朱榮俊，宋吉江，蔡富東，邱 蘭

(1.山東理工大學 電氣與電子工程學院, 山東 淄博 255049； 2.山東信通電子股份有限公司, 山東 淄博 255088)

基于STM32的變電站輔助監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

朱榮俊1，宋吉江1，蔡富東2，邱 蘭1

(1.山東理工大學 電氣與電子工程學院, 山東 淄博 255049； 2.山東信通電子股份有限公司, 山東 淄博 255088)

以STM32單片機作為主控制芯片，設(shè)計了變電站輔助監(jiān)控系統(tǒng).實現(xiàn)了對變電站運行環(huán)境變量的精確測量與控制、對變電站多路狀態(tài)參量的檢測，以及對安防、視頻監(jiān)控等遠程控制；并通過串口實時與監(jiān)控中心握手通訊，達到對變電站輔助監(jiān)控系統(tǒng)全面的信號采集與控制.給出了系統(tǒng)的控制原理、硬件電路原理圖、軟件流程圖、工程應(yīng)用效果分析.

變電站輔助監(jiān)控系統(tǒng)；STM32F103；站端采集系統(tǒng)；動力環(huán)境采集與控制

從20世紀90年代以來，我國開始發(fā)展無人值守變電站，但是智能化水平相對不高，研究最初集中在單系統(tǒng)的控制方面，主要是環(huán)境溫、濕度的采集控制.隨著科技的進步，逐漸引入了視頻監(jiān)控、安防、消防等子系統(tǒng).然而各個模塊之間相對獨立，數(shù)據(jù)交互相對較少，每套模塊都有單獨的控制系統(tǒng)，效率較低[1-4].隨著智能電網(wǎng)的推進，越來越多的學者投入到對智能變電站的研究當中，研究多集中在變電站的上位機軟件設(shè)計及引入新監(jiān)控設(shè)備的應(yīng)用方面[5-10]，軟件設(shè)計內(nèi)容及界面比較簡單，監(jiān)控設(shè)備功能相對單一，本文設(shè)計的變電站輔助監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了監(jiān)控單元與監(jiān)控主機之間的數(shù)據(jù)交互，本設(shè)計參照山東信通電子股份有限公司以往產(chǎn)品在變電站內(nèi)的使用情況，去掉了一些用途不明顯的功能，優(yōu)化了程序算法，降低了硬件成本及系統(tǒng)能耗，提高了數(shù)據(jù)采集的速度，增強了系統(tǒng)的擴展性，豐富了變電站的檢測內(nèi)容，進一步推進了變電站向智能化發(fā)展的步伐.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

一座變電站根據(jù)規(guī)模大小，可配置數(shù)量不同的變電站監(jiān)控模塊.多個監(jiān)控模塊通過串口485與串口服務(wù)器連接，串口服務(wù)器通過RJ45網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控主機進行遠程聯(lián)接.

1.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

系統(tǒng)功能有：(1)對變電站運行環(huán)境的溫、濕度的實時采集。(2)對安防、門禁、六氟化硫、消防、浸水等系統(tǒng)24路狀態(tài)量的檢測.(3)對變電站運行環(huán)境溫、濕度的主動控制，移動視頻的控制，智能燈光照明、警號、警燈、喊話等控制.(4)通過串口485實時與監(jiān)控中心握手通訊，達到對變電站輔助監(jiān)控系統(tǒng)全面的信號采集與控制. (5)現(xiàn)場檢測設(shè)備有較高的靈敏度、可靠性、抗干擾能力.測溫范圍0～80℃；測溫精度：±0.5℃；測濕范圍0～100% RH；測濕精度：±2.5%RH.，變電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖 1 變電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)組成及工作原理

1.2.1 系統(tǒng)的組成

智能變電站端信息采集控制系統(tǒng)以意法半導體公司的STM32F103 ARM芯片為核心，采用溫濕度測量、開關(guān)量的狀態(tài)采集、GPIO的輸出控制及驅(qū)動、串口485通訊、輸入輸出光電隔離等技術(shù)，以溫濕度傳感器、電纜溝浸水傳感器為測量元件，以室內(nèi)環(huán)境溫濕度、電纜溝浸水為控制目標對風機、空調(diào)、水泵、除濕機等設(shè)備進行設(shè)定目標控制.系統(tǒng)可分為時鐘電路、電源供電電路、模擬量采集電路、開關(guān)量采集電路、溫濕度和室內(nèi)浸水的控制電路、串口485通訊等電路.選用的主要器件有STM32F103VET6控制芯片、溫濕度傳感器、風機、空調(diào)、除濕機、水泵、警號、警燈、喊話設(shè)備、串口服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、遠程監(jiān)控主機、電子圍欄、門禁、六氟化硫、煙感、紅外雙鑒、紅外對射、移動物體偵測器、消防系統(tǒng)等.

1.2.2 系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)以STM32F103VET6芯片為控制核心，進行數(shù)據(jù)狀態(tài)量和模擬量的采集、相應(yīng)控制量的控制；按照設(shè)計的串口通訊協(xié)議指令進行數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)存儲、打包處理、校驗及傳送；實時采集變電站的24路狀態(tài)量(報送給上位機進行事件的處理)；采集各個環(huán)境室內(nèi)的溫濕度、浸水等信息，如果產(chǎn)生報警信號，則對風機、空調(diào)、除濕機、水泵等進行控制；采集電子圍欄等安防信息，進行智能照明、警號警燈、喊話、智能視頻開啟控制等.在整個系統(tǒng)中，采用uC/OS II操作系統(tǒng)，進行多任務(wù)的調(diào)度處理，A/D采集數(shù)據(jù)用DMA進行數(shù)據(jù)的搬移，整個系統(tǒng)采用C語言編程.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 時鐘電路

STM32有三種不同的時鐘源，包括HSI振蕩器時鐘、HSE振蕩器時鐘、PLL時鐘，可被用來驅(qū)動系統(tǒng)時鐘(SYSCLK)，本設(shè)計選用8M外部高速晶振和32.768K低速晶振，用PLL鎖相環(huán)來為系統(tǒng)提供時鐘，系統(tǒng)時鐘為16M.

2.2 供電電源設(shè)計

STM32F103控制芯片所需的電源為3.3V，選用的芯片為AMS1117-3.3，如圖2所示.A/D采集參考電壓為2.5V，如圖3所示，選用的芯片為MAX6025.

圖2 控制芯片所需的電源

圖 3 A/D采集參考電壓

2.3 A/D采集電路設(shè)計

A/D采集電路，AIn7為傳感器信號的輸入端，考慮到傳感器的兼容性及日后應(yīng)用的通用性，設(shè)計了可以采集電流型及電壓型兩種傳感器輸入信號，如圖4所示.

被試是246名來自貴州省貴陽市、銅仁市、黔東南和黔南地區(qū)4所高師院校數(shù)學與應(yīng)用數(shù)學專業(yè)（師范）學生，其中，男生和女生分別占比48.8%和51.2%，漢族學生占比63%，其余為苗族、侗族、土家族等少數(shù)民族學生．測試前，被試正值大三下學期期末，已學完有關(guān)數(shù)學教育教學的理論知識，并接受微格教學訓練，即將進入實習．

圖4 A/D采集電路

2.4 開關(guān)量采集電路設(shè)計

包括：GIS變壓器柜的六氟化硫泄漏檢測、煙感、火災、消防、電子圍欄、紅外雙鑒、紅外對射、門禁開關(guān)信號、空調(diào)、風機、除濕機、水泵、手動按鈕、遠程手動開關(guān)、預案自動控制開關(guān)等狀態(tài)量的檢測.開關(guān)量的采集電路如圖5所示.狀態(tài)量的輸入高電平時有效.

圖5 開關(guān)量采集電路

2.5 輸出控制量電路設(shè)計

輸出進行光電隔離，當STM32的GPIO輸出為低電平時，ULN2003的輸入信號為高，輸出為低電平時有效，外部的驅(qū)動設(shè)備接高電平，高電平與設(shè)備間有保險絲，低電平處接ULN2003的輸出腳.本次設(shè)計的輸出共8路，如圖6為單路的驅(qū)動電路示意圖.

圖6 輸出控制量的電路

2.6 串口485通訊電路的設(shè)計

用STM32F103的串口1的發(fā)送和接收端口分別于與485通訊模塊SP3485的4和1連接，用PA8控制485端口的數(shù)據(jù)收發(fā)。接線圖如圖7所示。

圖7 串口485通訊電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要分為模擬量的采集模塊，開關(guān)量的采集模塊，協(xié)議處理模塊，控制量的輸出模塊等四部分，總體的流程圖如圖8所示.

圖8 系統(tǒng)流程圖

3.1 模擬量采集模塊

通過STM32F103的A/D采集溫濕度的值，進行超限值判斷，超限的丟棄，符合要求的留著，進行冒泡法排序，然后進行中值濾波，得到的值先不進行溫度顯示轉(zhuǎn)換，直接存儲等待發(fā)送，監(jiān)控主機進行數(shù)據(jù)顯示的處理.如圖9所示.

圖9 模擬量采集流程圖

3.2 開關(guān)量采集模塊

開關(guān)量采集模塊的任務(wù)開始后，始終在判斷狀態(tài)變化的標志位，狀態(tài)有變化時，讀取GPIO的輸入信號，進行數(shù)據(jù)存儲并等待監(jiān)控主機讀取開關(guān)量的信息；如果狀態(tài)標志位沒有變化，直接存儲數(shù)據(jù)并等待發(fā)送.開關(guān)量采集流程圖如圖10所示.

圖10 開關(guān)量采集流程圖

3.3 控制任務(wù)輸出模塊

接收到監(jiān)控主機指令后，進行判斷，輸出相應(yīng)的控制指令.控制任務(wù)流程圖如圖11所示.

圖11 控制任務(wù)流程圖

變電站端采集模塊也就是監(jiān)控單元，將采集到的開關(guān)量狀態(tài)信息和溫濕度等模擬量信息送給監(jiān)控主機，監(jiān)控主機進行判斷輸出相應(yīng)的控制指令.如果判斷到有人入侵或非法進入變電站設(shè)定的區(qū)域，監(jiān)控主機將發(fā)送指令給監(jiān)控單元，輸出控制指令，打開警號警燈，并進行智能視頻的開啟，同時監(jiān)控主機發(fā)出報警信號，提示管理員查看，遠程管理員可以通過視頻查看相應(yīng)的報警信息；如果監(jiān)控到變電站室內(nèi)溫濕度升高，超過設(shè)定的限值，將發(fā)送相應(yīng)的指令給變電站監(jiān)控單元，打開相應(yīng)的風機、空調(diào)、除濕機等；如果檢測到電纜溝或室內(nèi)浸水，監(jiān)控單元將根據(jù)指令，開啟水泵進行抽水，并打開相應(yīng)的視頻以便管理人員進行查看.

3.4 協(xié)議處理任務(wù)模塊

為了完成變電站監(jiān)控模塊與監(jiān)控主機之間能穩(wěn)定可靠的通訊，需要對數(shù)據(jù)進行加工轉(zhuǎn)換，以十六進制—ASCII的形式進行傳送.它描述了監(jiān)控主機與監(jiān)控單元之間通過串行通訊接口進行命令控制和數(shù)據(jù)交換的格式和內(nèi)容，適用于對環(huán)境監(jiān)控、串口擴展、電池監(jiān)控、電纜及配線架等SM監(jiān)控的現(xiàn)場參數(shù)設(shè)置、功能測試和數(shù)據(jù)監(jiān)測.采用串行通訊接口RS485，通訊方式為半雙工模式，所有動作指令的發(fā)起方為監(jiān)控主機.協(xié)議流程圖如圖12所示.

圖12 協(xié)議處理的流程圖

協(xié)議處理是一級級進行驗證的，如果其中一級出現(xiàn)CRC錯誤，都將丟棄本次指令，等待新的接收指令.直到指令校驗完全通過，監(jiān)控單元根據(jù)指令信息，將采集到的數(shù)據(jù)進行打包處理，完成后將數(shù)據(jù)信息發(fā)送回監(jiān)控主機.

4 工程應(yīng)用

系統(tǒng)應(yīng)用表明，能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控主機與監(jiān)控單元之間的指令交換、數(shù)據(jù)采集等控制，滿足設(shè)計要求.能夠采集24路開關(guān)量，8路模擬量，能夠進行8路控制量的電平、脈沖控制；變電站規(guī)模較大時，能夠進行采集模塊的擴展.變電站周圍各種狀態(tài)量的監(jiān)控如圖13所示.開關(guān)室的溫度曲線如圖14所示，濕度曲線如圖15所示.從一段時間的運行情況來看，設(shè)備發(fā)出的警報信息較多，遠程管理人員需要手動進行警報信息的查看、處理，工作量較大，下一步將提高產(chǎn)生警報信息的閾值，同時引入警報信息的智能判斷，提高整個系統(tǒng)的運行效率和準確性.

圖13 變電站狀態(tài)量檢測圖

圖14 開關(guān)室的溫度曲線

圖15 開關(guān)室的濕度曲線圖

5 結(jié)束語

變電站輔助監(jiān)控系統(tǒng)克服了現(xiàn)有系統(tǒng)功能相對單一的問題，從硬件和軟件方面整合了各種信息量之間的聯(lián)動關(guān)系，該控制系統(tǒng)能夠準確采集變電站各種環(huán)境信息，實現(xiàn)相關(guān)的聯(lián)動控制，及時發(fā)出警報信息供管理人員查看.實現(xiàn)了變電站輔助監(jiān)控系統(tǒng)全面的信號采集與控制.

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(編輯：劉寶江)

The design of auxiliary monitoring and control system for substation based on STM32

ZHU Rong-jun1，SONG Ji-jiang1，CAI Fu-dong2，QIU Lan1

(1.School of Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Technology,Zibo 255049, China; 2.Shandong Senter Electronic Company Limited, Zibo 255088, China)

The paper designs the intelligent auxiliary monitoring and control system for the substation by using the STM32 microcontroller as the main chip. It can accurately measure and control the substation operation environment, and can complete multi-channel state parameters detection of the substation, and achieve the security, video monitoring, remote control and so on. It can exchange the data information with the monitoring center by using serial port, to achieve comprehensive signal acquisition and control of substation′s auxiliary monitoring system .The paper gives the system′s control principle, hardware circuit principle diagram, software flow chart and engineering application effect analysis.

substation′s auxiliary monitoring systems; STM32F103; substation′s detection system; dynamic environment acquisition and control

2016-11-24

朱榮俊，男，120380367@qq.com； 通信作者： 宋吉江，男，songniu@sdut.edu.cn

1672-6197(2017)06-0029-05

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