周立人，劉 蘋，孫孝娟，李衛(wèi)和，石 峰

(1.國網(wǎng)山東省電力公司棗莊供電公司，山東棗莊 277300；2.山東省棗莊市光明電力服務(wù)有限責(zé)任公司，山東棗莊 277300)

0 引言

數(shù)字中心機(jī)房是集合電工、電子、計(jì)算機(jī)、弱電控制等多學(xué)科的綜合工程，為保障機(jī)房的安全穩(wěn)定運(yùn)行，對配電系統(tǒng)健康狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控變得尤為重要[1]。

國內(nèi)數(shù)字中心機(jī)房配電系統(tǒng)監(jiān)控的目標(biāo)多放在機(jī)房大環(huán)境的監(jiān)控上[2]，朱勇峰提出了一套電力通信機(jī)房動力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[3]，該監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理基于現(xiàn)場總線，“分散式操控、集約式監(jiān)管”是其核心原理，通過總線把各個(gè)設(shè)備進(jìn)行連接，對于規(guī)模不大的系統(tǒng)比較適用。葉興等人提出了一種基于C/S架構(gòu)的機(jī)房管理系統(tǒng)[4]，目前基于C/S架構(gòu)的監(jiān)控技術(shù)比較成熟，已成功運(yùn)用于各類機(jī)房配電系統(tǒng)，但是其上位機(jī)界面過度依賴于組態(tài)軟件，網(wǎng)絡(luò)通信方式仍然使用傳統(tǒng)的Socket和FTP技術(shù)，缺點(diǎn)是語言、平臺不通，對于每臺監(jiān)控上位機(jī)都必須安裝編譯環(huán)境和特制的軟件，不適用于大規(guī)模的數(shù)字中心機(jī)房建設(shè)，并且軟件維護(hù)成本也較高。李繼東等人提出了基于 B/S模式的配電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案[5]，該方案采用改進(jìn)的TCP/IP傳輸技術(shù)，設(shè)計(jì)廠商只需要調(diào)試好IP和基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)置，直接通過普通瀏覽器(例如IE)就可以實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，但該設(shè)計(jì)只是重點(diǎn)對網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行研究探討，沒有涉及到硬件層。

本文圍繞“無人值守”的設(shè)計(jì)理念，將安全監(jiān)控的對象從機(jī)房大環(huán)境監(jiān)測，細(xì)化深入到配電柜微環(huán)境中來，實(shí)現(xiàn)配電設(shè)備監(jiān)管微觀化的同時(shí)，源頭防范故障隱患，保障數(shù)字中心運(yùn)營安全，達(dá)到提質(zhì)增效目的。

1 監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖

監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，數(shù)字中心機(jī)房的每座配電柜內(nèi)都安裝了監(jiān)控終端，每個(gè)終端都是一個(gè)嵌入式的WEB服務(wù)器；該終端首先全面采集柜內(nèi)微環(huán)境里的電能以及其他環(huán)境信息，設(shè)計(jì)了現(xiàn)場串口無線和以太網(wǎng)兩種方式進(jìn)行信息傳輸，互為備用；上位機(jī)則采用C/S和B/S雙重架構(gòu)混用[6]的設(shè)計(jì)方案。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

2 監(jiān)控終端硬件設(shè)計(jì)

終端裝置硬件連接框圖如圖2所示，RN8302B三相電能計(jì)量芯片通過互感器采樣電路，采集電壓、電流信號，STM32F103微控制器從RN8302B寄存器中讀取多路進(jìn)線以及出線的三相基波、諧波、全波[7]等測量模式下的電能數(shù)據(jù)；震動傳感器監(jiān)測配電柜內(nèi)器件晃動情況；火焰和MQ-2煙霧傳感器檢測是否有火源；生物傳感器用于檢測是否有小動物進(jìn)入而影響電力安全；OV7725傳感器通過FIFO緩沖電路實(shí)時(shí)監(jiān)測柜內(nèi)現(xiàn)場狀態(tài)畫面；DHT22傳感器檢測柜內(nèi)環(huán)境溫濕度狀況；LM94022溫度傳感器貼片安裝至各個(gè)開關(guān)觸點(diǎn)及母線連接處，STM32通過AS61_17無線模塊與機(jī)房內(nèi)計(jì)算機(jī)通信，并且還從以太網(wǎng)接口、路由等手段與監(jiān)控室計(jì)算機(jī)和移動APP通信；門禁模塊統(tǒng)一身份管理，減少現(xiàn)場人員誤操作。

圖2 終端裝置硬件連接框圖

當(dāng)異常狀況出現(xiàn)，終端自動控制狀態(tài)指示燈從紅、黃、綠3種燈色中切換，并可根據(jù)監(jiān)測到的異常數(shù)據(jù)自動分析并判斷故障原因，完成繼電器開關(guān)執(zhí)行切換回路、斷開電源等操作；當(dāng)環(huán)境溫度過高時(shí)，利用增量PID算法調(diào)節(jié)排風(fēng)扇通風(fēng)；當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，立即停轉(zhuǎn)排風(fēng)扇，防止火勢蔓延，并且SD卡起到黑匣子功能，現(xiàn)場存儲故障時(shí)的圖文信息，并將現(xiàn)場圖片實(shí)時(shí)傳輸至遠(yuǎn)方監(jiān)控室。

工作人員可操控配電柜上裝設(shè)的DGUS觸摸屏，還可以從遠(yuǎn)方監(jiān)控室或者現(xiàn)場計(jì)算機(jī)的WEB瀏覽器、DELPHI界面對現(xiàn)場狀態(tài)3D展示，另外也可持APP手持終端現(xiàn)場進(jìn)行巡視。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

為提高終端的實(shí)時(shí)運(yùn)行效能，STM32F103移植了uC/OS-Ⅲ操作系統(tǒng)[8]，將程序模塊化，分別創(chuàng)建任務(wù)，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置堆棧和優(yōu)先級的大小，如圖3，終端高效率地自動調(diào)度任務(wù)輪流占用CPU，實(shí)現(xiàn)并行管理。

圖3 主程序流程圖

3.2 WEB服務(wù)器程序設(shè)計(jì)

終端借助ENC28J60模塊，將開源的1.3.2版本的TCP/IP LwIP協(xié)議[9]包移植進(jìn)STM32，考慮到STM32為小型嵌入式系統(tǒng)，使用內(nèi)存占用少的RAW函數(shù)[10]進(jìn)行開發(fā)，為實(shí)現(xiàn)B/S模式下的WEB服務(wù)器，如圖4所示，我們將HTML形式的API程序轉(zhuǎn)化為C語言寫入STM32，通過uC/OS-Ⅲ系統(tǒng)延遲函數(shù)定期監(jiān)聽數(shù)據(jù)指針，通過“GET”、“POST”命令，調(diào)用直接實(shí)現(xiàn)函數(shù)http_recv()或者tcp_write()函數(shù)發(fā)送不同的網(wǎng)頁信息供工作人員訪問并操作。

圖4 WEB服務(wù)器程序流程圖

3.3 電能計(jì)量相關(guān)程序設(shè)計(jì)

為保證電能監(jiān)測精度，STM32可采用DGUS現(xiàn)場校表或WEB瀏覽器遠(yuǎn)程校表方法，如圖5所示，為RN8302B芯片軟件校表方案。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：n為諧波次數(shù)；URn和UIn分別為電壓諧波瞬時(shí)值的實(shí)部和虛部；IRn和IIn分別為電流諧波瞬時(shí)值的實(shí)部和虛部；uk和ik分別為第k次諧波的電壓和電流采樣值；Un和In分別為電壓和電流諧波有效值。

由于數(shù)字中心計(jì)算機(jī)易受諧波影響，這里使用FFT頻譜[11]的離散式全周波傅氏算法計(jì)算分析諧波大小。

3.4 綜合預(yù)警程序設(shè)計(jì)

圖6為綜合預(yù)警算法流程圖，終端根據(jù)此算法自動分析故障種類，并進(jìn)行相應(yīng)故障處理操作，由于配電柜和網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜不同，出線側(cè)常帶有電動機(jī)類型負(fù)載[12]，設(shè)計(jì)了表1所示的電機(jī)出線側(cè)故障分類與保護(hù)辦法表，方便STM32進(jìn)行自動故障研判。

圖6 綜合預(yù)警算法流程圖

表1 電機(jī)出線側(cè)故障保護(hù)辦法表

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖7是最終的系統(tǒng)現(xiàn)場連接圖和終端的樣機(jī)圖，圖8是現(xiàn)場終端的DGUS液晶觸摸屏，可實(shí)現(xiàn)電能校表、電能參數(shù)顯示、測量模式選擇、內(nèi)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測、手動控制選項(xiàng)等功能。利用ST9001D5-3校表結(jié)果如表2～表4所示，表2為電流為5 A，功率因數(shù)為1.0額定條件下校表前后電壓參數(shù)對比表；表3為電壓為220 V，功率因數(shù)為1.0額定條件下校表前后電流參數(shù)對比表；表4為電壓為220 V，電流為5 A額定條件下校表前后功率參數(shù)對比表，其中P1、P2、P3分別在1.0、0.8、0.5功率因數(shù)條件下測得。監(jiān)控終端校表后的電壓、電流、有功功率測量有效值誤差小于0.2%，精度均達(dá)到0.5S級的要求。

(a)系統(tǒng)現(xiàn)場連接圖

(b)終端樣機(jī)圖圖7 監(jiān)控系統(tǒng)樣機(jī)圖

圖8 DGUS屏主界面圖

表2 校表前后電壓參數(shù)對比表 V

表3 校表前后電流參數(shù)對比表 A

表4 校表前后功率參數(shù)對比表 W

GB7251.1-2013規(guī)定配電開關(guān)動態(tài)連接最高溫度不超過70 ℃，靜態(tài)連接最高溫度不超過75 ℃[13]。 這里使用MQT100高低溫試驗(yàn)箱進(jìn)行開關(guān)監(jiān)測試驗(yàn)，將LM94022溫度傳感器貼片安裝在開關(guān)觸點(diǎn)及母線連接線上，在環(huán)境溫度25 ℃下，試驗(yàn)設(shè)置的母線溫度與LM94022實(shí)際輸出的電壓(mV)對應(yīng)關(guān)系見表5，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示其測量靈敏度達(dá)到規(guī)定要求。

表5 不同溫度下的LM94022輸出電壓數(shù)據(jù)表 mV

表6是試驗(yàn)反饋的微環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)返回參數(shù)表，經(jīng)試驗(yàn)，柜內(nèi)微環(huán)境傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)正常。圖9是通過遠(yuǎn)方的WEB瀏覽器監(jiān)測機(jī)柜內(nèi)環(huán)境參數(shù)的界面圖。

圖10是APP監(jiān)控界面圖，工作人員使用管理員身份登錄移動APP，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，工作人員收到短信提醒，可手動遠(yuǎn)方控制切換備用供電電源。

表6 微環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)表

圖9 機(jī)房配電柜內(nèi)環(huán)境監(jiān)控界面圖

(a)APP登錄界面 (b) 開關(guān)控制界面圖10 APP監(jiān)控界面圖

圖11是DELPHI監(jiān)控主界面圖，不僅可以3D展示配電柜微環(huán)境狀態(tài)，也可以實(shí)現(xiàn)故障系統(tǒng)自動報(bào)警功能，例如監(jiān)測到濃煙時(shí)，系統(tǒng)自動彈出對話框，并自動利用增量型PID[14]控制排風(fēng)扇通風(fēng)。

(a)DELPHI監(jiān)控主界面

(b)濃煙報(bào)警對話框界面

(c)排風(fēng)扇監(jiān)控界面圖11 DELPHI監(jiān)控界面圖

5 結(jié)束語

大數(shù)據(jù)建設(shè)是當(dāng)前國家著力推進(jìn)的一項(xiàng)重點(diǎn)工程。本文研究的數(shù)字中心機(jī)房配電柜監(jiān)控系統(tǒng)，是建立在大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，著眼于配電柜內(nèi)微環(huán)境監(jiān)控，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)電能和非電能參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，而且也可將信息傳遞至B/S和C/S雙重架構(gòu)混用的WEB瀏覽器、DELPHI、移動APP等上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時(shí)增加了故障自動研判報(bào)警以及控制功能，完善了現(xiàn)有數(shù)字中心機(jī)房安全系統(tǒng)監(jiān)控功能，完全符合國家倡導(dǎo)的機(jī)房配電柜“無人值守”減人提效的改革發(fā)展要求。試驗(yàn)結(jié)果表明，電能測量精度滿足0.5S要求，各種內(nèi)環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)滿足規(guī)定要求，發(fā)生故障時(shí)系統(tǒng)自動報(bào)警并排除故障。這對推進(jìn)數(shù)字中心機(jī)房配電系統(tǒng)工程具有一定的建設(shè)性意義。