面向電力設備的一體化智能監(jiān)控系統(tǒng)

鄒丹丹 李沛哲

摘要：本文設計了以STM32處理器為主控制器的多功能電力設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)可應用在極端條件環(huán)境里對設備運行狀態(tài)進行監(jiān)測，也為智能電網(wǎng)的建設提供了底層硬件平臺，提供大量有價值的電力系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)。系統(tǒng)綜合了嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)以及遠程控制等技術優(yōu)勢，提高了整個系統(tǒng)的實時性，靈活性和安全性。系統(tǒng)方案簡單可靠，模塊化設計為日后系統(tǒng)升級提供了極大的空間。人機界面可實現(xiàn)遠程操作功能，達到無人值守的效果，極大地節(jié)約人力物力。測試結果證明了本系統(tǒng)簡單有效，系統(tǒng)對于建設現(xiàn)代化智能電網(wǎng)體系具有重大的意義。

關鍵詞：面向電力設備；一體化智能監(jiān)控系統(tǒng)；設計

中圖分類號：TM507文獻標識碼：A文章編號：2095-3178（2018）19-0380-01

1一體化智能監(jiān)控系統(tǒng)概述

一體化智能系統(tǒng)應使電力系統(tǒng)具備可視化監(jiān)控、巡檢和調(diào)度，

因此，系統(tǒng)應具備如下功能：對儀表進行遠程監(jiān)控及對熱點測量和報警的功能，運行操作隊、監(jiān)控中心、應急指揮中心等相關部門利用該系統(tǒng)對電力系統(tǒng)可以遠程實時圖像監(jiān)控、遠程故障和意外情況告警接收處理；系統(tǒng)可以根據(jù)指令完成對指定目標的監(jiān)控，對操作后的設備狀態(tài)進行檢查，代替人工現(xiàn)場校核，實現(xiàn)輔助運行人員倒閘操作；對所有目標按照程序指令自動巡檢或按人員指令對特定設備巡視；對于進入電力系統(tǒng)設備場區(qū)、控制設備核心區(qū)的外來人或物、場區(qū)發(fā)出的異常聲光能夠報警及跟蹤拍錄。

2總體設計方案

本系統(tǒng)以STM32F103芯片為核心的微處理器模塊，在模塊化設

計的方法上結合了數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊和上位機模塊。電力系統(tǒng)監(jiān)控終端由微處理器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊構成。系統(tǒng)主程序中循環(huán)檢測SPI端口，數(shù)據(jù)采集模塊ATT7022E將采集的電網(wǎng)狀態(tài)實時數(shù)據(jù)通過SPI接口送到微處理器的FLASH存儲器中。為了方便傳輸，還需要將數(shù)據(jù)通過通信模塊內(nèi)置的TCP/IP傳輸子程序打包成數(shù)據(jù)幀。上位機與通信模塊之間先建立數(shù)據(jù)傳輸連接，這個過程分為數(shù)據(jù)通道的連接過程和數(shù)據(jù)傳輸過程。上位機接收數(shù)據(jù)完成后，通過顯示界面將電力數(shù)據(jù)顯示在顯示界面上。

3系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件主要包括4個模塊電路：負責數(shù)據(jù)收集與處理的微處

理器模塊、采集電網(wǎng)實時數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集模塊ATT7022E、實現(xiàn)網(wǎng)絡連接和數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ拍K以及人機交互的上位機模塊。

3.1微處理器模塊

系統(tǒng)采用具有高精度、高集成度的STM32F103處理器，其核心

是ARMCortex-M3內(nèi)核，該內(nèi)核產(chǎn)品是一種面向數(shù)據(jù)信號處理的高級微控制器。STM32F103同時還具備低功耗、成本低操作簡單等特點。此外，STM32F103還集成了256KB的Flash存儲器以及64KB的高速靜態(tài)RAM，F(xiàn)lash存儲器用來存放系統(tǒng)文件以及一些緩存數(shù)據(jù)，當Flash存滿時系統(tǒng)會自動調(diào)用高速靜態(tài)RAM。STM32F103除了具有高達72MHz的時鐘頻率，還增加了豐富的外設接口，如SPI接口、同步通信數(shù)據(jù)接口UTRA等。

3.2電能計量模塊

電能計量模塊主要用來統(tǒng)計電網(wǎng)實時參數(shù)。本系統(tǒng)硬件上采用

ATT7022E芯片作為電能參數(shù)采集的主要芯片，ATT7022E是一款高精度且功能強的多功能防竊電三相電能專用計量芯片，ATT7022E內(nèi)部還包括電能參數(shù)統(tǒng)計算法，因此只需把外圍電路搭載好即可，主程序中直接進行相關數(shù)據(jù)存儲讀寫，簡單快捷。

ATT7022E與微處理器STM32F103之間通過SPI接口進行數(shù)據(jù)交換。在本監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)主要從電能計量模塊傳到主控芯片中。SPI接口含有4根線，分別是片選信號CS、時鐘信號SCLK、數(shù)據(jù)輸入DIN、數(shù)據(jù)輸出DOUT。

3.3通信模塊

本系統(tǒng)采用GPRS傳輸方式，它的優(yōu)勢在于可以永久在線連接、

快速的數(shù)據(jù)存儲功能以及數(shù)據(jù)下載功能，硬件方面采用SIM900A芯片，SIM900A內(nèi)置TCP/IP協(xié)議，不僅能實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)傳輸，同時也節(jié)約了微處理器的資源調(diào)用，是一款性價比非常高的通信芯片。MAX232是標準串口RS232下的電平轉換接口，工作電壓+5V。當用單片機和GPRS模塊通過串口進行通信時，盡管單片機有串行通信的功能，但單片機提供的信號電平和RS232的標準不一樣，SIM900A不支持RS232電平，只支持CMOS電平。

4系統(tǒng)軟件設計

4.1程序總體設計

軟件從實用性考慮，采用模塊化設計，主程序主要對各個模塊之間進行合理協(xié)調(diào)。系統(tǒng)上電后，先對系統(tǒng)進行初始化，設置主機IP地址，端口號，進入主程序之后先循環(huán)檢測通信接口有數(shù)據(jù)接收，這里設定定時器的初值，確定循環(huán)檢測的周期。如果端口檢測到有數(shù)據(jù)從采樣模塊傳過來，先設定微處理器內(nèi)部的存儲器地址初值，確定數(shù)據(jù)讀寫存儲位置。主程序調(diào)用讀/寫子函數(shù)將數(shù)據(jù)傳入存儲器中。

4.2采樣模塊的數(shù)據(jù)讀寫

采樣模塊ATT7022E主要通過SPI接口來與微處理器進行數(shù)據(jù)交

換。當ATT7022E與主控芯片通過SPI建立好通信模式后，此時片選信號CS為高，當CS被拉低時，先向寄存器中寫入1個字節(jié)的地址，ATT7022E在SCLK的下一個下降沿時開始轉移寄存器中的數(shù)據(jù)，共3個字節(jié)。5實驗結果

5.1編譯環(huán)境搭建

系統(tǒng)采用KeilUvision4作為整個編譯環(huán)境，先設置編譯環(huán)境，

通過下載線將應用程序拷貝到單片機中，然后進行串口測試，測試成功后進行主程序設計。

為使得監(jiān)控終端能夠24h始終保持對電力設備運行狀態(tài)的監(jiān)控狀態(tài)，設備須每隔30s發(fā)送一次監(jiān)控數(shù)據(jù)。上位機界面也要定時刷新界面，這樣才能實現(xiàn)實時監(jiān)控的目的。本監(jiān)控系統(tǒng)實際使用之前，必須先用TCP&UDP;測試工具對硬件終端進行本地通信測試，先設置IP地址、端口號，并發(fā)送測試數(shù)據(jù)。

5.2上位機界面顯示

本系統(tǒng)可以測量三相電壓、三相電流、三相有功功率、三相無

功功率和三相功率因素等電能參數(shù)。先登陸服務器IP172.25.78.201，端口號為9001，上位機與監(jiān)控終端的通信模塊連接后，部分召測數(shù)據(jù)截圖如圖1所示。

從圖1可以看出各相電壓標準有效值為220V，電流有效值為

1.5A，功率因素為1（沒有功率損耗）。經(jīng)計算，有功功率P=UIcosθ，有功功率有效值為330W，由于忽略功率損耗，無功功率為0。從圖10可以看出三相電壓實時召測數(shù)據(jù)基本無誤，各相電流召測值也與有效值誤差不大，此誤差經(jīng)計算（1.5-1.49）÷1.5×100%=0.67%，誤差在1%以內(nèi)，基本可以忽略不計。有功功率的實時召測值為329、331、329W，（330-329）÷330×100%=±0.3%，因此其有功功率的測量誤差在0.5%以內(nèi)。各相功率因素都是0.999，

近似1，因此誤差很小。

結束語

為了維持偏遠地區(qū)的電力設備的安全穩(wěn)定的運行，需要對其運行狀態(tài)進行監(jiān)控。文中設計了一種以STM32F103為微處理器的遠程通信系統(tǒng)，系統(tǒng)搭載了電能計量芯片、遠程通信模塊以及存儲器模塊等外設模塊。系統(tǒng)采用SIM900A芯片作為通信芯片，電能計量芯片采用ATT7022E，ATT7022E內(nèi)置的電能參數(shù)統(tǒng)計算法簡化了程序。

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