PWM的占空比，經過驅動電路調整風機的轉速或者加熱器的功率，從而達到控制溫濕度在設定范圍的日的。由于采樣和計算是經過一定時間間隔完成的，此處的PID是離散型的，表達式如下：

△_it為輸入增量值；K_p為比例系數；K_l為積分系數；K_D為微分系數。e為目標值和實際值的差值。

3 通信信道

系統采用兩種方式傳輸數據，485總線方式和無線傳輸模塊方式。作為本系統的中間通信部件，無線數據傳輸模塊承擔著數據的上傳下達。無線模塊采用透明傳輸模式，相當于485總線的延長線，連接起兩側的485通信。無線模塊采用Zigbee技術，具有低功耗、低成本、自組網等優點，多個Zigbee模塊組網后能夠有效延長數據傳輸距離。

為了保證數據的正確性和系統的兼容性，整個系統采用Modbus通訊協議。該協議是一種通用的工業標準，通過該協議，控制器相互之間、控制器經由網絡和其它設備之間可以通信。所有數據采用統一的數據格式，方便系統整合和擴展，只要符合該協議的設備掛接到該系統中即可使用，實現統一測控。

該系統串行通信的規約為：起始位1位、數據位8位、停止位1位、無奇偶校驗。數據幀格式見表1。

地址碼為1個字節，所以系統最多可以擴展256個測控點。功能碼包括溫濕度讀取、設備地址設定、現場設備控制等指令。CRC采用16位循環冗余校驗碼，多項式采用A001。CRC的具體計算過程請參考相關規程，這里不再贅述。

4 后臺管理系統

后臺管理系統實現系統的集中監控，也是人員和系統交互的界面。后臺與現場的數據通信是雙向的，既收集現場溫度值，也可發送操作指令控制現場調溫設備。

4.1 數據轉換

從485總線或者無線模塊輸出的數據都是485差分信號，無法與計算機通信，因此需要進行數據轉換。鑒于計算機串口的減少和USB接口的普及，后臺管理計算機通過USB接口進行數據的收發。

RS-485信號與USB的轉換模塊如圖3所示。根據相關標準，USB接口可以輸出最大電流為0.5A的5V電源。由于耗電量很小，該模塊即采用USB端口供電，大大促進了模塊的小型化。模塊的信號轉換過程分為兩步，第一步是將USB轉換成TTL信號，第二步是將TTL信號轉換成485信號。轉換過程最重要的是第一步，采用CH341芯片，該芯片能將USB接口模擬成串口，計算機可以當作普通串口進行操作。經過中間的無線數據傳輸模塊或者485總線，再經過USB/485轉換模塊，現場測控單元與后臺建立通信。中間環節都是透明的，對于后臺而言，只要操作串口讀取數據或發送操作指令即可。

4.2 軟件編寫

后臺管理系統采用Visual Studio 2010集成編譯環境，采用VB.Net語言編寫。系統采用面向對象編程思想，模塊化設計。每一個測控點都是一個模塊，每個模塊具有共同的構成單元。后臺管理系統對接收到的數據進行處理，保存到數據庫。后臺管理系統主要功能有：(1)溫濕度實時顯示。(2)歷史數據的查詢。(3)溫濕度曲線繪制。(4)溫度上下限控制和報警。(5)遠程控制現場空調、除濕器等設備。

后臺管理系統的兩個重點是串口操作和數據庫存取。VB，Net中有SerlalPort控件，利用該控件可以對串口進行打開，設置、發送數據、接收數據、關閉等等操作，完成數據的雙向傳輸。采集到的數據存到數據庫中，而VB，NET本身并不具備對數據庫進行操作的功能，通過，NET FrameWork SDK中的ADO，NET來完成對數據庫的操作。

5 結語

該變電站溫濕度實時測控系統采用分布式采集、集中臨控模式，現場采用PID榨制，控制方法穩定可靠，控制目標值可在后臺遠方設置，也可手動強制控制風機、加熱器、空調等調溫設備。整個系統數據流采用Modbus協議，保證數據傳輸的準確。同時，該系統具有較好的擴展功能，可以集成電表的讀取指令，實現遠程抄表。其它設備經過數據采集，轉換為數字信號后，都可以通過485總線和系統相連，利用該系統進行統一控制。實際應用表明，該系統有效地解決了變電站溫濕度無法實時測控的問題，提高溫濕度檢測精確度和實時性的同時降低了運行人員的工作強度。