基于物聯(lián)網(wǎng)的屏柜監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計

汪小武 唐 濤

（安徽大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，合肥 230601）

隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴大，變電站的自動化水平也越來越高。利用先進(jìn)的計算機技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)和信號處理技術(shù)，人類已經(jīng)實現(xiàn)了對變電站的自動監(jiān)視、測量、控制等功能。因此，由設(shè)備故障原因引起的變電站電力系統(tǒng)事故越來越少，而由人為誤操作引發(fā)的事故比例則有逐年上升的趨勢。如何提高安全管理水平已成為電力部門長期研究的課題。

為加強電力系統(tǒng)的安全保障，提高電力部門管理的自動化和規(guī)范化，本項目以嵌入式平臺為基礎(chǔ)，研制了基于物聯(lián)網(wǎng)的屏柜監(jiān)護(hù)系統(tǒng)[1]。通過智能控制終端，實現(xiàn)了對屏柜開閉情況的遠(yuǎn)程監(jiān)控和自動化管理。該系統(tǒng)有助于減少由人為誤操作引起的電網(wǎng)事故、保障操作人員的人身安全，從而確保了電力系統(tǒng)的正常運行和安全管理。

1 屏柜監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)和功能

屏柜監(jiān)護(hù)系統(tǒng)[2]在變電站內(nèi)的每一個電控柜門上都安裝了智能控制終端和受控電磁鎖，并且將智能控制終端通過網(wǎng)絡(luò)（WiFi 或有線網(wǎng)絡(luò)）與管理機相連。智能控制終端通過信號采集裝置采集各電控柜門的開閉狀態(tài)并上報管理機。另一方面，智能控制終端可根據(jù)管理機下達(dá)的命令實時打開或關(guān)閉電控柜門鎖。當(dāng)狀態(tài)信號與管理機下達(dá)的命令不一致時，系統(tǒng)可進(jìn)行聲光報警，并產(chǎn)生報表通過網(wǎng)絡(luò)上傳至管理機。管理機下達(dá)打開或關(guān)閉柜門鎖命令，監(jiān)測各柜門的開閉狀態(tài)并作記錄，同時記錄下柜門在一年內(nèi)的故障和開閉狀態(tài)。該系統(tǒng)還具有自檢測、自恢復(fù)功能[3]。一旦系統(tǒng)故障無法自恢復(fù)，操作人員可通過人工方式來打開柜門。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的屏柜監(jiān)護(hù)系統(tǒng)由若干個子系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中，時鐘同步子系統(tǒng)主要實現(xiàn)智能控制終端的時鐘與管理機的時鐘同步功能，以保障系統(tǒng)監(jiān)控的實時性。

智能鎖控制子系統(tǒng)[4]實時接收管理機下達(dá)的命令并上傳各柜門狀態(tài)信息至管理機,同時在數(shù)據(jù)庫中做下記錄。該子系統(tǒng)包括機械控制子系統(tǒng)、信號采集控制子系統(tǒng)、狀態(tài)控制子系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1）機械控制子系統(tǒng)主要是接收管理機發(fā)來的命令后，執(zhí)行對應(yīng)的機械動作，使相應(yīng)的柜門鎖打開或關(guān)閉。

2）信號采集控制子系統(tǒng)[5]主要是采集各柜門的狀態(tài)，并將此狀態(tài)上傳至管理機，使其識別當(dāng)前柜門的狀態(tài)。

3）狀態(tài)控制子系統(tǒng)主要將柜門狀態(tài)與預(yù)定的狀態(tài)進(jìn)行比較，當(dāng)與預(yù)設(shè)的狀態(tài)不一致時，控制系統(tǒng)產(chǎn)生聲光報警。

故障診斷與處理子系統(tǒng)定期進(jìn)行自動檢測，當(dāng)系統(tǒng)檢測出故障時，系能自動發(fā)出報警信號，并能自動恢復(fù)正常運行。

聲光報警子系統(tǒng)的主要工作是：當(dāng)系統(tǒng)檢測到的狀態(tài)信號與管理機下達(dá)的命令不一致時，系統(tǒng)可進(jìn)行聲光報警，并產(chǎn)生報表通過網(wǎng)絡(luò)上傳到服務(wù)器。報警具備閃光、改變顏色和發(fā)出語音的功能。該報警可手動或自動解除。

系統(tǒng)擴展和高級應(yīng)用功能由查詢、統(tǒng)計和報表管理子系統(tǒng)，系統(tǒng)管理和維護(hù)子系統(tǒng)以及相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)接口等組成。該功能可以實現(xiàn)本系統(tǒng)與現(xiàn)有系統(tǒng)的很好結(jié)合，實現(xiàn)了系統(tǒng)的可擴充性。從功能模塊來看，各個子系統(tǒng)應(yīng)既可以單獨工作，又能夠緊密結(jié)合成基于物聯(lián)網(wǎng)的控制室屏柜監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。下面是系統(tǒng)的部分報表。

表1 系統(tǒng)報表

2 監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 硬件平臺

系統(tǒng)前置機采用研華2U 的工控機，電磁鎖采用DSN-BMY 型號的戶內(nèi)高壓電磁鎖，門磁開關(guān)采用型號為RG-51 的金屬門磁，控制卡采用PCI-1761。硬件框架是由機械控制模塊、信號采集模塊、實時顯示模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊和聲光報警模塊組成，其硬件框圖如圖2所示。

1）機械控制模塊

該控制模塊主要是在接收管理機發(fā)來的命令后，利用電子繼電器控制電磁鎖的電源接通或斷開，以此來控制屏柜門的打開或閉合。

圖2 整體硬件設(shè)計框圖

2）信號采集模塊

該模塊主要是采集當(dāng)前電控柜門的狀態(tài)信號，并將此信號通過網(wǎng)絡(luò)上傳至管理機，使其能實時監(jiān)測當(dāng)前柜門的狀態(tài)。信號采集模塊由兩部分組成：信號采集電路和信號轉(zhuǎn)換電路。信號采集電路采用新型傳感器作為信號采集源，然后通過信號轉(zhuǎn)換電路將采集到的狀態(tài)信號轉(zhuǎn)換成利于計算機存儲和識別的狀態(tài)信息。

3）實時顯示模塊

該模塊的功能是將相關(guān)信息實時顯示在智能控制終端的觸摸顯示屏上，需要顯示的信息一般為現(xiàn)場的工作狀態(tài)及門鎖的狀態(tài)。

4）網(wǎng)絡(luò)通信模塊

該模塊主要負(fù)責(zé)智能控制終端與管理機的通信。其通信方式主要有兩種：有線網(wǎng)絡(luò)通信和無線網(wǎng)絡(luò)通信。

5）聲光報警模塊

該模塊主要用于實現(xiàn)出錯報警。該模塊將當(dāng)前屏柜的開關(guān)狀態(tài)與預(yù)設(shè)的柜門狀態(tài)信號通過異常識別電路進(jìn)行比較，當(dāng)與預(yù)設(shè)的柜門狀態(tài)不一致時，控制報警器產(chǎn)生報警信號，并在顯示屏上動態(tài)顯示報警圖片。此外，報警信號會通過網(wǎng)絡(luò)上傳至遠(yuǎn)程管理機，實現(xiàn)遠(yuǎn)程與本地的實時同步報警。

2.2 軟件支持

屏柜監(jiān)護(hù)系統(tǒng)在嵌入式平臺的基礎(chǔ)上對Linux[6]的內(nèi)核進(jìn)行了剪裁和重編譯，使得軟件平臺具有較高的實時數(shù)據(jù)處理能力和在線分析能力，同時還具有抗干擾能力強，操作方便等特點。軟件平臺具體的功能有：

1）根據(jù)管理機的命令實時打開控制柜門鎖。

2）自動檢測各柜門的開閉情況并上報管理機。

3）保持時鐘同步。

4）異常情況聲光報警。

5）能對歷史數(shù)據(jù)查詢。

6）系統(tǒng)故障自檢測、自恢復(fù)。

軟件平臺采用開放式的體系結(jié)構(gòu)和模塊化的設(shè)計方法[7]，并保留了與其他相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的接口，增強了系統(tǒng)的可擴展性。而且，系統(tǒng)軟件具有良好的人機界面，能直觀地顯示數(shù)據(jù)及信息情況，便于各級管理人員對數(shù)據(jù)及信息進(jìn)行實時查詢。其整體框架如圖3所示。

2.3 系統(tǒng)流程

系統(tǒng)流程圖如圖4所示，主程序是整個軟件系統(tǒng)的核心，它有系統(tǒng)初始化、檢測通信連接、檢測柜門鎖狀態(tài)、系統(tǒng)報警、數(shù)據(jù)記錄等模塊組成。數(shù)據(jù)記錄模塊能夠?qū)崿F(xiàn)各個監(jiān)測點的實時信息，同步顯示當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài),從而給各個監(jiān)測點相應(yīng)的工作指令。各個監(jiān)控點能夠檢測每個設(shè)備的實時工作狀態(tài)，并且將其以日志的形勢通知數(shù)據(jù)記錄模塊，同時接受主程序的工作指令，完成相應(yīng)的工作。系統(tǒng)每日整點刷新數(shù)據(jù)，從而保證了數(shù)據(jù)的一致性和可靠性，使得系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作。

圖3 軟件框圖

圖4 系統(tǒng)流程圖

3 結(jié)論

本系統(tǒng)的創(chuàng)新體現(xiàn)在多處，例如采用主流的嵌 入式系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)；在管理機側(cè)能夠?qū)崟r檢測柜門的狀態(tài)信息；在柜門狀態(tài)非正常時進(jìn)行報警。這些都是在前人的基礎(chǔ)上做出的創(chuàng)新點，而這些創(chuàng)新點也使得該系統(tǒng)成為了電力系統(tǒng)安全管理的一個重要組成部分。

基于物聯(lián)網(wǎng)的屏柜監(jiān)護(hù)系統(tǒng)采用先進(jìn)的嵌入式芯片作為控制器，能夠?qū)崟r在線監(jiān)測每個電控柜門的開閉情況，減少高壓開關(guān)設(shè)備電氣誤操作帶來的損失，創(chuàng)造明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。同時，該系統(tǒng)在很大程度上降低了生產(chǎn)成本以及同類工作的重復(fù)勞動率，相應(yīng)的人力、車輛等資源的浪費得到了避免,具有較高的推廣價值。

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[4] 劉品文,戴永,王求真,等.多門鎖位機聯(lián)網(wǎng)門禁系統(tǒng)的網(wǎng)控軟件設(shè)計[J].計算機技術(shù)與發(fā)展,2007,17(12): 217-220,224.

[5] 宋俊德,戰(zhàn)曉蘇.無線通信與網(wǎng)絡(luò)[M].北京: 國防工業(yè)出版社,2010.

[6] 孫瓊.嵌入式 Linux 應(yīng)用程序開發(fā)詳解[M].北京: 人民郵電出版社,2006.

[7] 范學(xué)英,張明新,王登磊.嵌入式系統(tǒng)概述[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用,2008,200(2): 113-115.