鮑 智 恩

(國網(wǎng)福建省電力有限公司 福州市長(zhǎng)樂區(qū)供電公司, 福建 福州 350100)

0 引 言

隨著國家電網(wǎng)的大力發(fā)展,建設(shè)了越來越多的無人值守變電站來滿足社會(huì)、居民的可靠供電。目前,無人值守變電站只有對(duì)重要設(shè)備設(shè)置溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控(例如變壓器),而其他設(shè)備的溫度監(jiān)測(cè)主要是變電站運(yùn)維人員的周期巡檢,當(dāng)變電站運(yùn)維人員發(fā)現(xiàn)設(shè)備過熱點(diǎn)時(shí),后期無法對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)跟蹤[1],需要等到下一輪的巡視再進(jìn)行設(shè)備測(cè)溫,但在這期間設(shè)備的過熱點(diǎn)溫度有可能將繼續(xù)上升,甚至超過設(shè)備的耐受范圍,從而損壞設(shè)備,導(dǎo)致大面積停電。根據(jù)變電站的運(yùn)維狀況,本文設(shè)計(jì)了一套溫度跟蹤系統(tǒng)來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)無人值守變電站設(shè)備的過熱點(diǎn),達(dá)到及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除故障的目的,從而保證電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行[2-4]。

1 系統(tǒng)概述

該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)收發(fā)軟件、數(shù)據(jù)采集器組成。數(shù)據(jù)采集器主要應(yīng)用紅外測(cè)溫技術(shù)來實(shí)現(xiàn)與高壓設(shè)備的絕緣隔離[4-7];數(shù)據(jù)采集器和服務(wù)器的通信采用NB-IoT無線網(wǎng)絡(luò)通信來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集器的靈活安裝;服務(wù)器數(shù)據(jù)接收軟件將收集的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫,數(shù)據(jù)庫在內(nèi)網(wǎng)中是可以安全共享的,這樣客戶端軟件也能夠在內(nèi)網(wǎng)中查詢相應(yīng)變電站的設(shè)備發(fā)熱情況。變電站設(shè)備過熱跟蹤系統(tǒng)方案如圖1所示。

圖1 變電站設(shè)備過熱跟蹤系統(tǒng)方案

該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)有:① 紅外測(cè)溫技術(shù)使得數(shù)據(jù)采集器與高壓設(shè)備的安全隔離;② 應(yīng)用NB-IoT無線技術(shù)通信,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集器的靈活安裝和收回;③ 服務(wù)器收發(fā)軟件和數(shù)據(jù)庫構(gòu)成的模式,可以實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程查看,節(jié)省運(yùn)維人員的時(shí)間[4-7]。

2 數(shù)據(jù)采集器

2.1 數(shù)據(jù)采集器的硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集的硬件設(shè)計(jì)主要包括電源管理、NB-IoT無線通信模塊、紅外溫度傳感器、環(huán)境溫度傳感器以及顯示模塊。

數(shù)據(jù)采集器是在變電站一次設(shè)備發(fā)現(xiàn)過熱點(diǎn)時(shí),布置在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)過熱點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),考慮取源的便捷性問題采用鋰電池供電,這樣可以添加數(shù)據(jù)采集器安裝的靈活性[7]。

數(shù)據(jù)采集器采集的數(shù)據(jù)主要有環(huán)境溫濕度以及通過紅外測(cè)溫測(cè)得的設(shè)備表面溫度。對(duì)于電氣設(shè)備來說,周圍環(huán)境溫濕度會(huì)影響設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行,所以了解溫濕度狀況是非常有必要的。本文環(huán)境溫濕度采集模塊采用SHT11數(shù)字傳感器,紅外溫度傳感器采用MLX90614,傳感器溫度范圍為-40～125 ℃,測(cè)量物體溫度范圍為-70～380 ℃,溫度分辨率為0.02 ℃。

本文采用ME3616無線通信模塊,NB-IoT制式下,該模塊可以提供最大66 kb/s上行速率和34 kb/s下行速率。通常變電運(yùn)維人員最長(zhǎng)需要兩周為一個(gè)周期巡視變電站,因此要考慮數(shù)據(jù)采集器低功耗模式。ME3616無線通信模塊具備了省電模式,模塊在省電期間功耗僅4 μA,此時(shí)模塊處于網(wǎng)絡(luò)非連接狀態(tài),不接收任何網(wǎng)絡(luò)尋呼。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)側(cè)來說,模塊此時(shí)是不可達(dá)的離線狀態(tài),此時(shí)需要通過模塊的專有引腳去喚醒模塊。ME3616硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 ME3616硬件設(shè)計(jì)

ME3616無線通信模塊要注意通信引腳的電平變換設(shè)計(jì),該模塊自身的電平為1.8 V,而大部分的主控芯片電平為3.3 V以上。天線是一個(gè)敏感器件,容易受到外部環(huán)境的影響。模塊尺寸、天線位置、占用空間大小以及周圍的接地等情況均可能影響天線性能。此外,連接天線的射頻電纜及固定天線的位置也會(huì)影響天線性能。因此在天線的設(shè)計(jì)上應(yīng)預(yù)留雙L型電路匹配以提高射頻性能[7]。

2.2 數(shù)據(jù)采集器的軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊主要實(shí)現(xiàn)紅外測(cè)溫溫度采集、環(huán)境溫度溫度采集、溫度數(shù)據(jù)上傳及溫度顯示。數(shù)據(jù)采集器軟件流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集器軟件流程

采集器上電之后,首先對(duì)單片的UART、IO口、中斷、傳感器芯片等資源進(jìn)行初始化設(shè)置[4-7]。數(shù)據(jù)采集器主要完成3項(xiàng)工作:ME3616無線通信模塊的控制、環(huán)境和設(shè)備過熱點(diǎn)的溫度采集、溫度顯示的交互[4]。

其中,ME3616無線通信模塊的控制主要包括模塊初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送、進(jìn)入省電模式。模塊的初始化主要通過ME3616的POWER_ON引腳實(shí)現(xiàn)開機(jī),利用AT指令進(jìn)行聯(lián)網(wǎng),初始化成功后,通過UDP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議將溫度數(shù)據(jù)上送到服務(wù)器。數(shù)據(jù)采集器是間隔10 min采集一次溫度數(shù)據(jù),在等待采集數(shù)據(jù)期間需要控制ME3616模塊進(jìn)入省電模式,通過AT指令A(yù)T+CPSMS、AT+ZSLR、AT*MNBIOTRAI=1/2可以快速進(jìn)入省電模式。當(dāng)需要再次發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)可通過POWER_ON管腳或WAKEUP_IN管腳下降沿主動(dòng)將模塊從省電模式中喚醒。

3 服務(wù)器軟件和客戶端軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)收發(fā)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)收發(fā)軟件其實(shí)就是端口監(jiān)聽的程序,數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端采用UDP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送到該服務(wù)器的端口,數(shù)據(jù)收發(fā)軟件接收這些數(shù)據(jù)并解讀,最后存入數(shù)據(jù)庫中[7]。數(shù)據(jù)收發(fā)軟件多線程流程圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)收發(fā)軟件多線程流程圖

數(shù)據(jù)收發(fā)軟件需要進(jìn)行數(shù)據(jù)接收和處理,面對(duì)大量的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端,需要該程序處理速度足夠快,除了提高計(jì)算機(jī)的性能外,還可以利用多線程來處理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。由圖可知,該程序主要由兩條線程組成。首先開啟一個(gè)監(jiān)聽線程,接收數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端發(fā)送上來的數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)高效的服務(wù),該監(jiān)聽線程不做具體的業(yè)務(wù)處理,以避免耗時(shí)的業(yè)務(wù)處理(數(shù)據(jù)庫/磁盤等操作都可認(rèn)為是耗時(shí)操作)導(dǎo)致接收線程阻塞降低網(wǎng)絡(luò)吞吐量。因此,需要再開啟一個(gè)數(shù)據(jù)處理線程,專門進(jìn)行耗時(shí)的業(yè)務(wù)處理。線程間的通信有多種方式,本文采用事件和消息隊(duì)列的方法實(shí)現(xiàn)[7]。

圖5 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)圖

3.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫是一個(gè)數(shù)據(jù)集合,即長(zhǎng)期存放數(shù)據(jù)的地方,該數(shù)據(jù)集合是有組織并且可以共享數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)組織、描述和儲(chǔ)存一般都按照相關(guān)的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)具有較小冗余度、高的數(shù)據(jù)獨(dú)立性和易擴(kuò)展性,可以為不同的用戶共享使用。實(shí)際上,人們所認(rèn)為的數(shù)據(jù)庫是指數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DBMS),數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)主要是管理數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的軟件系統(tǒng),是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心組成部分,通過該系統(tǒng)軟件用戶可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫的定義、查詢、更新以及其他各種操作[4-7]。本文采用的是Microsoft SQL Server2008數(shù)據(jù)庫,該數(shù)據(jù)庫可以實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)的共享,客戶端軟件可以直接訪問相關(guān)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程查看。針對(duì)系統(tǒng)的需求,本文所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

由圖5可知,該數(shù)據(jù)庫由3張表組成:yy_substation是用來存儲(chǔ)不同區(qū)域和不同變電站的表格;yy_dev是用來數(shù)據(jù)采集器信息的表格;yy_temp是用來存儲(chǔ)溫度數(shù)據(jù)的表格。各個(gè)表格設(shè)定一定的表關(guān)聯(lián),表關(guān)聯(lián)是指數(shù)據(jù)庫中的兩個(gè)數(shù)據(jù)表之間使用指定的字段實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)表的連接,這兩個(gè)字段必須是同種數(shù)據(jù)類型。表關(guān)聯(lián)可以減少相同的數(shù)據(jù)多次存儲(chǔ),從而減少數(shù)據(jù)量的存儲(chǔ)。

3.3 客戶端軟件設(shè)計(jì)

客戶端軟件需要提供設(shè)備和區(qū)域信息的管理、數(shù)據(jù)查看、曲線數(shù)據(jù)等?？蛻舳塑浖蚣苋鐖D6所示。

圖6 客戶端軟件框架

4 結(jié) 語

本文完成了數(shù)據(jù)采集器、服務(wù)器和客戶端的軟件設(shè)計(jì),并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性,該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)變電站設(shè)備過熱點(diǎn)的實(shí)時(shí)跟蹤,減輕了變電站值班人員的工作量,降低巡視維護(hù)成本,具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。