基于ARM的變電站機房采集控制系統

【摘要】 能源問題已經成為當前國計民生中的主要問題之一，電力供應是其中的主要生產驅動力。智能化的變電站機房信息采集監控系統作為確保電力供給的重要保障措施，在現代具有廣泛的應用。采用新技術開發的基于ARM（Advanced RISC Machines）/FPGA/DSP的電力通信系統可以在不耗費大量人力資源的同時確保系統良好運行。本文結合實際，設計了一種采用基于ARM的變電站機房信息采集、實時監控的系統。通信端采用移動運營商蜂窩數據（LTE/GPRS）實現機房設備運行參數的無線傳輸和指令控制。系統的實時性和有效性使其在實用的同時具有自動判別異常信息并報警的功能。

【關鍵詞】 ARM 采集 變電站

一、引言

作為電力系統中統籌分配電力資源和變換電能的中樞，變電站主要作用是在電力系統中進行電壓的潮流、調整，以確保電能在電網中安全、高質量的傳送。這說明了電力系統特別是變電站的智能監控和信息采集系統的重要性。電力系統信息的監測對系統安全有著舉足輕重的意義，是運營管理、科研創新、安全生產等部門都要關注的重點，其中涉及的神經網絡和小波變換等在國內外研究中屬于熱點問題[1]。

遠程監測系統的研究不僅為電力系統創造了很大的經濟節約，其自身也由于技術更新而創造了巨大的經濟效益[2]。本研究以基于運營商的LTE蜂窩數據的遠程無線監測系統為數據承載，結合嵌入式系統的應用，探討了一種實時高效的變電站信息采集監控系統。

二、當前監控系統的不足

國外的研究起步較早，已經經過了三代的不斷優化，而我國幾年來也在逐步增加技術投入，縮小與國外的差距。

變電站常見的監控數據包括：有功/無功功率監控點、蓄電池組監控點、變壓器監控點、交流電頻率監控點、交流母線監控點。針對這些監測點，目前市場上常見的監控系統普遍存在功能結構單一、性能不足、智能化程度低且造價較高的缺點，則造成了市場選擇積極性普遍不高。本研究以傳統變電站機房的設備監控范圍為基礎，基于ARM架構，增加了市場迫切需要的氣體探測、火情分析、設備信息采集、調度指令、RFID門禁和高清視頻傳輸（依托LTE網絡）功能，同時分析能耗的狀況，著力解決系統高功耗問題[3]。

本研究解決的問題主要包括：

（1）優化設備的能耗管理機制；（2）兼容不同設備的接入方式；（3）對關鍵事件進行分類日志記錄；（4）能夠實現設別的在線升級和自診斷修復；（5）優化傳感器探測能力；（6）優化圖像識別觸發的各種報警；（7）優化機房門禁（RFID）管理；（8）優化控制指令的通用性。

三、系統改進方案

系統的系統軟件采用成熟的模塊化思想，基于Linux開源系統進行開發，數據庫使用MySQL。硬件上，各種傳感器采用穩定性高的OEM方案，在可擴展的基板上進行開發適配[4]。這樣的開放式系統架構可保證整個平臺的平滑升級，為系統擴展和維護提供了便利。（圖1）

軟件系統上，應該注意：

（1） 設置合適的算法和觸發閾值，避免誤報警次數；在RFID門禁系統上結合人臉識別進行二次鑒權；（2）避免監控系統的故障對電網系統造成影響，監控系統的軟件應該具有故障自診斷和自我恢復功能，防止對電網系統的傷害；（3） 主要數據傳輸均采用統一的TCP/IP協議，保證系統良好的擴展性和兼容性，便于組網和遠程對接。

硬件系統上，應該注意以下幾點：

（1） 系統中采用的一般監控模塊（傳感器部件）采用成熟的OEM模塊化方案，減少設計和搭建周期，確保穩定度，節約安裝投資[5]；（2）為優化視頻采集和傳輸能力，這里采用中國聯通FDD-LTE技術，150Mbps的數據峰值可以滿足高清視頻信息的傳輸；（3）對于煙霧、溫濕度、氣體傳感器的安裝應該分多處設置，避免死角和單一采集點故障造成判斷失敗；（4）信息采集監控系統的硬件不是單一的集合，應該把必要的IC與電網控制端聯系在一起，提高系統的穩定性和可靠性[6]。

四、系統改進后測試

系統軟硬件搭建適配完成后，模擬現場理想化實際環境和進行適當的不可預見外界環境綜合測試，確定系統的功能正常后要對其性能和控制進行額外測試。

整個系統的框架，軟件部分主要是指令控制部分和傳輸部分，承載數據的是通信模塊。在監控終端最后呈現出實時的信息，需要B/S結構前端采用異步通信方式，同時數據格式進行必要的糾錯。主要的測試數據格式是json和xml，授權用戶在終端進入系統后，通過調度不同的傳感器和攝像頭，得到不同的返回信息。后臺的PHP和Cgi程序進行數據的處理和日志的記錄[7]。而控制指令的據流方向是從終端到服務器端，生成json數組給調用函數，然后傳輸到遠端。

實際測試中，判斷了門禁系統、火情監測系統、斷電故障處理和與舊的機房系統設備功耗進行對比。

（1）在實際測試中，非授權人員使用RFID門禁時，系統通過攝像頭采集到人臉信息，判斷無法匹配，禁止門禁開啟；（2）當變電站機房出現煙霧和火情時，控制終端警報被及時觸發[8]；（3）測試斷電情況發生時，系統及時反饋了信息并在允許的情況下開啟備用電路；（4）功耗對比發現，本系統在功能豐富程度達到相當好的程度上相比傳統的功能單一系統仍然節能23%±5%。

五、結束語

基于Linux和ARM嵌入式的變電站信息采集監控系統充分結合行業需求，系統傳輸速率高、性能強大、功能豐富穩定并能夠直接通過4G LTE與Internet互連。該技術的應用將會在很大程度上提高電力系統運行的安全性、可靠性和經濟性。本設計基于嵌入式系統經濟高效、使用方便的特點和Linux系統開源穩定的優勢，并且系統本身硬件的設計考慮到了擴展性和維護性，在性能提高的同時，有效降低系統的能耗。通過智能識別算法滿足監控系統對異常信息的及時報警和自動修復功能。這是對傳統變電站信息采集和監控系統的很好改良。