戴麗莉，郭云鵬，張廣勇

（1.太原工業(yè)學(xué)院，山西太原030008；2.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司檢修分公司，山西 太原030032）

0 引言

無(wú)論是變電站還是發(fā)電廠，保護(hù)裝置作為重要的二次裝置，對(duì)一次設(shè)備乃至電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。目前的微機(jī)保護(hù)裝置靠精密的電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)相關(guān)的邏輯判斷、執(zhí)行輸出等核心功能，其中最新的智能變電站還布置有智能控制柜，其內(nèi)部包含有合并單元和智能終端等電子設(shè)備。保護(hù)屏柜和智能變電站的智能控制柜，內(nèi)部的電子設(shè)備對(duì)溫度反應(yīng)敏感，溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)導(dǎo)致電子設(shè)備相關(guān)功能模塊的損壞，致使非計(jì)劃停電甚至是一次設(shè)備的損毀[1-2]。智能變電站的智能控制柜一般布置在室外，其柜體內(nèi)部的溫度控制依賴柜體上的空熱一體機(jī)，保護(hù)屏柜一般布置在室內(nèi)，但是隨著一、二次設(shè)備融合、就地化保護(hù)裝置的研究及落實(shí)，保護(hù)屏柜也開(kāi)始面臨溫度控制的問(wèn)題?，F(xiàn)有的智能控制柜所安裝的空熱一體機(jī)在某些工況下不能完全將柜體內(nèi)部所有位置的溫度都控制在合理范圍內(nèi)，并且空熱一體機(jī)常年不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)，容易出現(xiàn)制冷或制熱能力下降的問(wèn)題，有必要對(duì)保護(hù)屏柜內(nèi)部散熱條件較差位置進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，以提醒工作人員提前采取相應(yīng)的冷卻降溫措施，確保二次設(shè)備的安全運(yùn)行。目前有些機(jī)構(gòu)根據(jù)實(shí)際運(yùn)維需求開(kāi)發(fā)了匯控柜環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并且開(kāi)始試用[3]。

本文設(shè)計(jì)了一套可以應(yīng)用于變電站二次設(shè)備屏柜的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以樹(shù)莓派為上位機(jī)，STM32F407單片機(jī)為下位機(jī)[4-5]，利用藍(lán)牙模塊串口通信的方式將下位機(jī)所測(cè)量的數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸至上位機(jī)，上位機(jī)將下位機(jī)上傳信息導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)，且設(shè)計(jì)有相應(yīng)的程序用以數(shù)據(jù)的初步處理和可視化操作，實(shí)現(xiàn)了屏柜內(nèi)部溫度的無(wú)線監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的變電站二次屏柜的測(cè)溫系統(tǒng)（系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示），可檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)屏柜內(nèi)設(shè)備運(yùn)行溫度，并通過(guò)無(wú)線傳輸將數(shù)據(jù)上傳至后臺(tái)，運(yùn)維人員可在上位機(jī)集中觀察溫度數(shù)據(jù)。為實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，需要使測(cè)溫傳感器、傳輸模塊、上位機(jī)系統(tǒng)科學(xué)配合：在變電站設(shè)備區(qū)有溫度傳感器、電源模塊、下位機(jī)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸模塊，在運(yùn)維平臺(tái)有上位機(jī)系統(tǒng)。其中，溫度傳感器用于檢測(cè)二次屏柜內(nèi)的溫度；下位機(jī)控制模塊用于接收并處理溫度數(shù)據(jù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信，將數(shù)據(jù)上傳；上位機(jī)顯示模塊用于接收下位機(jī)的數(shù)據(jù)，并根據(jù)運(yùn)行人員的需求，將數(shù)據(jù)分析、顯示。此外，考慮到變電站現(xiàn)場(chǎng)取電對(duì)設(shè)備的影響，需要采用單獨(dú)的電源模塊為下位機(jī)控制模塊供電。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

1.1 溫度傳感器

測(cè)溫模塊采用DS18B20數(shù)字芯片，該芯片可直接將檢測(cè)到的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出信號(hào)，具有體積小、硬件成本低、抗干擾能力強(qiáng)、精度高的優(yōu)點(diǎn)。本文根據(jù)芯片特點(diǎn)和推薦電路，進(jìn)行了測(cè)溫模塊的硬件設(shè)計(jì)。

1.2 下位機(jī)控制系統(tǒng)

下位機(jī)采用STM32單片機(jī)為主控制器，其將測(cè)溫模塊輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行初步的處理，然后將處理過(guò)的信號(hào)通過(guò)串口通信傳送給上位機(jī)。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路采用官方推薦的demo設(shè)計(jì)，包括復(fù)位電路、晶體振蕩器、啟動(dòng)和下載電路、J-LINK和仿真等。

1.3 數(shù)據(jù)傳輸模塊

變電站繼電保護(hù)小室內(nèi)二次設(shè)備屏柜數(shù)量多且比較密集，通過(guò)有線傳輸不僅走線困難，施工難度大，而且后期維護(hù)困難。本系統(tǒng)采用基于藍(lán)牙技術(shù)的無(wú)線傳輸，可以實(shí)現(xiàn)下位機(jī)和上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

1.4 電源模塊

電源模塊分為2部分，一是外置供電進(jìn)線來(lái)自普通的電池，進(jìn)入單片機(jī)控制模塊后，需要進(jìn)行調(diào)壓和穩(wěn)壓處理；二是本文設(shè)計(jì)的基于ASM1117芯片的穩(wěn)壓電路，輸出穩(wěn)定的5 V直流電源，為單片機(jī)系統(tǒng)和測(cè)溫模塊供電。電流模塊電路如圖2所示。

圖2 電源模塊電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 下位機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)是下位機(jī)控制系統(tǒng)能否正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)既定功能的重要環(huán)節(jié)。基于STM32單片機(jī)的特點(diǎn)，下位機(jī)程序重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)以下3個(gè)功能：一是控制芯片時(shí)鐘、寄存器、IO口配置，二是采樣信號(hào)接收和處理，三是通信程序設(shè)計(jì)。

本系統(tǒng)的下位機(jī)是在MDK5軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境中完成的，與其他開(kāi)發(fā)軟件相比，MDK5具有完整且易于使用的特點(diǎn)，并支持匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言代碼。下位機(jī)控制流程如圖3所示。

圖3 下位機(jī)控制流程圖

2.2 上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

上位機(jī)使用樹(shù)莓派作為主控制器。在Linux操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，使用QT5作為上位機(jī)開(kāi)發(fā)的環(huán)境[6]，上位機(jī)可以使用按鈕控制下位機(jī)的開(kāi)始和結(jié)束，并通過(guò)串口通信獲取下位機(jī)收集的數(shù)據(jù)，再將收集的數(shù)據(jù)存入結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言SQL（structured query language）數(shù)據(jù)庫(kù)，在上位機(jī)界面可以看到數(shù)據(jù)信息，甚至可以篩選和繪制數(shù)據(jù)[7]。

本文采用數(shù)據(jù)庫(kù)管理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查找、排序工作，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)出成.db文件，用于配合Matlab等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。SQL數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的輸出是一種靜態(tài)的輸出，在上位機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)顯示界面進(jìn)行一次初始化。使用QT平臺(tái)有3個(gè)步驟：第一步，準(zhǔn)備文件和訪問(wèn)模式以調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)，其中有2個(gè)參數(shù)，是要打開(kāi)的數(shù)據(jù)庫(kù)文件名的格式以及用于返回?cái)?shù)據(jù)庫(kù)參考號(hào)的其他參數(shù)；第二步，提供一個(gè)通過(guò)執(zhí)行該函數(shù)，從數(shù)據(jù)庫(kù)返回結(jié)果的函數(shù)；第三步，調(diào)用該動(dòng)作。QT具有功能強(qiáng)大的二維繪圖系統(tǒng)，可使用相同的API在屏幕上進(jìn)行繪圖，并且大多數(shù)繪圖設(shè)備基于QPainter，QPaintDevice和QPaintEngine這3個(gè)類(lèi)，本文使用QPainter類(lèi)。

3 硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的調(diào)試

使用電源模塊為系統(tǒng)供電。把TTL芯片5 V直流電源、RXD、TXD、GND與藍(lán)牙模塊VCC、RXD、TXD、GND對(duì)應(yīng)連接。藍(lán)牙和單片機(jī)的連接也和上面相似，將TTL模塊換成單片機(jī)即可。將TTL模塊與電腦連接。TTL模塊和藍(lán)牙模塊LED燈閃，此時(shí)可通過(guò)XCOM V2.0.exe軟件測(cè)試。選擇串口COM5，打開(kāi)串口，按鈕前方的黑色圓圈變?yōu)榧t色圓圈。再啟動(dòng)下位機(jī)，下位機(jī)等待上位機(jī)用串口發(fā)來(lái)開(kāi)始信號(hào)，接收到開(kāi)始信號(hào)之后會(huì)回復(fù)一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，此處開(kāi)始信號(hào)為start字符串，開(kāi)始應(yīng)答為is start字符串。串口助手發(fā)送start，下位機(jī)回復(fù)is start，則下位機(jī)通信功能正常。將下位機(jī)串口調(diào)試時(shí)用的USB轉(zhuǎn)TTL插入到樹(shù)莓派的USB接口上，點(diǎn)擊上位機(jī)界面右上方的打開(kāi)串口按鈕來(lái)打開(kāi)串口連接界面?？刂破鲿?huì)自動(dòng)識(shí)別可以連接的串口標(biāo)識(shí)，用戶只需要點(diǎn)擊打開(kāi)串口即可，如果串口連接成功則會(huì)彈出提示框。上位機(jī)串口默認(rèn)設(shè)置與下位機(jī)串口設(shè)置相同。之后進(jìn)行上位機(jī)串口測(cè)試。打開(kāi)之前在下位機(jī)串口調(diào)試時(shí)的串口助手，并打開(kāi)串口，上位機(jī)會(huì)發(fā)送start開(kāi)始信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。上位機(jī)回復(fù)start，證明上位機(jī)通信正常。軟件安裝路徑下的my_data.db文件為數(shù)據(jù)庫(kù)文件，采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在此文件中。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)裝置的準(zhǔn)確性，使用該裝置分別測(cè)量了不同屏柜內(nèi)部的溫度，并將測(cè)量結(jié)果與溫度計(jì)所測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比（如圖4所示），此處共計(jì)測(cè)量了20個(gè)保護(hù)屏柜的內(nèi)部溫度。

圖4 系統(tǒng)效果檢驗(yàn)圖

由圖4可以看出，裝置測(cè)量誤差在±2℃以內(nèi)，比較理想。由于繼電保護(hù)小室溫度在25℃左右，為了在較寬溫度范圍內(nèi)驗(yàn)證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，分別在不同的溫度環(huán)境下做了補(bǔ)充試驗(yàn)，所測(cè)量環(huán)境包括室外和室內(nèi)，并不局限于繼電保護(hù)小室，測(cè)量環(huán)境溫度范圍為-5～23℃，在不同環(huán)境溫度時(shí)利用無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)和溫度計(jì)測(cè)量，每個(gè)環(huán)境溫度下分別利用無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)量9組數(shù)據(jù)并記錄（如表1所示）。表1中，x1表示溫度計(jì)測(cè)量值，x2表示不同環(huán)境無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)量值的平均值，y表示相對(duì)誤差，其定義如式（1）所示。

表1 不同環(huán)境溫度下試驗(yàn)數(shù)值表

在所測(cè)量的溫度范圍內(nèi)，無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)的平均相對(duì)誤差為2.2%。

5 結(jié)論

從本系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)試結(jié)果來(lái)看，系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)二次設(shè)備屏柜內(nèi)部溫度的功能，且測(cè)量精度較為理想，能夠?qū)崿F(xiàn)二次設(shè)備屏柜內(nèi)部溫度這一物理量的集中監(jiān)測(cè)，在一定程度上提升了設(shè)備運(yùn)行的安全性，順應(yīng)了目前電網(wǎng)少人值守或者是無(wú)人值守的運(yùn)行模式。該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)電磁兼容改進(jìn)后，在就地化保護(hù)及變電站戶外設(shè)備區(qū)智能控制柜和匯控柜的溫度監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。