智慧變電站環(huán)境測控系統(tǒng)設(shè)計

楊金凇 羅明璋 黑創(chuàng)

摘? 要? 隨著我國經(jīng)濟的高質(zhì)量快速發(fā)展，國民經(jīng)濟發(fā)展對電力的需求與日俱增，穩(wěn)定電力供應(yīng)成為必不可少的重要環(huán)節(jié)。變電站作為電力傳輸樞紐，其發(fā)展對保障整個國家的發(fā)展和社會穩(wěn)定起到關(guān)鍵作用，綜合傳統(tǒng)變電站的不足，以實時監(jiān)測和遠程控制為目的，設(shè)計一款以STM32F103C8T6為主控芯片的測控系統(tǒng)，結(jié)合模塊化的拓展，通過對數(shù)據(jù)進行處理和指令下達，做到實時穩(wěn)定變電站內(nèi)部環(huán)境溫濕度條件。

關(guān)鍵詞? STM32；變電站；測控系統(tǒng)

中圖分類號：TN876? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2023）10-0027-05

Design of Temperature and Humidity Measure-ment and Control System for Substation En-vironment Based on STM32//YANG Jinsong， LUO Mingzhang， HEI Chuang

Abstract? With the high quality and rapid develop-ment of Chinas economy， the demand for electricity in national economic development is increasing day?by day， and stable power supply has become an essen-tial important link. As a power transmission hub， the development of substation plays a key role in?ensuring the development of the whole country and social stability. In this paper， based on the defi-ciencies of traditional substations and for the pur-pose of real-time monitoring and remote control， a measurement and control system with STM32F103C8T6 as the main control chip is designed. Combined with the expansion of modularization， through the data processing and instruction， this measurement and control system could achieve real-time stability of?substation internal environment temperature and humidity conditions.

Key words? STM32; substation; measurement and con-trol system

Authors address? ?College of Electronic Informa-tion， Changjiang University， Jingzhou， Hubei， China，?434100

0? 引言

變電站作為供配電網(wǎng)重要組成部分，其主要作用是承接用電端與發(fā)電端，是實現(xiàn)智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)，對實現(xiàn)電網(wǎng)安全可靠運行具有重要作用[1-3]。變電站監(jiān)控系統(tǒng)作為智能電網(wǎng)建設(shè)不可或缺的一部分，為變電站運維、監(jiān)控人員提供站內(nèi)實時數(shù)據(jù)、動態(tài)信息、故障警告等，幫助他們快速作出正確判斷并完成事故處理，一直以來是重點研究項目。

隨著大數(shù)據(jù)和人工智能等信息新技術(shù)的高速發(fā)展，變電站逐步由數(shù)字化走向自動化。自20世紀80年代開始，國內(nèi)變電站監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段，從信息傳遞依靠電話聯(lián)絡(luò)的起步階段、遠動裝置遠程遙控管理的探索階段，發(fā)展到如今智能化、平臺化、結(jié)構(gòu)統(tǒng)一的智能監(jiān)控階段，智慧變電站監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)成為智能電網(wǎng)建設(shè)不可或缺的一部分。但是，目前變電站涉及真正智能化的建設(shè)并不多，相比于智能化技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，變電站的管理與運行相對滯后。智能化在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的成功為變電站的智能化提供了可以借鑒的技術(shù)和經(jīng)驗[4-5]。

本文中的設(shè)計就是將傳統(tǒng)變電站與信息化、自動化相結(jié)合，整個系統(tǒng)以在線監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，面向服務(wù)框架，建立安全可靠、擴展性強的環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)[6-7]，實現(xiàn)對變電站項目管理、設(shè)備維護、人員安全的保障，降低人為因素所造成的風險，系統(tǒng)化地對變電站進行實時監(jiān)測與智能預警，提高工作質(zhì)量和效率，實現(xiàn)各輔助設(shè)備狀態(tài)的互聯(lián)，對提高電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行，提高變電站設(shè)備的運行和管理水平有重要意義，不僅符合國家高質(zhì)量發(fā)展要求，而且能夠進一步推動變電站智能化。

1? 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)變電站內(nèi)實際環(huán)境需要，測控終端初步設(shè)計了六個主要模塊，分別是主控模塊、監(jiān)測模塊、通信模塊、控制模塊、電源模塊和顯示模塊。測控系統(tǒng)主要負責數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸、自動預警和控制、指令接收和控制五個主要功能。測控終端框架如圖1所示。

在測控系統(tǒng)運行中，首先需要激活安裝在變電站內(nèi)部的多處傳感器，并同時采集多處溫濕度數(shù)值，有線傳輸至主控模塊，主控模塊將數(shù)據(jù)處理之后，傳輸至通信模塊，通信模塊將數(shù)據(jù)實時傳輸給網(wǎng)絡(luò)端監(jiān)測平臺，平臺界面可看到目前溫濕度數(shù)據(jù)，并周期性地進行數(shù)據(jù)更新；同時，主控模塊會將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至測控終端上的顯示界面，便于站內(nèi)運維人員掌握實時溫濕度情況。在指令控制階段，監(jiān)控平臺可以直接進行遠程控制，將指令通過變電站內(nèi)網(wǎng)下達至測控終端，測控終端根據(jù)指令打開對應(yīng)設(shè)備（空調(diào)或者除濕器），從而能夠?qū)崟r控制站內(nèi)環(huán)境溫濕度，保證設(shè)備正常工作。

在該系統(tǒng)內(nèi)部，利用程序控制實現(xiàn)自動化的測控功能。在設(shè)備安裝初期，人為設(shè)定操控設(shè)備的指令和監(jiān)測閾值等參數(shù)。在設(shè)備運行中，當環(huán)境溫濕度數(shù)值異常或者再次恢復正常時，會自動控制空調(diào)的工作模式和除濕器的開關(guān)，使得變電站在無人值守時，仍可以實現(xiàn)變電站內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定。在實際運行中，測控終端會周期性地向平臺傳輸數(shù)據(jù)包，為保證測控終端與主機正常連接，在數(shù)據(jù)包中引入“心跳包”作為連接正常的指標，測控終端周期性地與平臺端進行“心跳包”互送，在規(guī)定時間范圍之內(nèi)，完成問答操作，則視為連接正常；超出時間范圍未作答，則連接斷開，主機會重新連接終端設(shè)備。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計框架，整體設(shè)備主要包含以下模塊。

2.1? 主控模塊

主控模塊選用STM32F103C8T6芯片作為主芯， 在測控系統(tǒng)設(shè)計中，主控模塊在整個測控終端內(nèi)部起到處理、整合、調(diào)度的作用。STM32F103C8T6芯片包含多組串口通信引腳，因此，在設(shè)計中，測控終端分別與通信模塊、顯示模塊、控制模塊（紅外控制部分）采用串口通信方式連接，用于實時數(shù)據(jù)處理傳輸和顯示、指令解析和命令下達。此外，主芯片采用引腳直連的方式與監(jiān)測模塊和控制模塊（繼電器部分）進行連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取和繼電器開關(guān)的控制。

2.2? 監(jiān)測模塊

針對變電站內(nèi)部情況，需要進行多點實時溫濕度數(shù)據(jù)監(jiān)測和采集，傳感器需要布置于室內(nèi)和電纜溝槽中，實現(xiàn)長期穩(wěn)定工作，起到信息收集和反饋的作用。

選用AM2302數(shù)字溫濕度傳感器作為數(shù)據(jù)采集端，測量范圍分別是濕度0～99.9% RH和溫度-20～80 ℃，傳感器的校準系數(shù)以程序的形式存儲在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準系數(shù)，在數(shù)據(jù)處理之后，以單總線的數(shù)據(jù)格式傳輸給主芯片，信號傳輸距離可至20米以上。AM2302傳感器單次數(shù)據(jù)傳輸為40 bit，單次通信時間為5 ms左右，40 bit的數(shù)據(jù)格式以“16+16+8”的形式（16位濕度數(shù)據(jù)+16位溫度數(shù)據(jù)+8位校驗和）傳送給主芯模塊。

2.3? 通信模塊

由于需要保證變電站內(nèi)部保密性和設(shè)備實時可控，平臺和測控設(shè)備之間采用有線傳輸?shù)姆绞竭M行數(shù)據(jù)交互。因此，在整個測控設(shè)備中，網(wǎng)口模塊是將終端采集數(shù)據(jù)有效傳輸給平臺的關(guān)鍵模塊，不僅能夠?qū)崟r上傳數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)，還能夠有針對性地選擇網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，將數(shù)據(jù)格式進行轉(zhuǎn)換，是連接網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和測控終端的“橋梁”。

在本設(shè)計中，網(wǎng)口模塊選用ATK-UART2ETH模塊，此模塊實現(xiàn)將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為以太網(wǎng)格式傳輸（簡稱U2E模塊）。網(wǎng)口模塊通過上位機進行直接配置，配置好的網(wǎng)口可直接安裝在測控終端內(nèi)部，操作簡單，實用性強。網(wǎng)口配置界面如圖2所示。

該模塊功能特點主要有以下幾點：

1）能夠支持TCP/UDP協(xié)議下的多種工作模式，包括UDP Client/Server，TCP Client/Server，UDP組播；

2）自適應(yīng)以太網(wǎng)接口支持AUTO-MDIX網(wǎng)線交叉直連自動切換，擁有DHCP功能和DNS功能，可以自動獲取IP以及域名解析，并且可以自定義DNS服務(wù)器地址；

3）可以設(shè)置波特率從2 400 bps至921 600 bps，并支持None、Odd、Even三種校驗；

4）可以工作在局域網(wǎng)，也可以訪問外網(wǎng)，并且可以通過網(wǎng)絡(luò)更新固件功能。

在系統(tǒng)中，網(wǎng)口模塊可以使用串口直接連接到對應(yīng)模式的網(wǎng)絡(luò)，STM32主芯片通過串口向相應(yīng)的IP發(fā)送數(shù)據(jù)；同時，該模塊可以隨時接收來自平臺端和智能手機APP端遠程控制指令，工作人員不必在現(xiàn)場就可以實時掌控變電站內(nèi)部情況。

2.4? 控制模塊

控制模塊是用于直接對變電站內(nèi)輔助設(shè)備進行控制的模塊，通過接收并解析主芯片下達的指令，繼而發(fā)送信號調(diào)節(jié)對應(yīng)設(shè)備，在整個設(shè)備中起到實施操控的作用。

本模塊初步選用紅外控制和繼電器控制兩個部分，分別對應(yīng)控制調(diào)節(jié)空調(diào)和除濕器，改善變電站內(nèi)部環(huán)境條件。紅外控制部分選取有學習能力的紅外模塊，具備解碼與編碼的功能。整個模塊共有256個記憶通道，用于存放解碼數(shù)據(jù)，操作方便，調(diào)用簡單，模塊采用串口通信的方式與STM32主芯片進行指令傳輸。紅外發(fā)射端口可以拓展多個發(fā)射頭，實現(xiàn)全方位控制。繼電器部分通過管理除濕器電源，通過主芯片自動化監(jiān)測或者平臺端人為的控制實現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)的控制。

2.5? 電源模塊

實際環(huán)境考察之后，測控終端安裝在變電站高壓室內(nèi)部，由交換機通過網(wǎng)線給測控終端直接供電。因此，系統(tǒng)采用POE供電方式，通過網(wǎng)線的方式既保證穩(wěn)定電力供應(yīng)，又保證數(shù)據(jù)能夠穩(wěn)定上下傳輸。另外，交換機的POE供電電壓為12 V，因此，設(shè)計中采用12 V轉(zhuǎn)5 V模塊進行降壓，降壓部分采用LM2596降壓電路進行處理，輸出5 V分別為主控模塊、顯示模塊、監(jiān)測模塊、通信模塊和控制模塊進行供電。

2.6? 顯示模塊

在測控終端盒上，將實時采集數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，站內(nèi)工作人員可以直觀地掌握當前環(huán)境狀況，并且根據(jù)環(huán)境變化情況，有效地進行變電站維護和管理。設(shè)計中選用的顯示屏為USART HMI智能串口屏，將主芯片處理之后的溫濕度數(shù)據(jù)通過USART直接發(fā)布在終端設(shè)備上，運維人員可在變電站內(nèi)直觀地獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)。顯示模塊界面通過上位機USART HMI軟件進行設(shè)置，操作方便，穩(wěn)定性強。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計

整個系統(tǒng)由程控進行周期性地數(shù)據(jù)采集和上傳，并可實現(xiàn)自動控制和手動控制功能。當測控終端打開之后，系統(tǒng)將自動初始化并且搜尋各個模塊，并與PC端平臺進行連接；穩(wěn)定之后，傳感器將自動開始采集數(shù)據(jù)，并發(fā)送至主芯片，主芯片將采集到的實時數(shù)據(jù)進行處理判斷，同時將其上傳平臺；如果出現(xiàn)數(shù)據(jù)超出設(shè)定溫濕度區(qū)間的情況，系統(tǒng)將自動派發(fā)預設(shè)指令并將所采集到的數(shù)據(jù)上傳網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺；另外，平臺端可根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)隨時派發(fā)控制指令，實現(xiàn)遠程遙控，人為控制變電站內(nèi)環(huán)境條件。系統(tǒng)運行流程如圖3所示。

在軟件設(shè)計中，同時引入以下設(shè)計：

1）為保證測控終端長時間連接穩(wěn)定，在系統(tǒng)初始化之后，主機和測控終端之間進行周期性的“心跳”互送；

2）對于超出范圍的采集數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會自動進行誤差判斷，對30 s內(nèi)數(shù)據(jù)進行抓取并取溫濕度均值，判斷是否是偶然因素導致數(shù)據(jù)偏差，從而對控制模塊下發(fā)指令；

3）實時采集的溫濕度數(shù)據(jù)會同時上傳給顯示模塊、平臺和智能手機APP。

4? 系統(tǒng)仿真與調(diào)試

本次測試選用三個溫濕度傳感器進行數(shù)據(jù)采集，分別部署在高壓室內(nèi)三個不同位置，每個傳感器實時采集值都可以同時在顯示屏、平臺和手機APP上進行顯示。上傳數(shù)據(jù)包包含溫濕度數(shù)據(jù)包、心跳數(shù)據(jù)包，后臺根據(jù)數(shù)據(jù)幀格式進行有效判斷。上傳數(shù)據(jù)包可以周期性地打印到平臺后臺，每個溫濕度數(shù)據(jù)包以19個字節(jié)的形式進行上傳，包含三組溫濕度數(shù)據(jù)以及設(shè)備編號，在傳感器出現(xiàn)數(shù)據(jù)漏傳或傳感器受損時，可以很快找出問題傳感器部署位置；心跳數(shù)據(jù)包則以固定3個字節(jié)（0x11 0xFF 0x55）進行上傳，主機收到后同樣回復3個字節(jié)包（0x12 0xFF 0x55），若主機和客戶端有一方超過20 s尚未回復，則斷開連接，需要進行重連，進而保證終端設(shè)備長期穩(wěn)定工作。

測試中的平臺端成功接收每組數(shù)據(jù)包，平臺和測控終端實時顯示當前溫濕度情況，測控終端設(shè)備與主機始終連接穩(wěn)定。測試結(jié)果如圖4和圖5所示。

5? 結(jié)束語

該系統(tǒng)針對變電站監(jiān)控采取了一系列智能化的設(shè)計，在采集、通信、控制等方面進行模塊化設(shè)計，能夠很好地突出模塊化的特點與優(yōu)勢，結(jié)合傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、計算機、遠程控制等技術(shù)，減少人員的出入和降低檢測的誤差，工作人員可以通過平臺端和智能手機APP實時接收變電站內(nèi)部環(huán)境信息，安全高效地對變電站進行遠程操控。經(jīng)過實驗證明，設(shè)備具備長時間穩(wěn)定工作、實時監(jiān)控穩(wěn)定、數(shù)據(jù)誤報率低、操作方便等特點，突破了傳統(tǒng)變電站數(shù)據(jù)監(jiān)測的瓶頸，具備很高的可拓展性，為實現(xiàn)變電站智能化、平臺化具有重要意義。另外，測試結(jié)果表明，整個系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性，在變電站內(nèi)部可以實現(xiàn)充分覆蓋，而且成本低、功耗低，具有較高的應(yīng)用價值。在智慧電網(wǎng)發(fā)展的大背景下，隨著人工智能的發(fā)展，更多創(chuàng)新的設(shè)計等待進一步探索和應(yīng)用。

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