王越，陳亮，陳文杰，吳曉升，陳永杰，孔祥松

（廈門(mén)理工學(xué)院福建省高電壓技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建廈門(mén)361024）

基于遠(yuǎn)程通信通用型電氣設(shè)備智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

王越，陳亮，陳文杰，吳曉升，陳永杰，孔祥松

（廈門(mén)理工學(xué)院福建省高電壓技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建廈門(mén)361024）

針對(duì)通用電氣設(shè)備裝置的智能化監(jiān)測(cè)需求，提出了一種集數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程智能防護(hù)等功能于一體的新型電氣設(shè)備智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以HT66F70A微控制器為核心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理；在Web端、微信端開(kāi)發(fā)各功能模塊應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電氣設(shè)備狀態(tài)及關(guān)鍵參量的一體化監(jiān)測(cè)，提高了系統(tǒng)的可靠性和集成度。

電氣設(shè)備；互聯(lián)網(wǎng)；微控制器；遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)；云端數(shù)據(jù)

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.132

1 引言

傳統(tǒng)電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制由工程師就地完成，工程師勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)壓力大，同時(shí)因就地操作的滯后性及隨機(jī)性，難以對(duì)電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)地實(shí)時(shí)響應(yīng)，也不能完全確保電氣設(shè)備的安全運(yùn)行。因此，研究電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)及其在線控制對(duì)于電氣設(shè)備的應(yīng)用具有重要意義[1]。

2 系統(tǒng)功能概述

電氣設(shè)備智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）包含4大子模塊、3大子系統(tǒng)。在底層通過(guò)傳感器采集數(shù)據(jù)，交由MCU處理數(shù)據(jù)后，在底層顯示數(shù)據(jù)，或通過(guò)無(wú)線模塊傳輸至中控PC并寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)而經(jīng)公網(wǎng)在新媒體平臺(tái)上遠(yuǎn)程顯示各項(xiàng)分析數(shù)據(jù)。

2.1 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

能夠?qū)﹄妷?、電流、溫度、濕度、有毒氣體泄漏、隔離開(kāi)關(guān)分合狀態(tài)、手車(chē)位置（開(kāi)關(guān)柜）等進(jìn)行全天候監(jiān)測(cè)，并通過(guò)LCD顯示屏和LED燈顯示狀態(tài)。

2.2 云端數(shù)據(jù)平臺(tái)

1）中控端將數(shù)據(jù)進(jìn)行備份并傳輸至云端；

2）在Web端、微信平臺(tái)獲得歷史數(shù)據(jù)及圖表。

2.3 智能防護(hù)系統(tǒng)

1）異常報(bào)警：微信消息、短信和郵件告警；

2）安全鎖止：在未達(dá)開(kāi)啟條件時(shí)，安全鎖無(wú)法開(kāi)啟，實(shí)現(xiàn)人身防護(hù)；

3）多權(quán)限管理：提供多種權(quán)限控制方式，方便不同等級(jí)管理者進(jìn)行管理操作或讀取操作等；

4）多層次應(yīng)急預(yù)案：當(dāng)各個(gè)模塊檢測(cè)到的數(shù)值達(dá)到某一級(jí)預(yù)警閾值時(shí)，應(yīng)急系統(tǒng)將會(huì)啟動(dòng)相應(yīng)的預(yù)案來(lái)確保安全。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)的主要功能模塊

3.1 數(shù)據(jù)采集

溫度傳感器采用I2C通訊方式，向單片機(jī)傳輸數(shù)據(jù)[2]；電壓、電流傳感器是將被測(cè)電壓與電流量轉(zhuǎn)換為1～5VDC輸出，并使用MCU的A/D轉(zhuǎn)換功能傳入數(shù)據(jù)；濕度傳感器同樣通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換把0.1～3V DC輸出轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字量信號(hào)傳入單片機(jī)；開(kāi)關(guān)量輸出模塊（如開(kāi)關(guān)柜中的手車(chē)位置檢測(cè)、隔離開(kāi)關(guān)檢測(cè)、接地開(kāi)關(guān)檢測(cè)）將邏輯電平信號(hào)輸入MCU的I/0口。最后，MCU將驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的LED警報(bào)燈和LCD顯示屏顯示電氣設(shè)備的狀態(tài)。

3.2 數(shù)據(jù)處理

核心MCU采用HT66F70A（8位），具有體積小、低電耗、高集成度的優(yōu)點(diǎn)，還有ESD功能，確保單片機(jī)在電氣設(shè)備惡劣電磁環(huán)境下可靠地運(yùn)行。

MCU采用限幅濾波來(lái)消噪，首先對(duì)過(guò)大的數(shù)據(jù)在編程時(shí)進(jìn)行篩除。根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定最大與最小范圍值，一旦采集到的數(shù)據(jù)不處于這個(gè)范圍內(nèi)，則認(rèn)為數(shù)據(jù)出錯(cuò)，舍棄這次數(shù)據(jù)重新采集。最后根據(jù)傳感器所能采集到最小分辨值判斷，確定兩次采樣允許的最大偏差值A(chǔ),每當(dāng)檢測(cè)到新值時(shí)判斷：如果本次采樣值與上次采樣值之差小于等于A，則本次數(shù)據(jù)有效；否則本次數(shù)據(jù)無(wú)效,放棄本次數(shù)據(jù)，用上次數(shù)據(jù)代替本次數(shù)據(jù)。

3.3 無(wú)線傳輸與數(shù)據(jù)庫(kù)

3.3.1 無(wú)線傳輸

無(wú)線傳輸采用NRF24L01（2.4GHz）模塊，工作頻段為通用2.4/2.5GHz的ISM頻段。頻道選擇可通過(guò)SPI口設(shè)置。2.4GHz頻段傳輸距離高（可達(dá)100m），為推薦設(shè)置。模塊通過(guò)SPI口與MCU通信，同時(shí)模塊間可多對(duì)多通信，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備組網(wǎng)[3]。

3.3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)與服務(wù)器搭建

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySQL。它具有使用方便、省去數(shù)據(jù)遷移等優(yōu)點(diǎn)。使用數(shù)據(jù)容量較小的庫(kù)，并與其他應(yīng)用放在同一臺(tái)服務(wù)器上，這樣使得讀取速度更快，而且較為經(jīng)濟(jì)；將資料存放在自建的數(shù)據(jù)庫(kù)中安全性更高，大大降低數(shù)據(jù)被盜用的風(fēng)險(xiǎn)。

服務(wù)器搭建采用LAMP環(huán)境結(jié)構(gòu)，因數(shù)據(jù)量較大，系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)分表技術(shù)，可根據(jù)數(shù)據(jù)采集時(shí)間段進(jìn)行分塊，從而達(dá)到縮短讀寫(xiě)時(shí)間的目的。

3.4 云端數(shù)據(jù)平臺(tái)

3.4.1 微信端

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)HTTP協(xié)議傳輸XML格式數(shù)據(jù)到微信服務(wù)器。微信端框架根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)特性進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、菜單組成。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)曲線；歷史數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，可縮放查詢；菜單可鏈接到監(jiān)測(cè)Web端，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖形化呈現(xiàn)。自定義菜單可增強(qiáng)工程師的人機(jī)交互體驗(yàn)。

3.4.2 Web端

Web端在微信端功能基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化展示，HTML采用扁平化設(shè)計(jì)，美觀且完美適配I0S、Android等設(shè)備，報(bào)表采用Echart設(shè)計(jì)，使數(shù)據(jù)顯示更加靈活，便于統(tǒng)計(jì)分析。

3.4.3 分級(jí)權(quán)限管理

針對(duì)不同等級(jí)管理人員及工程師，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套梯度控制權(quán)限管理系統(tǒng)。既方便不同等級(jí)操作者進(jìn)行管理，也可防止不必要的誤操作而導(dǎo)致事故發(fā)生，從而保障系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行。

4 應(yīng)急預(yù)案

應(yīng)急預(yù)案可預(yù)設(shè)。以開(kāi)關(guān)柜為例，其應(yīng)急預(yù)案包括4個(gè)預(yù)案等級(jí)：綠、黃、紅、紫。由警報(bào)燈、警報(bào)器提示。綠燈為正常狀態(tài)。

1）黃色預(yù)警工況（微信、短信、郵件提醒）

（1）持續(xù)12h溫度大于40℃；

（2）持續(xù)12h濕度大于80%；

（3）電子鎖異常；

（4）MCU供電電源低于4V。

2）紅色預(yù)警工況（電話提醒）

（1）設(shè)備溫度大于60℃；

（2）電壓大于1.1Un或者小于0.9Un；

（3）電流大于Imax。

出現(xiàn)嚴(yán)重工況，觸發(fā)紫色預(yù)案（直接斷電等）。

5 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)基于單片機(jī)與傳感器的技術(shù)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了對(duì)電氣設(shè)備的遠(yuǎn)程在線監(jiān)控，系統(tǒng)擁有多數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與多樣化數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的人機(jī)交互與可操作性，具有性能可靠、成本低、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)電氣設(shè)備監(jiān)測(cè)所帶來(lái)的資源浪費(fèi)、滯后性、隨機(jī)性等缺點(diǎn)。提高設(shè)備之間的信息聯(lián)系交互能力和預(yù)警能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸變電設(shè)備的全景實(shí)時(shí)感知、多維智能監(jiān)測(cè)與控制，為電氣設(shè)備遠(yuǎn)程智能在線監(jiān)控的應(yīng)用奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ)[4]。

【1】李勇.低壓配電開(kāi)關(guān)柜智能監(jiān)控單元設(shè)計(jì)[D].成都：成都理工大學(xué)，2013.

【2】陳金艦.開(kāi)關(guān)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造的分析與實(shí)踐探討[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2014(4):33-34.

【3】侯磊.10kV高壓開(kāi)關(guān)柜無(wú)線測(cè)溫技術(shù)研究[D].廈門(mén)：廈門(mén)大學(xué)，2014.

【4】張振國(guó).高壓開(kāi)關(guān)柜溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].太原：太原理工大學(xué)，2013.

Remote-based Intelligent On-line Monitoring System for Universal Electrical Equipment

WANG Yue,CHEN Liang,CHEN Wen-jie,WU Xiao-sheng,CHEN Yong-jie,KONG Xiang-song
(High-voltage Key Laboratory,Xiamen University of Technology in Fujian Province,Xiamen 361024,China)

With the requirement of intelligent monitoring of universal electric equipment，this paper proposes a new intelligent monitoring system to the electrical equipment which is comprising data monitoring function and remote intelligent security function.The system takes HT66F70 A microcontroller as the core,realizing data acquisition and processing;the exploitation of the applications about various functional module on Web and We Chat realizes the integrated monitoring to the electrical equipment and important parameter and improves the reliability and integration of thesystem.

electrical equipment;Internet;m icrocontroller;remote monitoring;cloud data

TN914

A

1007-9467（2016）08-0240-02

2016-07-25

王越（1993～），男，山西忻州人，從事高低壓電力設(shè)備監(jiān)測(cè)與控制研究。