基于嵌入式Web服務(wù)器的變電站遠(yuǎn)程測溫智能預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邢惠民 周立人 翟 爽 郭曉龍 公茂法

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基于嵌入式Web服務(wù)器的變電站遠(yuǎn)程測溫智能預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邢惠民1周立人2翟 爽1郭曉龍1公茂法2

（1. 國網(wǎng)山東電力東營供電公司，山東東營 257091； 2. 山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東青島 266510）

為提高變電站防抗災(zāi)能力，本文設(shè)計(jì)一套遠(yuǎn)程測溫智能預(yù)警系統(tǒng)，在變電站重點(diǎn)防控區(qū)域設(shè)置嵌入式Web服務(wù)器監(jiān)測終端，對監(jiān)測區(qū)域溫濕度、設(shè)備溫度以及煙霧濃度等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，監(jiān)測信息經(jīng)以太網(wǎng)至遠(yuǎn)程保護(hù)室，通過Web瀏覽器或者手機(jī)APP移動(dòng)管理設(shè)備訪問監(jiān)管。監(jiān)測區(qū)域一旦發(fā)生異常，監(jiān)控界面就自動(dòng)切換鎖定，并智能發(fā)出異常信息。試驗(yàn)結(jié)果表明，溫度等指標(biāo)數(shù)據(jù)監(jiān)測準(zhǔn)確，異常預(yù)警功能正常，對推進(jìn)變電站安全智能化建設(shè)具有一定的建設(shè)性意義。

Web服務(wù)器；變電站；遠(yuǎn)程測溫；智能預(yù)警

變電站開關(guān)設(shè)備在長期運(yùn)行中容易發(fā)生多種故障，例如開關(guān)觸頭表面氧化腐蝕，電纜頭連接位置螺栓松動(dòng)等，尤其是在異常高溫或低溫下，會(huì)加速開關(guān)設(shè)備老化。這些設(shè)備分散分布在各個(gè)工作站內(nèi)，安全管理較為困難，亟需一套遠(yuǎn)程測溫安全智能系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)管。

文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)用DS18B20傳感器采集多點(diǎn)設(shè)備溫度，其傳感器靈敏度不可調(diào)，適用范圍窄，ZigBee無線技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)需要建立多個(gè)基站，維護(hù)調(diào)試費(fèi)用高、不安全。文獻(xiàn)[2]利用紅外攝像機(jī)和云臺(tái)系統(tǒng)采集溫度信息，雖能實(shí)現(xiàn)高精度紅外遠(yuǎn)距離溫度采集，但是投資額巨大，受障礙物影響大，不適用日益緊湊的現(xiàn)代變電站設(shè)計(jì)理念，其上位機(jī)界面基于組態(tài)王的C/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，監(jiān)測地點(diǎn)受限制，且通用性差，軟件維護(hù)升級(jí)費(fèi)用高。文獻(xiàn)[3]提出了一種GPRS遠(yuǎn)距離24h在線數(shù)據(jù)傳輸方式，但容易受天氣因素影響，需要向運(yùn)營商購買專用通道，維護(hù)調(diào)試不便。

本設(shè)計(jì)利用嵌入式芯片獨(dú)立的Web服務(wù)器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的互聯(lián)集中監(jiān)測，與上述文獻(xiàn)設(shè)計(jì)相比，是一種全新的設(shè)計(jì)理念。

1 變電站遠(yuǎn)程測溫智能預(yù)警系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。在變電站各個(gè)防控區(qū)域安設(shè)嵌入式Web服務(wù)器監(jiān)測終端，這些終端將采集到的環(huán)境溫濕度、設(shè)備溫度、火災(zāi)煙霧濃度等信息傳輸至以太網(wǎng)內(nèi)；Web監(jiān)測界面采用B/S架構(gòu)，支持多用戶多權(quán)限機(jī)制，可以通過任意計(jì)算機(jī)、APP移動(dòng)管理設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測；當(dāng)某一區(qū)域發(fā)生火災(zāi)等溫度異常情況時(shí)，監(jiān)控界面自動(dòng)切換到異常監(jiān)控區(qū)域的監(jiān)測界面，系統(tǒng)智能發(fā)出報(bào)警短信提示，從而鎖定事故類型與地點(diǎn)，縮短搶修時(shí)間。

對各個(gè)監(jiān)控終端采用獨(dú)立的Web服務(wù)器設(shè)計(jì)，使室內(nèi)數(shù)據(jù)服務(wù)器規(guī)模大大減小，它負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)不同Web服務(wù)器的SQL請求[4]，存儲(chǔ)必要的歷史數(shù)據(jù)，后期可集成到調(diào)度采集系統(tǒng)；監(jiān)控站內(nèi)配備有網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)，自動(dòng)上報(bào)故障或異常數(shù)據(jù)，使整個(gè)系統(tǒng)的告警冗余機(jī)制得到完善，故障漏報(bào)率大大降低。

2 嵌入式監(jiān)測終端硬件結(jié)構(gòu)

如圖2所示，STM32F103ZET6微控制器通過mC/OS-Ⅲ系統(tǒng)調(diào)控各個(gè)功能模塊。其中DHT22傳感器多點(diǎn)監(jiān)測各個(gè)區(qū)域的環(huán)境溫度和相對濕度信息；LM94022傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)測設(shè)備的溫度信息，若溫度超過量程，則可通過繼電器開關(guān)切除溫度監(jiān)測回路進(jìn)行智能保護(hù)；MQ-2傳感器經(jīng)STM32自身A/D轉(zhuǎn)換檢測周圍環(huán)境的煙霧濃度[5]，通過設(shè)置閾值可有效防止設(shè)備發(fā)生起火或爆炸的危險(xiǎn)；紅外火焰?zhèn)鞲衅鞅O(jiān)測是否有火災(zāi)發(fā)生；狀態(tài)指示燈進(jìn)行現(xiàn)場環(huán)境狀態(tài)指示；STM32分析異常數(shù)據(jù)類型，并通過RS 232串口控制SIM900A模塊向檢修人員發(fā)送報(bào)警提示[6]；STM32通過SDIO接口與SD卡通信，歷史信息以FATFS文件格式存儲(chǔ)，利于事故追溯工作；門禁模塊采用PN532 NFC模塊，STM32通過SPI總線控制NFC模塊實(shí)現(xiàn)射頻卡的近距離高頻無線電通信[7]；采用迪文DGUS串口液晶觸摸屏顯示，具有友好的人機(jī)交互界面；監(jiān)測終端依靠外擴(kuò)的ENC28J60以太網(wǎng)接口模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。

3 監(jiān)測終端主要硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 環(huán)境溫濕度測量電路

如圖3所示，DHT22是一款16位高精度數(shù)字式溫濕度傳感器，溫度量程為-40℃～80℃，精度＜±0.5℃；相對濕度在-40℃～80℃溫度內(nèi)，符合精度要求。供電電壓為+3.3V，DHT22通過PE3引腳與STM32實(shí)現(xiàn)單總線通信，傳輸距離高達(dá)20m以上，適合變電站區(qū)域性質(zhì)的溫濕度監(jiān)測，當(dāng)通信距離小于20m時(shí)，常選用4.7kW的高精度電阻。

圖3 DHT22環(huán)境溫濕度測量電路圖

3.2 設(shè)備溫度測量電路圖

如圖4所示，設(shè)備溫度測量采用具負(fù)溫度系數(shù)的集成CMOS溫度傳感器LM94022，通過PC1引腳的A/D轉(zhuǎn)換通道讀取相應(yīng)溫度下的輸出電壓值。為避免損壞單片機(jī)，應(yīng)用隔熱材料將芯片金屬引腳、引線與熱源隔離，并用耐高溫的TLP2301光耦模塊進(jìn)行信號(hào)隔離[8]。同時(shí)，單片機(jī)的數(shù)字地和傳感器模擬地要分開處理。LM94022量程為-55℃～ 150℃，見表1，可利用單片機(jī)控制GS0和GS1引腳改變測量靈敏度，以適應(yīng)不同的測量范圍，提高設(shè)備測溫的精準(zhǔn)度。

表1 LM94022測溫的四種靈敏度

3.3 以太網(wǎng)接口通信電路圖

如圖5所示，STM32F103ZET6不帶以太網(wǎng)控制器，外擴(kuò)ENC28J60模塊，通過SPI2總線對芯片內(nèi)部寄存器寫入控制參數(shù)或收發(fā)MAC數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)功能。ENC28J60通過以太網(wǎng)變壓器HR911105A與RJ45水晶頭連接組成網(wǎng)線接口[9]。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)主程序總體設(shè)計(jì)

為了保障Web服務(wù)器性能穩(wěn)定，設(shè)計(jì)將mC/OS-Ⅲ多任務(wù)實(shí)時(shí)管理系統(tǒng)移植進(jìn)STM32，如圖6所示，各個(gè)任務(wù)以并行、流水線方式被執(zhí)行。mC/OS-Ⅲ系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)實(shí)際情況設(shè)置任務(wù)優(yōu)先級(jí)和堆棧大小，表2列出了每個(gè)監(jiān)測終端的主要任務(wù)配置，高于5的優(yōu)先級(jí)一般保留給系統(tǒng)自身運(yùn)行所用。

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖

表2 主要任務(wù)配置表

4.2 嵌入式Web服務(wù)器程序設(shè)計(jì)

LwIP為輕量級(jí)協(xié)議棧，所占用RAM和ROM空間少，支持大部分TCP/IP規(guī)范，這里選擇移植1.3.2版本LwIP到STM32的實(shí)時(shí)系統(tǒng)mC/OS-Ⅲ中。

移植過程中根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行剪裁，將LwIP信號(hào)量操作函數(shù)封裝到對應(yīng)的mC/OS-Ⅲ信號(hào)量操作函數(shù)中。LwIP單線程處理速度慢，通過修改mC/OS-Ⅲ的應(yīng)用函數(shù)OSTASKCreate()實(shí)現(xiàn)流水線式的處理進(jìn)程[10]，系統(tǒng)時(shí)鐘用SysTick滴答定時(shí)器模擬，頻率為1Hz，即分配給任務(wù)的最小時(shí)間間隔為1ms。除DHT22因?yàn)橥ㄐ叛訒r(shí)最小時(shí)長小于1ms需要關(guān)閉系統(tǒng)調(diào)度功能以外，其他情況下禁止關(guān)閉系統(tǒng)定時(shí)器功能。

Keil編譯器不支持HTML語言，將網(wǎng)頁的HTML程序?qū)懭胱远x數(shù)組中，數(shù)組中包含網(wǎng)頁協(xié)議頭、“GET”和“POST”請求等信息[11]，以字符串?dāng)?shù)組形式發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)。以太網(wǎng)通過識(shí)別協(xié)議頭與請求信息和單片機(jī)進(jìn)行信息交互。堆棧大小有限，網(wǎng)頁數(shù)組長度聲明要適當(dāng)，否則棧溢出，發(fā)生硬件錯(cuò)誤。簡化的終端Web服務(wù)器程序流程如圖7所示。

圖7 簡化的終端Web服務(wù)器程序流程圖

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 LM94022設(shè)備測溫功能驗(yàn)證

試驗(yàn)裝置選用MQT100高低溫試驗(yàn)箱，將LM94022傳感器固定安裝在試驗(yàn)箱的樣品架的金屬卡線結(jié)構(gòu)上，在5V供電電壓、25℃環(huán)境溫度下，試驗(yàn)溫度與芯片輸出電壓（mV）對應(yīng)關(guān)系見表3。

表3 LM94022傳感器溫度測試表

5.2 Web遠(yuǎn)程監(jiān)測界面故障追蹤功能驗(yàn)證

將試驗(yàn)用監(jiān)測終端放置在機(jī)房內(nèi)，通過網(wǎng)線遠(yuǎn)程連接至實(shí)驗(yàn)室的路由，在相同網(wǎng)關(guān)的普通計(jì)算機(jī)上打開瀏覽器的主界面。用打火機(jī)在監(jiān)測終端火焰?zhèn)鞲衅髋阅M火災(zāi)發(fā)生，Web監(jiān)測界面自動(dòng)切換到監(jiān)測終端所屬××機(jī)房內(nèi)環(huán)境監(jiān)測界面，如圖8所示，監(jiān)測界面顯示火災(zāi)發(fā)生，并且收到短信報(bào)警，SD卡中自動(dòng)生成文本格式的事件記錄文件。

6 結(jié)論

開展遠(yuǎn)程測溫智能預(yù)警系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)，對變電站現(xiàn)有安全監(jiān)管系統(tǒng)進(jìn)行改善，推動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的運(yùn)用，符合現(xiàn)代系統(tǒng)智能化、精細(xì)化的發(fā)展要求。試驗(yàn)結(jié)果證明，各項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)無誤，故障監(jiān)測界面自動(dòng)切換鎖定，報(bào)警信息智能發(fā)出，這對源頭防控變電站災(zāi)害事故、推進(jìn)變電站無人值守工程建設(shè)具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

圖8 Web瀏覽器遠(yuǎn)程監(jiān)測界面圖

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The Design of Substation Remote Temperature Measurement Intelligent Early Warning Systembased on the Embedded Web Server

Xing Huimin1Zhou Liren2Zhai Shuang1Guo Xiaolong1Gong Maofa2

(1. State Grid Shandong Dongying Electric Power Company, Dongying, Shandong 257091; 2.College of Electrical Engineering and Automation, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266510)

In order to improve the anti-disaster ability of substation, design a set of remote temperature intelligent early warning system. Set the embedded Web server monitoring terminal in the key important control area of the substation, real-time monitoring a variety of technical indicators parameters, including temperature and humidity, equipment temperature, and fire smoke concentration and other information of monitoring area. The monitoring information is transmitted via the Ethernet to the remote protection room and the information is accessed for monitoring via a Web browser or mobile phone APP. When an exception occurred in the monitoring area, monitoring interface will automatically switch and be locked, and the exceptionmessages will be intelligent sent. Test proved that the data of temperature and other indicators is monitored accurately, abnormal warning function is normal, this has certain constructive significance to promote the substation security intelligence construction.

Web server; substation; remote temperature measurement; intelligent early warning

山東省自然科學(xué)基金（ZR2012EEM021）

邢惠民（1970-），工程師，從事變電一次線路設(shè)計(jì)工作。