變電站二次設備屏柜無線測溫系統的研制

戴麗莉，郭云鵬，張廣勇

（1.太原工業學院，山西太原030008；2.國網山西省電力公司檢修分公司，山西 太原030032）

0 引言

無論是變電站還是發電廠，保護裝置作為重要的二次裝置，對一次設備乃至電網的安全穩定運行至關重要。目前的微機保護裝置靠精密的電子設備實現相關的邏輯判斷、執行輸出等核心功能，其中最新的智能變電站還布置有智能控制柜，其內部包含有合并單元和智能終端等電子設備。保護屏柜和智能變電站的智能控制柜，內部的電子設備對溫度反應敏感，溫度過高或過低都會導致電子設備相關功能模塊的損壞，致使非計劃停電甚至是一次設備的損毀[1-2]。智能變電站的智能控制柜一般布置在室外，其柜體內部的溫度控制依賴柜體上的空熱一體機，保護屏柜一般布置在室內，但是隨著一、二次設備融合、就地化保護裝置的研究及落實，保護屏柜也開始面臨溫度控制的問題。現有的智能控制柜所安裝的空熱一體機在某些工況下不能完全將柜體內部所有位置的溫度都控制在合理范圍內，并且空熱一體機常年不間斷運轉，容易出現制冷或制熱能力下降的問題，有必要對保護屏柜內部散熱條件較差位置進行溫度監測，以提醒工作人員提前采取相應的冷卻降溫措施，確保二次設備的安全運行。目前有些機構根據實際運維需求開發了匯控柜環境監測系統，并且開始試用[3]。

本文設計了一套可以應用于變電站二次設備屏柜的溫度監測系統。該系統以樹莓派為上位機，STM32F407單片機為下位機[4-5]，利用藍牙模塊串口通信的方式將下位機所測量的數據無線傳輸至上位機，上位機將下位機上傳信息導入數據庫，且設計有相應的程序用以數據的初步處理和可視化操作，實現了屏柜內部溫度的無線監測。

1 系統硬件設計

本文所設計的變電站二次屏柜的測溫系統（系統硬件結構如圖1所示），可檢測現場屏柜內設備運行溫度，并通過無線傳輸將數據上傳至后臺，運維人員可在上位機集中觀察溫度數據。為實現此目標，需要使測溫傳感器、傳輸模塊、上位機系統科學配合：在變電站設備區有溫度傳感器、電源模塊、下位機控制系統、數據傳輸模塊，在運維平臺有上位機系統。其中，溫度傳感器用于檢測二次屏柜內的溫度；下位機控制模塊用于接收并處理溫度數據，同時實現與上位機的通信，將數據上傳；上位機顯示模塊用于接收下位機的數據，并根據運行人員的需求，將數據分析、顯示。此外，考慮到變電站現場取電對設備的影響，需要采用單獨的電源模塊為下位機控制模塊供電。

圖1 系統硬件結構框圖

1.1 溫度傳感器

測溫模塊采用DS18B20數字芯片，該芯片可直接將檢測到的溫度信號轉換為數字輸出信號，具有體積小、硬件成本低、抗干擾能力強、精度高的優點。本文根據芯片特點和推薦電路，進行了測溫模塊的硬件設計。

1.2 下位機控制系統

下位機采用STM32單片機為主控制器，其將測溫模塊輸入的模擬信號進行AD轉換為數字信號，并對信號進行初步的處理，然后將處理過的信號通過串口通信傳送給上位機。單片機最小系統電路采用官方推薦的demo設計，包括復位電路、晶體振蕩器、啟動和下載電路、J-LINK和仿真等。

1.3 數據傳輸模塊

變電站繼電保護小室內二次設備屏柜數量多且比較密集，通過有線傳輸不僅走線困難，施工難度大，而且后期維護困難。本系統采用基于藍牙技術的無線傳輸，可以實現下位機和上位機之間的數據傳輸。

1.4 電源模塊

電源模塊分為2部分，一是外置供電進線來自普通的電池，進入單片機控制模塊后，需要進行調壓和穩壓處理；二是本文設計的基于ASM1117芯片的穩壓電路，輸出穩定的5 V直流電源，為單片機系統和測溫模塊供電。電流模塊電路如圖2所示。

圖2 電源模塊電路

2 系統軟件設計

2.1 下位機控制系統軟件設計

下位機軟件設計是下位機控制系統能否正常運行并實現既定功能的重要環節。基于STM32單片機的特點，下位機程序重點實現以下3個功能：一是控制芯片時鐘、寄存器、IO口配置，二是采樣信號接收和處理，三是通信程序設計。

本系統的下位機是在MDK5軟件開發環境中完成的，與其他開發軟件相比，MDK5具有完整且易于使用的特點，并支持匯編語言和C語言代碼。下位機控制流程如圖3所示。

圖3 下位機控制流程圖

2.2 上位機數據庫設計

上位機使用樹莓派作為主控制器。在Linux操作系統的基礎上，使用QT5作為上位機開發的環境[6]，上位機可以使用按鈕控制下位機的開始和結束，并通過串口通信獲取下位機收集的數據，再將收集的數據存入結構化查詢語言SQL（structured query language）數據庫，在上位機界面可以看到數據信息，甚至可以篩選和繪制數據[7]。

本文采用數據庫管理數據，實現數據查找、排序工作，并將數據導出成.db文件，用于配合Matlab等軟件進行數據處理。SQL數據庫數據的輸出是一種靜態的輸出，在上位機啟動時對顯示界面進行一次初始化。使用QT平臺有3個步驟：第一步，準備文件和訪問模式以調用數據庫，其中有2個參數，是要打開的數據庫文件名的格式以及用于返回數據庫參考號的其他參數；第二步，提供一個通過執行該函數，從數據庫返回結果的函數；第三步，調用該動作。QT具有功能強大的二維繪圖系統，可使用相同的API在屏幕上進行繪圖，并且大多數繪圖設備基于QPainter，QPaintDevice和QPaintEngine這3個類，本文使用QPainter類。

3 硬件系統和軟件系統的調試

使用電源模塊為系統供電。把TTL芯片5 V直流電源、RXD、TXD、GND與藍牙模塊VCC、RXD、TXD、GND對應連接。藍牙和單片機的連接也和上面相似，將TTL模塊換成單片機即可。將TTL模塊與電腦連接。TTL模塊和藍牙模塊LED燈閃，此時可通過XCOM V2.0.exe軟件測試。選擇串口COM5，打開串口，按鈕前方的黑色圓圈變為紅色圓圈。再啟動下位機，下位機等待上位機用串口發來開始信號，接收到開始信號之后會回復一個應答信號，此處開始信號為start字符串，開始應答為is start字符串。串口助手發送start，下位機回復is start，則下位機通信功能正常。將下位機串口調試時用的USB轉TTL插入到樹莓派的USB接口上，點擊上位機界面右上方的打開串口按鈕來打開串口連接界面。控制器會自動識別可以連接的串口標識，用戶只需要點擊打開串口即可，如果串口連接成功則會彈出提示框。上位機串口默認設置與下位機串口設置相同。之后進行上位機串口測試。打開之前在下位機串口調試時的串口助手，并打開串口，上位機會發送start開始信號進行測試。上位機回復start，證明上位機通信正常。軟件安裝路徑下的my_data.db文件為數據庫文件，采集的數據存儲在此文件中。

4 系統實驗

為了驗證所設計裝置的準確性，使用該裝置分別測量了不同屏柜內部的溫度，并將測量結果與溫度計所測量的結果進行對比（如圖4所示），此處共計測量了20個保護屏柜的內部溫度。

圖4 系統效果檢驗圖

由圖4可以看出，裝置測量誤差在±2℃以內，比較理想。由于繼電保護小室溫度在25℃左右，為了在較寬溫度范圍內驗證系統的準確性，分別在不同的溫度環境下做了補充試驗，所測量環境包括室外和室內，并不局限于繼電保護小室，測量環境溫度范圍為-5～23℃，在不同環境溫度時利用無線測溫系統和溫度計測量，每個環境溫度下分別利用無線測溫系統測量9組數據并記錄（如表1所示）。表1中，x1表示溫度計測量值，x2表示不同環境無線測溫系統測量值的平均值，y表示相對誤差，其定義如式（1）所示。

表1 不同環境溫度下試驗數值表

在所測量的溫度范圍內，無線測溫系統的平均相對誤差為2.2%。

5 結論

從本系統的實際測試結果來看，系統具備遠程監測二次設備屏柜內部溫度的功能，且測量精度較為理想，能夠實現二次設備屏柜內部溫度這一物理量的集中監測，在一定程度上提升了設備運行的安全性，順應了目前電網少人值守或者是無人值守的運行模式。該系統經過電磁兼容改進后，在就地化保護及變電站戶外設備區智能控制柜和匯控柜的溫度監測領域具有廣闊的應用前景。