國網(wǎng)上海市電力公司市區(qū)供電公司 胡海敏 沈主浮 李佳文 范進(jìn)軍 上海服澤能源科技有限公司 孫程旭 周 琪

1 引言

隨著我國智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷推進(jìn)，電力環(huán)網(wǎng)柜作為電網(wǎng)面向智能化發(fā)展的重中之重。在保證安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下實(shí)現(xiàn)無人值守，是新形勢(shì)下電力環(huán)網(wǎng)柜發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。

隨著城市的建設(shè)發(fā)展速度加快，用戶對(duì)用電的需求正在逐漸增大，僅上海地區(qū)的變配電站數(shù)量就多達(dá)上萬個(gè)，配套的環(huán)網(wǎng)柜更是不計(jì)其數(shù)。為了提高用戶用電的可靠性，需要保證輸配電系統(tǒng)內(nèi)每臺(tái)設(shè)備以健康的狀態(tài)運(yùn)行。在變配電站數(shù)量及環(huán)網(wǎng)柜數(shù)量不斷增多的情況下，人工巡檢的方式已經(jīng)不能滿足對(duì)輸配電網(wǎng)設(shè)備安全管理的要求，嚴(yán)重影響輸配電網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化系統(tǒng)的安全性[2]。

為了全面掌握變電站內(nèi)環(huán)網(wǎng)柜實(shí)時(shí)運(yùn)行情況、及早發(fā)現(xiàn)故障設(shè)備[3]，本文研究出一種物聯(lián)網(wǎng)環(huán)網(wǎng)柜智能監(jiān)控診斷裝置，為系統(tǒng)帶來了可靠性、供電質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益和服務(wù)水平等的提升。診斷裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)部環(huán)境，可定期反饋數(shù)據(jù)，也可根據(jù)定義對(duì)于緊急突發(fā)事件進(jìn)行即時(shí)反饋。主站控制中心同時(shí)監(jiān)控多路設(shè)備反饋情況，有歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及預(yù)警，也有即時(shí)緊急情況報(bào)警。運(yùn)維人員配有手持終端，可在巡檢過程中及時(shí)同步設(shè)備情況。

2 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)網(wǎng)柜智能檢測(cè)診斷裝置的組成和功能

物聯(lián)網(wǎng)環(huán)網(wǎng)柜智能檢測(cè)診斷裝置是一種可以二十四小時(shí)不間斷監(jiān)測(cè)變電站內(nèi)環(huán)網(wǎng)柜的輔助檢測(cè)裝置[4]，其主要構(gòu)成如圖1所示，包括多個(gè)環(huán)境數(shù)據(jù)采樣單元和后臺(tái)數(shù)據(jù)中心單元、顯示及手持終端設(shè)備。環(huán)境數(shù)據(jù)采樣單元是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)最前端的設(shè)備，依靠簡(jiǎn)易支架固定在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，通過紅外測(cè)溫傳感器、溫濕度傳感器和煙霧傳感器獲取設(shè)備及環(huán)境數(shù)據(jù)參數(shù)[5]，本方案通過使用高性能的ARM Cortex ?-M3 32位的STM32F103芯片可以較大程度上提高整體系統(tǒng)的計(jì)算性能。對(duì)于目標(biāo)監(jiān)測(cè)范圍較大時(shí)，可以通過多個(gè)環(huán)境數(shù)據(jù)采樣單元進(jìn)行分布式布置，由一個(gè)數(shù)據(jù)分析中心進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總。環(huán)境分析單元中的診斷分析系統(tǒng)利用多種圖表對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行診斷分析[6]。

如圖2所示，系統(tǒng)軟件模塊由數(shù)據(jù)處理單元、信號(hào)采集單元、通信單元和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫組成[7]。以STM32為核心處理器，控制采集信號(hào)的前置處理并完成TCP／IP 協(xié)議。數(shù)據(jù)采集器對(duì)信號(hào)的前置處理包括、低通濾波、信號(hào)隔離和模數(shù)轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)采集器采用通用以太網(wǎng)接口芯片RTL8019AS 來完成CSMA／CD 協(xié)議、MAC 協(xié)議和物理層協(xié)議的功能，協(xié)議的其他部分功能則由STM32軟件實(shí)現(xiàn)[8]。

圖2 系統(tǒng)軟件模塊的基本組成

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主控系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖3所示，主控系統(tǒng)CPU 單元選用意法半導(dǎo)體公司的STM32系列的STM32F103ZET6芯片。該芯片可以高效地完成一系列復(fù)雜的計(jì)算和控制任務(wù)；內(nèi)部集成了512KB FLASH 和64KB SRAM，減少了外圍擴(kuò)展電路，基本滿足環(huán)境數(shù)據(jù)采樣、預(yù)處理和網(wǎng)絡(luò)通信的要求。

圖3 主控系統(tǒng)的基本構(gòu)成

主控系統(tǒng)在CPU 單元基礎(chǔ)上，擴(kuò)展若干外部接口以滿足充電寶監(jiān)測(cè)和管理功能的需要。

3.2 環(huán)境數(shù)據(jù)采樣電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集單元數(shù)據(jù)采集單元包括溫濕度傳感器、紅外測(cè)溫傳感器、煙霧檢測(cè)傳感器。

溫濕度信號(hào)使用DHT11芯片完成采集功能，DHT11是一款濕溫度一體化的數(shù)字傳感器。傳感器內(nèi)部濕度和溫度數(shù)據(jù)40Bit 的數(shù)據(jù)一次性傳給單片機(jī)，數(shù)據(jù)采用校驗(yàn)和方式進(jìn)行校驗(yàn)，有效的保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。DHT11功耗很低，5V 電源電壓下，工作平均最大電流0.5mA。該芯片主要有如下特性:

工作電壓范圍：3.5V-5.5V

工作電流：平均0.5mA

濕度測(cè)量范圍：20－90%RH

溫度測(cè)量范圍：0－50℃

濕度分辨率：1%RH8位

圖4 環(huán)境采樣單元電路設(shè)計(jì)

溫度分辨率：1℃8位

采樣周期：1S

單總線結(jié)構(gòu)與 TTL 兼容（5V）

熱紅外溫度信號(hào)使用MLX90614芯片完成采集功能，MLX90614模塊是一組通用的紅外測(cè)溫模塊。在出廠前該模塊已進(jìn)行校驗(yàn)及線性化，具有非接觸、體積小、精度高，成本低等優(yōu)點(diǎn)。被測(cè)目標(biāo)溫度和環(huán)境溫度能通過單通道輸出，并有兩種輸出接口。

紅外測(cè)溫是根據(jù)被測(cè)物體的紅外輻射能量來確定物體的溫度，不與被測(cè)物體接觸，具有影響動(dòng)被測(cè)物體溫度分布場(chǎng)，溫度分辨率高、響應(yīng)速度快、測(cè)溫范圍廣、不受測(cè)溫上限的限制、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，近年來在家庭自動(dòng)化、汽車電子、航空和軍事上得到越來越廣泛的應(yīng)用。該芯片主要有如下特性:

傳感器溫度范圍-40℃-125℃，物體溫度范圍-70℃-380℃

Ta 和To 由0-50℃溫度范圍內(nèi)，精度可達(dá)到0.5℃（醫(yī)用）高精度校準(zhǔn)

測(cè)量辨析度可達(dá)0.02℃

3V 和5V 電源電壓

適用于不同應(yīng)用領(lǐng)域的多種封裝方式和測(cè)量方式

煙霧信號(hào)使用MQ131芯片完成采集功能，MQ131氣敏元件具有快速的響應(yīng)恢復(fù)及較高的靈敏度，適應(yīng)長(zhǎng)期的工作，穩(wěn)定性強(qiáng)。

該芯片主要有如下特性:

具有信號(hào)輸出指示燈指示；

雙路信號(hào)輸出（模擬量輸出及TTL 電平輸出）；

模擬量輸出隨濃度增加而增加，濃度越高電壓越高；

對(duì)臭氧氣體具有很高的靈敏度，（探測(cè)濃度范圍10PPB-2PPM）；

具有長(zhǎng)期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性；

快速的響應(yīng)恢復(fù)特性。

3.3 網(wǎng)絡(luò)通信電路設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)通信單元采用一片ESP8266芯片完成信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)傳輸功能。

ESP8266是高性能無線SOC。以低成本提供最大實(shí)用性，為Wi-Fi 功能嵌入其他系統(tǒng)提供無限可能。ESP8266強(qiáng)大的片上處理和存儲(chǔ)能力，使其可通過GPIO 口集成傳感器及其他應(yīng)用的特定設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了最低前期的開發(fā)和運(yùn)行中最少地占用系統(tǒng)資源。該芯片主要有如下特性:

支持8個(gè)獨(dú)立端口（Socket）同時(shí)通訊；

支持網(wǎng)絡(luò)喚醒；

支持高速串行外設(shè)接口（SPI 模式0,3）；

支持自動(dòng)協(xié)商（10/100-Based 全雙工/半雙工）；

3.3V 工作電壓，I/0信號(hào)口5V 耐壓；

LED 狀態(tài)顯示(全雙工/半雙工，網(wǎng)絡(luò)連接，網(wǎng)絡(luò)速度，活動(dòng)狀態(tài))。

圖5 網(wǎng)絡(luò)通信芯片電路設(shè)計(jì)

3.4 電源電路設(shè)計(jì)

智能檢測(cè)診斷系統(tǒng)以12V 直流電源為電源輸入，通過5V 穩(wěn)壓芯片和3.3V 穩(wěn)壓芯片生成5V 穩(wěn)壓電源和3.3V 穩(wěn)壓電源，結(jié)合功率需求得出各模塊選型如表1所示。

表1

主電源電路設(shè)計(jì)如下圖所示：

TPS7A47是一款正電壓（+36V）超低噪聲（4μVRMS)）低壓降線性穩(wěn)壓器（LDO）系列產(chǎn)品，能夠提供1A 負(fù)載。該電源模塊通過外部電阻配置來調(diào)節(jié)輸出電壓，最高可到20.5V，外圍電路簡(jiǎn)單靈活，具有精度高，輸出穩(wěn)定的特點(diǎn)，輸出電壓Vout 為配置電壓與Vref（1.4V）之和，如下式所示：

圖6 電源電路設(shè)計(jì)

為了保證系統(tǒng)控制板運(yùn)行的可靠性以及可維修性，使用雙5V 冗余電路設(shè)計(jì)，冗余電源電路設(shè)計(jì)可以保證在任一路電源失效的情況下監(jiān)控系統(tǒng)不會(huì)停止工作或者動(dòng)作失常。

4 智能監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 嵌入式控制系統(tǒng)基本框架設(shè)計(jì)

根據(jù)智能監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)嵌入式控制系統(tǒng)現(xiàn)狀和環(huán)網(wǎng)柜巡檢作業(yè)需求，智能監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：熱紅外測(cè)溫傳感器數(shù)據(jù)采集及處理；溫濕度傳感器數(shù)據(jù)采集及處理；煙霧傳感器數(shù)據(jù)采集及處理；進(jìn)行安全防護(hù)報(bào)警，蜂鳴器及閃光提示；串口通信、網(wǎng)絡(luò)通信功能；能源管理策略。

智能監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)嵌入式控制系統(tǒng)采用μC/OS-II 作為MCU 內(nèi)嵌的操作系統(tǒng)，μC/OS-II 是一種可移植的、可裁剪的、可植入ROM 的、搶占式的，實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核。它被廣泛應(yīng)用于微處理器、微控制器和數(shù)字信號(hào)處理器內(nèi)。

智能監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)嵌入式控制系統(tǒng)在μ C/OS-II 內(nèi)核上為無線網(wǎng)絡(luò)通信控制、數(shù)據(jù)采集及處理、安全管理和電源管理等任務(wù)分別設(shè)計(jì)獨(dú)立的任務(wù),任務(wù)間通過信號(hào)和共享內(nèi)存的方式交換數(shù)據(jù)。

4.2 后臺(tái)數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)

后臺(tái)程序架設(shè)在Web 端，使用H5進(jìn)行前端頁面編程，后端為保證程序擴(kuò)展性和穩(wěn)定性使用Java語言開發(fā)，采用前后端分離方式進(jìn)行開發(fā)，后端使用Springboot 框架，將各個(gè)模塊獨(dú)立，相互不影響，提升程序穩(wěn)定性。

4.2.1 后臺(tái)基本架構(gòu)設(shè)計(jì)

軟件方面主要分成四個(gè)模塊：

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查看模塊：硬件傳感器采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送住主板進(jìn)行處理后通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行規(guī)約解析、數(shù)據(jù)解析等操作。移動(dòng)終端設(shè)備上查看相應(yīng)數(shù)據(jù)則通過請(qǐng)求指定接口來獲取數(shù)據(jù)，在相應(yīng)的頁面上給用戶展示數(shù)據(jù)。（硬件每次向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，頁面刷新一次，獲取最新的數(shù)據(jù)給用戶展示。）

歷史記錄（日志）查看模塊：服務(wù)器端將硬件側(cè)傳過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)約解析、數(shù)據(jù)解析后存在服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中，再給每條數(shù)據(jù)加上時(shí)間戳，用戶可以按照時(shí)間軸來查看對(duì)于時(shí)間內(nèi)每個(gè)監(jiān)測(cè)端的歷史數(shù)據(jù)記錄。也可用曲線圖的方式展示在一定時(shí)段內(nèi)各項(xiàng)采集數(shù)據(jù)的數(shù)值變化曲線。

視頻查看模塊：通過調(diào)用第三方接口，實(shí)現(xiàn)攝像頭數(shù)據(jù)流的接入，在前端解析數(shù)據(jù)流，查看視頻。

管理模塊：用戶可對(duì)使用該程序的人員進(jìn)行管理，對(duì)人員進(jìn)行增刪改查等一系列操作。

4.2.2 后臺(tái)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

表2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)記錄表

5 驗(yàn)證和測(cè)試

為了驗(yàn)證本文提出的硬件方案和數(shù)據(jù)采樣算法的有效性，根據(jù)本文方案研制了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能監(jiān)測(cè)診斷裝置和配套上位機(jī)控制系統(tǒng)。在初步測(cè)試完成后，繼續(xù)實(shí)際電站的作業(yè)環(huán)境下對(duì)智能監(jiān)測(cè)診斷裝置的溫濕度采集功能、煙霧監(jiān)測(cè)功能、紅外測(cè)溫功能、數(shù)據(jù)分析功能、無線通信功能、環(huán)境檢測(cè)功能、故障診斷分析、安全管理功能、巡檢數(shù)據(jù)庫記錄和查詢功能及上位機(jī)控制軟件等進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，通過試驗(yàn)反饋對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)和優(yōu)化，形成了較為穩(wěn)定可靠的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能監(jiān)測(cè)診斷裝置。

通過連續(xù)六個(gè)月的使用系統(tǒng)工作正常，能夠準(zhǔn)確的對(duì)特定故障進(jìn)行預(yù)警，并且在故障發(fā)生時(shí)能夠及時(shí)報(bào)警提示，滿足實(shí)際使用需求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能監(jiān)測(cè)診斷裝置系統(tǒng)方案穩(wěn)定、可靠，有實(shí)用價(jià)值，具有推廣應(yīng)用的前景。