基于智能監(jiān)控的預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)分析研究

國網(wǎng)重慶市電力公司萬州供電分公司 張 偉 宋昌舉 胡偉楠 劉 偉 王劍飛 項 波 柏福生 蔣新川

社會的進步和科技技術(shù)的飛速發(fā)展使民眾對日常環(huán)境更加注重，對實時基本監(jiān)測也有更高的要求。本文提出了一種基于STM32的低功耗，高性能的自動基本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計方案,并詳細說明系統(tǒng)軟件的設(shè)計方法，以確保數(shù)據(jù)的收集、控制和處理，實現(xiàn)了自動基本站數(shù)據(jù)的實時顯示和LCD液晶顯示功能，這使得能實時收集和監(jiān)測數(shù)據(jù)。

1 相關(guān)情況

1.1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，國外計算機和電子信息技術(shù)在基本數(shù)據(jù)采集方面日趨成熟，以色列等國家開發(fā)研制的基本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)取得了良好的效果。這些系統(tǒng)的終端通常都裝有太陽能電池，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍也很廣，實現(xiàn)了實時聯(lián)網(wǎng)。國內(nèi)生產(chǎn)的基本監(jiān)測系統(tǒng)中的基本要素傳感器大多是由我國國內(nèi)的廠家生產(chǎn)，但由于技術(shù)水平的限制，傳感器的可靠性和準確性都不是很好，同時需要觀測的基本信息僅限于溫度、濕度、門禁、水位和降水這六種傳統(tǒng)基本要素，種類不夠豐富。

基本監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測部位需要納入能見度、太陽輻射、云、土壤和水的溫度、土壤濕度等基本要素，應(yīng)當從國外進口或者在國內(nèi)研制相關(guān)基本設(shè)備。同時這種設(shè)備現(xiàn)在能根據(jù)開發(fā)人員的不同要求確定基本站傳感器的類型和數(shù)量，并能進行設(shè)計相關(guān)的基本監(jiān)測系統(tǒng)。這種系統(tǒng)在實踐中很容易操作。目前，大多數(shù)基本監(jiān)測系統(tǒng)，通常是使用通用的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，使用戶能靈活地調(diào)整數(shù)據(jù)的輸出格式，在復(fù)雜的自然條件下，基本監(jiān)測系統(tǒng)只能在具有一定的防護條件下使用。該設(shè)備操作簡單、維護方便，能適應(yīng)各種不利的自然條件。

1.2 現(xiàn)有變壓器監(jiān)測的痛點

大部分無法實時快速監(jiān)測：以往傳統(tǒng)的監(jiān)測都是人工按月份、季度、年度等巡檢的辦法來進行對設(shè)備進行維護，無法對變壓器的溫度等運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測；人工成本高：需要安排特定的人員隊伍對設(shè)備進行按時巡檢，人員工資、車輛費用、差旅費用等都需要開支不小的費用；排查難度高：無法對具體哪個位置的變壓器問題進行精準定位；不能提前發(fā)現(xiàn)故障：由于無法實時對變壓器運行參數(shù)進行監(jiān)測，也就無法提前判斷變壓器存在的潛在問題。

1.3 產(chǎn)品主要技術(shù)指標

供電電源7.5～40V、DC300mA；變壓器測試指標：工作電流測試。測試范圍2A～500A、分辨率0.5A、顯示范圍0～800A、精度±2%；工作電壓測試。測試范圍100V～225kV、分辨率100V、顯示范圍100～360kV、精度±2%。接地電阻測試指標：測量誤差方法為全波整流、測量范圍0～20Ω、顯示范圍0～20Ω分辨率0.1Ω頻率范圍。交流/直流45～400Hz正弦波、精度。±讀數(shù)的5%、測量序列。約4次測量/秒、內(nèi)阻約1.5MΩ。測試溫度：貼片測試-50～120℃。

1.4 智能監(jiān)測預(yù)警運用背景

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電網(wǎng)的容量、電壓等級不斷提高，變壓器作為供電系統(tǒng)中最重要的電氣設(shè)備，其安全運行與否直接關(guān)系到電力系統(tǒng)能否連續(xù)穩(wěn)定地工作。特別是在設(shè)備長期運行過程中,會因制造、運輸、安裝不良、過載及老化引起接觸電阻過大而發(fā)熱，且大型變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價昂貴，如果這些發(fā)熱部位的溫度無法監(jiān)測、得不到及時檢修，一旦發(fā)生嚴重故障而損壞將給維修工作帶來很大困難，造成經(jīng)濟上的重大損失。

近年來，在發(fā)電廠和變電站已發(fā)生過多起變壓器過熱、造成火災(zāi)和大面積的停電事故，且影響極大。由于電力變壓器是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備，它在整個電力系統(tǒng)中起著能量和電壓轉(zhuǎn)換的作用，其安全運行關(guān)系到整個電力系統(tǒng)能否連續(xù)穩(wěn)定的工作。鑒于電力變壓器在系統(tǒng)中的重要性，電力變壓器的保護一直受到世人的重視和關(guān)注。為避免此類事故的發(fā)生，基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變壓器在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)運而生，該系統(tǒng)可實時監(jiān)測變壓器的電流、電壓、溫度、接地電阻等信息，在數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常波動時系統(tǒng)自動發(fā)出報警，提醒維護或安全監(jiān)管人員即時處置，將故障消滅在萌芽狀態(tài)，避免事故發(fā)生。

2 智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

2.1 智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的功能

地圖導(dǎo)航。綜合電子地圖顯示變壓器的分布情況并匯總變壓器數(shù)量，通過點擊圖標可跳至變壓器的詳細信息；實時數(shù)據(jù)監(jiān)測。可查看某現(xiàn)場變壓器的電流、電壓、溫度、接地電阻等實時數(shù)據(jù)，并可以實時曲線的方式表現(xiàn)出來；事件報警。本系統(tǒng)可遠程監(jiān)測變壓器的電流、電壓、溫度、接地電阻等數(shù)據(jù)，并針對各數(shù)據(jù)設(shè)置報警閾值，如超標可自動平臺推送報警提示并觸發(fā)聲光報警，同時把報警時間同步推送到管理人員的手機上，提醒管理人員及時處理；歷史數(shù)據(jù)查詢。系統(tǒng)包含豐富的歷史數(shù)據(jù)查看與管理功能，可隨時調(diào)取查看變壓器運行歷史數(shù)據(jù)，可根據(jù)時間、設(shè)備名稱、安裝地點等參數(shù)，快速查詢對應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)信息，并支持導(dǎo)出與打印以便存檔[1]。

2.2 智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的組成

電流采集模塊。采用的芯片有一個電流輸出端，可用一個電阻來簡單的實現(xiàn)以大地為參考點的電流轉(zhuǎn)換，并可工作在較寬的電壓范圍內(nèi)。擁有完美的高端電流監(jiān)測功能，內(nèi)部含有精密的內(nèi)部監(jiān)測電阻，在工作范圍內(nèi)精度誤差不超過±2%。

電壓信號處理模塊。采用的芯片進行對電壓的采集與A/D轉(zhuǎn)換，芯片是經(jīng)過激光修正的單片精密真有效值A(chǔ)C/DC轉(zhuǎn)換器。其主要特點是準確度高、靈敏性好（滿量程為200mVRMS）、測量速率快、頻率特性好（工作頻率范圍可達0～460kHz）、輸入阻抗高、輸出阻抗低、電源范圍寬且功耗低最大的電源工作電流為200μA，用它來測量正弦波電壓的綜合誤差不超過±3%。在測量電壓時，由于變壓器的電壓量值較大，需先通過電壓互感器將交流高電壓降低為交流低壓，以便于所設(shè)計的電壓監(jiān)測控制模塊的安全與有效處理。

溫度采集模塊。芯片采用冷端溫度補償、熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器可進行冷端溫度補償，并將K型熱電偶信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。數(shù)據(jù)輸出為12位分辨率、SPI兼容、只讀格式。轉(zhuǎn)換器溫度分辨率為0.25℃，可讀取溫度達+1024℃，熱電偶在0℃至+700℃。DHT11的PCB封裝圖如圖1；接地電阻狀態(tài)采集模塊。根據(jù)三點測試原理，利用恒電流做激勵，激勵源采用將2.5～10mA自適應(yīng)恒流交流方波，采集點采用3級濾波，干擾源補充，300～1500Hz變頻等濾波。通過計算機RE軟件控制技術(shù)，抑制地網(wǎng)電壓雜波，使其測量準確。

圖1 溫濕度傳感器PCB圖

警報安全模塊。當電力變壓器的溫度、電流、電壓及接地電阻超出額定值時，系統(tǒng)警報系統(tǒng)將會亮燈、鳴笛給與警示；數(shù)據(jù)的傳輸系統(tǒng)。采用GPRS無線傳輸設(shè)備，它是一款內(nèi)嵌GSM/GPRS核心單元的無線Modem，采用GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)為傳輸媒介，它利用GSM移動通信網(wǎng)絡(luò)的短信息和GPRS業(yè)務(wù)為用戶搭建了一個超遠距離的數(shù)據(jù)傳輸平臺，具有完備的電源管理系統(tǒng)、標準的串行數(shù)據(jù)接口。外觀小巧，軟件接口簡單易用，實時數(shù)據(jù)傳輸[2]。

3 測試與分析

在本系統(tǒng)硬件線路和軟件全部開發(fā)完成后，該系統(tǒng)將進行測試。首先將電腦連接串口的加載器，連接單片機的JTAG口并將STM32單片機上電。然后打開總程序并選擇相應(yīng)的調(diào)試工具，使用STLINK調(diào)試。在連接完畢后查看是否找到單片機，如成功找到就將程序編譯調(diào)試一遍后下載入單片機。

圖2 硬件設(shè)計圖

在調(diào)試過程中偶爾會遇到加載失敗的情況，這時一般通過對單片機的斷電再上電復(fù)位就能下載成功。調(diào)試器啟動后，串口設(shè)定相應(yīng)的通訊格式并輸出數(shù)據(jù)。溫度、濕度、水位、門禁和噪音強度在1秒的時間間隔能實時顯示。這里1秒周期是人為設(shè)定的，可根據(jù)實際情況改變其采集頻率。在經(jīng)過串口調(diào)試正常后再將串口通信得到的數(shù)據(jù)通過LCD12864液晶顯示屏打印出來顯示。由于液晶顯示器的管腳較多且各個功能較繁瑣，所以將顯示器的所有管腳統(tǒng)一接在GPIOB口上，而水位和門禁傳感器由于采用ADC采集，所以接在GPIOA上，而溫濕度傳感器和光照傳感器就接在GPIOC上。其中需要注意傳感器的VCC與GND不能接反，不然傳感器會燒壞。

該系統(tǒng)以STM32的最小系統(tǒng)為基礎(chǔ)，能實時監(jiān)測基本要素，充分利用單片機的功能，高速I/O和存儲容量，通過詳細研究傳感器的原則和電氣特性，對于基本數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)沒有任何連接方面的問題，且測量參數(shù)能保持高度穩(wěn)定性，各通道的采樣性能和基本要素的測量性能能滿足基本數(shù)據(jù)實時監(jiān)測的需要。同時該基本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)當能滿足以下要求：能實時測量出溫度、濕度、噪音強度、門禁、水位等基本要素；能在LCD液晶屏上實現(xiàn)本地顯示采集到的數(shù)據(jù)；能實現(xiàn)通過串口通信輸出數(shù)據(jù)并能發(fā)送給上位機?；緮?shù)據(jù)硬件采集系統(tǒng)主要包括STM32控制系統(tǒng)、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊及LCD顯示屏的本地顯示。該系統(tǒng)通過傳感器壓信號產(chǎn)生的變化來向單片機傳遞基本數(shù)據(jù)的變化，并由串口通信發(fā)送給電腦， LCD液晶顯示屏完成顯示[3]。