田 瑾，袁嫣紅

(浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動控制學(xué)院，浙江 杭州 310018)

基于Modbus和GPRS的配電房監(jiān)控系統(tǒng)

田 瑾，袁嫣紅

(浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動控制學(xué)院，浙江 杭州 310018)

針對目前配電監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率低、監(jiān)控手段單一、系統(tǒng)通用性低等問題，對配電房中數(shù)據(jù)采集技術(shù)、RS485通信技術(shù)和遠(yuǎn)程通信技術(shù)進(jìn)行研究，提出了一種基于嵌入式系統(tǒng)的配電房監(jiān)控系統(tǒng).利用ARM為控制核心的嵌入式操作平臺，對配電房中電參數(shù)和環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，實現(xiàn)基于Modbus通信協(xié)議的現(xiàn)場監(jiān)控與基于GPRS的遠(yuǎn)程監(jiān)控.研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，對配電房進(jìn)行現(xiàn)場和遠(yuǎn)程的實時監(jiān)控，其人機(jī)終端操作簡單、界面美觀、通用性強(qiáng).經(jīng)實際應(yīng)用，該系統(tǒng)滿足了配電監(jiān)控的要求.

配電監(jiān)控；ARM；Modbus；GPRS

隨著電力系統(tǒng)中非線性、非周期性、沖擊性負(fù)載(變頻電機(jī)、開關(guān)電源等)的增加，配電設(shè)備運(yùn)行時常常出現(xiàn)諧波、電壓閃變、電壓波動以及三相負(fù)荷不平衡等現(xiàn)象[1-2]，造成電能質(zhì)量惡化.電力系統(tǒng)中開關(guān)觸點、母線連接點等接觸不良或者電路老化等因素會引起配電線路某點溫度過高，甚至出現(xiàn)線路燒融、短路等現(xiàn)象[3-4]，進(jìn)而導(dǎo)致配電設(shè)施發(fā)生故障.因此，對配電房中電參數(shù)和溫度參數(shù)的實時監(jiān)控必不可少.目前的配電房監(jiān)控技術(shù)發(fā)展十分迅速，配電監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)具備數(shù)字化、功能多樣化和網(wǎng)絡(luò)化的特點，但是多數(shù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率慢，可靠性不高，且在控制管理方面存在人機(jī)界面單一、通用性低、系統(tǒng)維護(hù)困難等問題[5-6].為此，本研究設(shè)計一種數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、快速并且通用性強(qiáng)的配電房監(jiān)控系統(tǒng).根據(jù)監(jiān)控要求，可通過數(shù)據(jù)采集單元的硬件電路實現(xiàn)電參數(shù)和環(huán)境參數(shù)的模塊化采集；通過人機(jī)終端實時進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控與歷史數(shù)據(jù)查看，并通過快速設(shè)置滿足不同電參數(shù)和支路數(shù)的監(jiān)控要求；結(jié)合通用分組無線服務(wù)技術(shù)(GPRS)遠(yuǎn)程通信技術(shù)，實現(xiàn)配電數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控.該監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)支持本地和網(wǎng)頁等多種查看方式，降低人力成本，易維護(hù)，有利于提高系統(tǒng)的自動化管理水平.

1 配電房監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案

1.1系統(tǒng)的功能需求分析

配電房監(jiān)控系統(tǒng)主要可以分為三部分：數(shù)據(jù)采集單元、現(xiàn)場人機(jī)終端和遠(yuǎn)程監(jiān)控單元.系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示.數(shù)據(jù)采集單元負(fù)責(zé)采集配電房的各種參數(shù)信息，并通過RS485總線將數(shù)據(jù)發(fā)送給現(xiàn)場人機(jī)終端，再通過GPRS模塊發(fā)送給服務(wù)器；現(xiàn)場人機(jī)終端負(fù)責(zé)各參數(shù)的現(xiàn)場監(jiān)控，實時顯示參數(shù)值，繪制趨勢圖，進(jìn)行故障報警、數(shù)據(jù)查詢和參數(shù)設(shè)置，并可通過快速設(shè)置改變界面風(fēng)格與支路數(shù)，滿足不同支路數(shù)采集的要求；遠(yuǎn)程監(jiān)控單元負(fù)責(zé)對GPRS模塊傳來信息的處理，供用戶進(jìn)行網(wǎng)頁查看，同時向GPRS模塊下發(fā)指令，調(diào)控下位機(jī)的動作.

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

1.2系統(tǒng)通信方式的分析與設(shè)計

系統(tǒng)主要采用兩種通信方式：現(xiàn)場人機(jī)終端與數(shù)據(jù)采集單元通信(RS485通信)，Web服務(wù)器與數(shù)據(jù)采集單元通信(GPRS通信).

1.2.1 RS485通信協(xié)議

R485通信采用的Modbus RTU協(xié)議[7]主要由三部分組成：地址碼、功能碼、數(shù)據(jù)區(qū).地址碼和功能碼都用一個字節(jié)表示，數(shù)據(jù)區(qū)隨功能碼不同而不同.這里采用03和06兩種功能碼.其中03功能碼用于讀取底層監(jiān)控模塊的數(shù)據(jù)；06功能碼用于向底層監(jiān)控模塊寫入數(shù)據(jù).以主機(jī)發(fā)送信息為例，其信息幀格式如表1所示，從機(jī)返回信息幀格式.主機(jī)、從機(jī)讀取信息幀格式與表1類似.

表1 主機(jī)發(fā)送信息幀格式

1.2.2 GPRS通信協(xié)議

系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集模塊每隔一定時間向GPRS模塊發(fā)送一遍監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，同時GPRS模塊將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器解析、處理接收到的數(shù)據(jù).

GPRS模塊每次連上服務(wù)器的IP地址不固定，導(dǎo)致服務(wù)器無法準(zhǔn)確識別連上來的設(shè)備，容易造成數(shù)據(jù)處理錯誤.為此，將GPRS模塊中SIM卡的電話號碼作為確定模塊地址的標(biāo)志，對11位電話號碼進(jìn)行補(bǔ)0，以6個字節(jié)表示.在傳輸協(xié)議中，前8個字節(jié)分別為字節(jié)總數(shù)1個字節(jié)、電話號碼6個字節(jié)、參數(shù)類型1個字節(jié)；第9個字節(jié)開始表示數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)16位，占用2個字節(jié).其中高8位在前，低8位在后.GPRS通信的數(shù)據(jù)幀協(xié)議如表2所示.

表2 GPRS通信數(shù)據(jù)幀協(xié)議

2 數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計

根據(jù)配電房監(jiān)控要求，數(shù)據(jù)采集單元需要采集的信息包括電壓、電流、功率、諧波、不平衡度等電參數(shù)以及溫度.整個單元采用模塊化設(shè)計思想[8-9].其結(jié)構(gòu)如圖2所示.采樣電路主要由主路模塊、支路模塊組成，可以根據(jù)負(fù)載支路的數(shù)量自主調(diào)整支路數(shù)，以滿足不同回路數(shù)的要求.其主路模塊主要負(fù)責(zé)監(jiān)測三相電(380 V)的相電壓、相電流、功率等數(shù)據(jù).其支路模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測單相電(220 V)的電壓、電流、功率等相關(guān)數(shù)據(jù)以及線路各點溫度.可根據(jù)需要靈活地調(diào)整信號采集模塊的數(shù)量，以保證資源的最大化運(yùn)用.軟件設(shè)計上要求實時地讀取和分析數(shù)據(jù).

圖2 數(shù)據(jù)采集單元結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集單元采用RS485總線進(jìn)行通信，實時測控各個負(fù)載點狀態(tài)，傳送整個系統(tǒng)的電參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、報警信息等，并對故障進(jìn)行預(yù)防和及時治理.RS485總線采用差分方式傳輸信號，兩線制接法，傳輸速率可達(dá)1 Mbps，滿足了數(shù)據(jù)通信的要求，可以與Modbus兼容的監(jiān)控系統(tǒng)之間進(jìn)行信息和數(shù)據(jù)的傳遞.

各采樣值經(jīng)STM32微處理器處理計算，用串口傳送到現(xiàn)場人機(jī)終端，同時通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心.所采用的GPRS通信模塊SIM900A無需外接SD卡槽，內(nèi)嵌了SIM卡，可低功耗實現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)、SMS(手機(jī)短信服務(wù))和傳真信息的傳輸.微處理器通過發(fā)送 AT(Attention)指令設(shè)置此模塊并控制其啟停以及數(shù)據(jù)收發(fā).

3 現(xiàn)場人機(jī)終端設(shè)計

現(xiàn)場人機(jī)終端與下位機(jī)進(jìn)行信息交換，實現(xiàn)參數(shù)的設(shè)置、修改、讀取與顯示.它與數(shù)據(jù)采集單元之間采用Modbus協(xié)議通信.其開發(fā)工具為Qt，最終將人機(jī)交互界面顯示在移植了Linux系統(tǒng)的觸摸屏上.

現(xiàn)場人機(jī)終端的人機(jī)界面主要包括系統(tǒng)登錄、參數(shù)顯示、參數(shù)設(shè)置、歷史數(shù)據(jù)查詢、信息報警等部分，對下位機(jī)傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析和顯示.它可以設(shè)置各個工作參數(shù)，繪制實時趨勢圖，根據(jù)保存的歷史數(shù)據(jù)繪制歷史趨勢圖，對故障信息進(jìn)行報警提示，對故障趨勢進(jìn)行預(yù)測并根據(jù)故障因素調(diào)控下位機(jī)的動作，達(dá)到監(jiān)控配電房各種參數(shù)的目的.現(xiàn)場人機(jī)終端的總體框架如圖3所示.

圖3 人機(jī)終端的總體框架

3.1主監(jiān)控界面設(shè)計

現(xiàn)場人機(jī)終端主監(jiān)控界面主要包括五部分：主路參數(shù)、支路參數(shù)、趨勢圖、參數(shù)設(shè)置、報警.其中，主路參數(shù)界面顯示配電房中主路的各種參數(shù)信息，如電流、電壓、功率、電量、諧波、溫度等.支路參數(shù)界面顯示配電房支路參數(shù)信息，包括電壓、電流、功率、電量與開關(guān)量，可對電能進(jìn)行查詢.趨勢圖界面繪制當(dāng)前電壓、電流和功率的實時趨勢.點擊歷史趨勢圖按鈕可以根據(jù)歷史日期查看歷史趨勢圖.報警界面實時顯示當(dāng)前的報警信息，一旦下位機(jī)有報警信息發(fā)送過來，此界面就插入該報警信息，并且顯示報警時間.圖4所示為其參數(shù)設(shè)置界面.點擊參數(shù)值可以進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，設(shè)置完成后發(fā)送指令給下位機(jī)，對下位進(jìn)行寫操作.人機(jī)終端留有USB插口，方便了系統(tǒng)的升級.

圖4 人機(jī)終端的參數(shù)設(shè)置界面

3.2界面通用性設(shè)計

點擊人機(jī)終端的登陸界面左下區(qū)域可以進(jìn)入隱藏設(shè)置界面(圖5).整個監(jiān)控系統(tǒng)的通用性設(shè)計主要體現(xiàn)在隱藏設(shè)置界面中.在嵌入式設(shè)備上實現(xiàn)界面的動態(tài)加載比較困難.它不像PC機(jī)界面那樣可隨時增刪界面，修改界面模塊，改變界面風(fēng)格.隨著嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，滿足嵌入式設(shè)備界面的動態(tài)定制需求變得十分迫切.

圖5 隱藏設(shè)置界面

根據(jù)網(wǎng)頁設(shè)計中CSS(層疊樣式表)與HTML(超文本標(biāo)記語言)結(jié)合應(yīng)用的思想，可將界面外觀的某些屬性(如背景顏色、控件形狀、色彩等)集合起來放到不同的界面主題文檔中[10].用戶可根據(jù)需求選擇界面風(fēng)格，切換主題動作，實現(xiàn)相應(yīng)界面的主題文檔定位，通過系統(tǒng)初始化操作并根據(jù)選擇的主題解析不同文檔，從而實現(xiàn)界面風(fēng)格的切換.這里以支路參數(shù)界面為例，其對應(yīng)的文檔部分如下：

QPushButton{background-color:rgb(43,58,65);font-size:16px;color:white;border-radius:10px;border:2px groove gray;padding:4px 2px;}

QFrame{background-color: rgb(255, 255, 255);}

QLabel{color: rgb(255, 255, 255);background-color: rgb(43, 58, 65);}

QListWidget{background-color: rgb(90, 112, 135);}

從上述文檔內(nèi)容可以看出，該界面包含了標(biāo)簽、按鈕、框架、列表等控件，且每種控件對應(yīng)不同的樣式.文檔中包含了控件背景顏色、字體大小、字體顏色、邊框等屬性信息.在解析文檔時將這些屬性以字符串的形式讀取出來，設(shè)置樣式表setStyleSheet()即可完成對象的樣式設(shè)置，實現(xiàn)預(yù)期效果.

修改隱藏界面上當(dāng)前主路和當(dāng)前支路數(shù)，可以改變當(dāng)前監(jiān)控的主路號和支路數(shù)量.在隱藏設(shè)置界面上進(jìn)行設(shè)置后再次回到登錄系統(tǒng)界面，點擊進(jìn)入系統(tǒng)按鈕進(jìn)行系統(tǒng)初始化.這比重新啟動系統(tǒng)進(jìn)行初始化大大方便了用戶的使用.基于界面與文檔結(jié)合的思想，用戶還可以對支路名稱進(jìn)行點擊修改.

4 遠(yuǎn)程監(jiān)控單元設(shè)計

本研究設(shè)計遠(yuǎn)程監(jiān)控單元的目的在于使配電運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)與企業(yè)管理系統(tǒng)相結(jié)合，使管理者通過瀏覽器及時了解配電房現(xiàn)場設(shè)備的參數(shù)信息及運(yùn)行狀況.這里主要介紹遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)的總體設(shè)計和數(shù)據(jù)庫設(shè)計.

4.1遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)總體設(shè)計

遠(yuǎn)程監(jiān)控單元主要包括服務(wù)器、PC機(jī).其中，服務(wù)器連接多個數(shù)據(jù)采集設(shè)備，實現(xiàn)多個設(shè)備的同時在線監(jiān)控；PC機(jī)為遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī).用戶可以查看PC機(jī)上的瀏覽器進(jìn)而訪問Web服務(wù)器，從而獲得數(shù)據(jù)庫的信息，實現(xiàn)配電房的遠(yuǎn)程在線監(jiān)控.用戶通過查看網(wǎng)頁監(jiān)測各設(shè)備的電參數(shù)和溫度參數(shù)、趨勢圖與報警信息，同時網(wǎng)頁端也可通過服務(wù)器下發(fā)參數(shù)設(shè)置指令給下位機(jī)，達(dá)到調(diào)控下位機(jī)的目的.瀏覽器、數(shù)據(jù)庫、服務(wù)器構(gòu)成3層B/S結(jié)構(gòu)[11].該結(jié)構(gòu)由瀏覽器、Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器三部分組成(圖6).

圖6 B/S體系結(jié)構(gòu)

4.2數(shù)據(jù)庫設(shè)計

在配電監(jiān)控系統(tǒng)中，用戶需要查看配電的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，以便分析配電設(shè)施運(yùn)行狀況.數(shù)據(jù)每隔幾秒采集一次，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量大，對數(shù)據(jù)安全性也有一定的要求，因此可采用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對配電數(shù)據(jù)進(jìn)行管理.用戶發(fā)出遠(yuǎn)程監(jiān)控請求，實質(zhì)上是請求訪問遠(yuǎn)程服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫.數(shù)據(jù)庫中存儲了系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集單元通過GPRS模塊發(fā)送的數(shù)據(jù).

系統(tǒng)采用高性能的MySQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)存儲系統(tǒng)信息，如服務(wù)器的登錄賬號和密碼、設(shè)備ID、設(shè)備參數(shù)等(包括主路參數(shù)、支路參數(shù)、報警信息、溫度等).可用6張數(shù)據(jù)表完成對這些數(shù)據(jù)的查詢與存儲.數(shù)據(jù)庫的部分?jǐn)?shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)如圖7所示.在數(shù)據(jù)表中：用戶表User存儲用戶登錄信息；權(quán)限表Pope存儲用戶權(quán)限；設(shè)備表Equipment存儲設(shè)備信息；日志表Daily存儲配電房的運(yùn)行日志；當(dāng)前參數(shù)表CurPara存儲配電房的當(dāng)前運(yùn)行參數(shù)；設(shè)置參數(shù)表Para存儲配電房的設(shè)置參數(shù)值[12].

圖7 數(shù)據(jù)庫的部分?jǐn)?shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)

5 系統(tǒng)測試

本研究在配電房的配電柜中安裝數(shù)據(jù)采集模塊，與現(xiàn)場人機(jī)終端和服務(wù)器進(jìn)行通信，對該系統(tǒng)的現(xiàn)場人機(jī)終端進(jìn)行不間斷查看，計算數(shù)據(jù)更新時間，關(guān)注界面運(yùn)行流暢度并且查看數(shù)據(jù)完整性，發(fā)現(xiàn)人機(jī)終端可以及時、順暢地顯示各類參數(shù)信息，讀取一次數(shù)據(jù)的時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于系統(tǒng)要求的3 s，并且，在報警信息產(chǎn)生時馬上發(fā)出聲音報警，繪制趨勢圖無中斷現(xiàn)象，歷史數(shù)據(jù)保存完整，界面風(fēng)格切換與路數(shù)切換無卡頓現(xiàn)象.主路電流歷史趨勢圖查詢界面的測試結(jié)果如圖8所示.在網(wǎng)頁遠(yuǎn)程監(jiān)控端下發(fā)參數(shù)設(shè)置指令并觀察各設(shè)備不同參數(shù)的顯示效果，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)頁端可以穩(wěn)定下發(fā)指令，實時更新數(shù)據(jù)并且繪制趨勢圖.其實時主路電流趨勢如圖9所示.該系統(tǒng)可實現(xiàn)穩(wěn)定、實時、可靠的現(xiàn)場監(jiān)控與遠(yuǎn)程監(jiān)控.

圖8 主路電流歷史趨勢圖查詢界面測試結(jié)果

圖9 網(wǎng)頁瀏覽主路電流實時趨勢圖

6 結(jié)束語

在當(dāng)今信息化時代，監(jiān)控技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)、嵌入式技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合已成為必然趨勢.本研究提出采用RS485和GPRS通信的配電房監(jiān)控系統(tǒng)，可以方便地實現(xiàn)配電房現(xiàn)場監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能.其現(xiàn)場人機(jī)終端不僅操作簡單、運(yùn)行流暢、界面美觀、通信穩(wěn)定.其支路數(shù)可設(shè)置人機(jī)終端界面編程方式，提高了監(jiān)控系統(tǒng)的通用性.該系統(tǒng)已在某公司進(jìn)行了實際使用，達(dá)到了設(shè)計要求，提高了配電房監(jiān)控系統(tǒng)的自動化管理水平，降低了人工成本.今后將重點研究溫度趨勢預(yù)測，使監(jiān)控系統(tǒng)具有更大的使用價值.

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MonitoringSystemforDistributionRoomBasedonModbusandGPRS

TIAN Jin,YUAN Yan-hong

(School of Mechanical Engineering and Automation, Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou 310018, China)

To solve the problems including low transmission speed of monitoring network data, Single monitor mode and low application of system, a distribution monitoring system based on embedded system is proposed after studying the power distribution room data collection technology, the RS485 communication technology and the remote communication technology. Using embedded operating platform with the ARM as the core, CLP parameters and environmental parameters in the transformer room are collected. Meanwhile, live monitoring based on Modbus protocol and remote monitoring based on GPRS are completed. Research results show that the system can realize fast and stable data transmission,?can conduct on-site and remote monitoring of the distribution room in real time. At the same time, The man-machine interface has simple operation, beautiful interface and high versatility. In practical application, the system meets the requirement of distribution monitoring.

power distribution monitoring; ARM; Modbus; GPRS

2017-05-17

浙江省科技計劃資助項目(2016C34008)

田 瑾(1994-),女,河南開封人,碩士研究生,研究方向為嵌入式系統(tǒng).

1006-3269(2017)03-0029-05

TP277

A

10.3969/j.issn.1006-3269.2017.03.007