基于STM32的變電站輔助監控系統的設計

朱榮俊，宋吉江，蔡富東，邱 蘭

(1.山東理工大學 電氣與電子工程學院, 山東 淄博 255049； 2.山東信通電子股份有限公司, 山東 淄博 255088)

基于STM32的變電站輔助監控系統的設計

朱榮俊1，宋吉江1，蔡富東2，邱 蘭1

(1.山東理工大學 電氣與電子工程學院, 山東 淄博 255049； 2.山東信通電子股份有限公司, 山東 淄博 255088)

以STM32單片機作為主控制芯片，設計了變電站輔助監控系統.實現了對變電站運行環境變量的精確測量與控制、對變電站多路狀態參量的檢測，以及對安防、視頻監控等遠程控制；并通過串口實時與監控中心握手通訊，達到對變電站輔助監控系統全面的信號采集與控制.給出了系統的控制原理、硬件電路原理圖、軟件流程圖、工程應用效果分析.

變電站輔助監控系統；STM32F103；站端采集系統；動力環境采集與控制

從20世紀90年代以來，我國開始發展無人值守變電站，但是智能化水平相對不高，研究最初集中在單系統的控制方面，主要是環境溫、濕度的采集控制.隨著科技的進步，逐漸引入了視頻監控、安防、消防等子系統.然而各個模塊之間相對獨立，數據交互相對較少，每套模塊都有單獨的控制系統，效率較低[1-4].隨著智能電網的推進，越來越多的學者投入到對智能變電站的研究當中，研究多集中在變電站的上位機軟件設計及引入新監控設備的應用方面[5-10]，軟件設計內容及界面比較簡單，監控設備功能相對單一，本文設計的變電站輔助監控系統實現了監控單元與監控主機之間的數據交互，本設計參照山東信通電子股份有限公司以往產品在變電站內的使用情況，去掉了一些用途不明顯的功能，優化了程序算法，降低了硬件成本及系統能耗，提高了數據采集的速度，增強了系統的擴展性，豐富了變電站的檢測內容，進一步推進了變電站向智能化發展的步伐.

1 系統總體設計

一座變電站根據規模大小，可配置數量不同的變電站監控模塊.多個監控模塊通過串口485與串口服務器連接，串口服務器通過RJ45網絡與監控主機進行遠程聯接.

1.1 系統功能設計

系統功能有：(1)對變電站運行環境的溫、濕度的實時采集。(2)對安防、門禁、六氟化硫、消防、浸水等系統24路狀態量的檢測.(3)對變電站運行環境溫、濕度的主動控制，移動視頻的控制，智能燈光照明、警號、警燈、喊話等控制.(4)通過串口485實時與監控中心握手通訊，達到對變電站輔助監控系統全面的信號采集與控制. (5)現場檢測設備有較高的靈敏度、可靠性、抗干擾能力.測溫范圍0～80℃；測溫精度：±0.5℃；測濕范圍0～100% RH；測濕精度：±2.5%RH.，變電站系統結構如圖1所示.

圖 1 變電站系統結構圖

1.2 系統組成及工作原理

1.2.1 系統的組成

智能變電站端信息采集控制系統以意法半導體公司的STM32F103 ARM芯片為核心，采用溫濕度測量、開關量的狀態采集、GPIO的輸出控制及驅動、串口485通訊、輸入輸出光電隔離等技術，以溫濕度傳感器、電纜溝浸水傳感器為測量元件，以室內環境溫濕度、電纜溝浸水為控制目標對風機、空調、水泵、除濕機等設備進行設定目標控制.系統可分為時鐘電路、電源供電電路、模擬量采集電路、開關量采集電路、溫濕度和室內浸水的控制電路、串口485通訊等電路.選用的主要器件有STM32F103VET6控制芯片、溫濕度傳感器、風機、空調、除濕機、水泵、警號、警燈、喊話設備、串口服務器、網絡服務器、遠程監控主機、電子圍欄、門禁、六氟化硫、煙感、紅外雙鑒、紅外對射、移動物體偵測器、消防系統等.

1.2.2 系統工作原理

本系統以STM32F103VET6芯片為控制核心，進行數據狀態量和模擬量的采集、相應控制量的控制；按照設計的串口通訊協議指令進行數據的采集、數據存儲、打包處理、校驗及傳送；實時采集變電站的24路狀態量(報送給上位機進行事件的處理)；采集各個環境室內的溫濕度、浸水等信息，如果產生報警信號，則對風機、空調、除濕機、水泵等進行控制；采集電子圍欄等安防信息，進行智能照明、警號警燈、喊話、智能視頻開啟控制等.在整個系統中，采用uC/OS II操作系統，進行多任務的調度處理，A/D采集數據用DMA進行數據的搬移，整個系統采用C語言編程.

2 系統硬件設計

2.1 時鐘電路

STM32有三種不同的時鐘源，包括HSI振蕩器時鐘、HSE振蕩器時鐘、PLL時鐘，可被用來驅動系統時鐘(SYSCLK)，本設計選用8M外部高速晶振和32.768K低速晶振，用PLL鎖相環來為系統提供時鐘，系統時鐘為16M.

2.2 供電電源設計

STM32F103控制芯片所需的電源為3.3V，選用的芯片為AMS1117-3.3，如圖2所示.A/D采集參考電壓為2.5V，如圖3所示，選用的芯片為MAX6025.

圖2 控制芯片所需的電源

圖 3 A/D采集參考電壓

2.3 A/D采集電路設計

A/D采集電路，AIn7為傳感器信號的輸入端，考慮到傳感器的兼容性及日后應用的通用性，設計了可以采集電流型及電壓型兩種傳感器輸入信號，如圖4所示.

被試是246名來自貴州省貴陽市、銅仁市、黔東南和黔南地區4所高師院校數學與應用數學專業（師范）學生，其中，男生和女生分別占比48.8%和51.2%，漢族學生占比63%，其余為苗族、侗族、土家族等少數民族學生．測試前，被試正值大三下學期期末，已學完有關數學教育教學的理論知識，并接受微格教學訓練，即將進入實習．

圖4 A/D采集電路

2.4 開關量采集電路設計

包括：GIS變壓器柜的六氟化硫泄漏檢測、煙感、火災、消防、電子圍欄、紅外雙鑒、紅外對射、門禁開關信號、空調、風機、除濕機、水泵、手動按鈕、遠程手動開關、預案自動控制開關等狀態量的檢測.開關量的采集電路如圖5所示.狀態量的輸入高電平時有效.

圖5 開關量采集電路

2.5 輸出控制量電路設計

輸出進行光電隔離，當STM32的GPIO輸出為低電平時，ULN2003的輸入信號為高，輸出為低電平時有效，外部的驅動設備接高電平，高電平與設備間有保險絲，低電平處接ULN2003的輸出腳.本次設計的輸出共8路，如圖6為單路的驅動電路示意圖.

圖6 輸出控制量的電路

2.6 串口485通訊電路的設計

用STM32F103的串口1的發送和接收端口分別于與485通訊模塊SP3485的4和1連接，用PA8控制485端口的數據收發。接線圖如圖7所示。

圖7 串口485通訊電路圖

3 系統軟件設計

系統軟件主要分為模擬量的采集模塊，開關量的采集模塊，協議處理模塊，控制量的輸出模塊等四部分，總體的流程圖如圖8所示.

圖8 系統流程圖

3.1 模擬量采集模塊

通過STM32F103的A/D采集溫濕度的值，進行超限值判斷，超限的丟棄，符合要求的留著，進行冒泡法排序，然后進行中值濾波，得到的值先不進行溫度顯示轉換，直接存儲等待發送，監控主機進行數據顯示的處理.如圖9所示.

圖9 模擬量采集流程圖

3.2 開關量采集模塊

開關量采集模塊的任務開始后，始終在判斷狀態變化的標志位，狀態有變化時，讀取GPIO的輸入信號，進行數據存儲并等待監控主機讀取開關量的信息；如果狀態標志位沒有變化，直接存儲數據并等待發送.開關量采集流程圖如圖10所示.

圖10 開關量采集流程圖

3.3 控制任務輸出模塊

接收到監控主機指令后，進行判斷，輸出相應的控制指令.控制任務流程圖如圖11所示.

圖11 控制任務流程圖

變電站端采集模塊也就是監控單元，將采集到的開關量狀態信息和溫濕度等模擬量信息送給監控主機，監控主機進行判斷輸出相應的控制指令.如果判斷到有人入侵或非法進入變電站設定的區域，監控主機將發送指令給監控單元，輸出控制指令，打開警號警燈，并進行智能視頻的開啟，同時監控主機發出報警信號，提示管理員查看，遠程管理員可以通過視頻查看相應的報警信息；如果監控到變電站室內溫濕度升高，超過設定的限值，將發送相應的指令給變電站監控單元，打開相應的風機、空調、除濕機等；如果檢測到電纜溝或室內浸水，監控單元將根據指令，開啟水泵進行抽水，并打開相應的視頻以便管理人員進行查看.

3.4 協議處理任務模塊

為了完成變電站監控模塊與監控主機之間能穩定可靠的通訊，需要對數據進行加工轉換，以十六進制—ASCII的形式進行傳送.它描述了監控主機與監控單元之間通過串行通訊接口進行命令控制和數據交換的格式和內容，適用于對環境監控、串口擴展、電池監控、電纜及配線架等SM監控的現場參數設置、功能測試和數據監測.采用串行通訊接口RS485，通訊方式為半雙工模式，所有動作指令的發起方為監控主機.協議流程圖如圖12所示.

圖12 協議處理的流程圖

協議處理是一級級進行驗證的，如果其中一級出現CRC錯誤，都將丟棄本次指令，等待新的接收指令.直到指令校驗完全通過，監控單元根據指令信息，將采集到的數據進行打包處理，完成后將數據信息發送回監控主機.

4 工程應用

系統應用表明，能夠實現監控主機與監控單元之間的指令交換、數據采集等控制，滿足設計要求.能夠采集24路開關量，8路模擬量，能夠進行8路控制量的電平、脈沖控制；變電站規模較大時，能夠進行采集模塊的擴展.變電站周圍各種狀態量的監控如圖13所示.開關室的溫度曲線如圖14所示，濕度曲線如圖15所示.從一段時間的運行情況來看，設備發出的警報信息較多，遠程管理人員需要手動進行警報信息的查看、處理，工作量較大，下一步將提高產生警報信息的閾值，同時引入警報信息的智能判斷，提高整個系統的運行效率和準確性.

圖13 變電站狀態量檢測圖

圖14 開關室的溫度曲線

圖15 開關室的濕度曲線圖

5 結束語

變電站輔助監控系統克服了現有系統功能相對單一的問題，從硬件和軟件方面整合了各種信息量之間的聯動關系，該控制系統能夠準確采集變電站各種環境信息，實現相關的聯動控制，及時發出警報信息供管理人員查看.實現了變電站輔助監控系統全面的信號采集與控制.

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(編輯：劉寶江)

The design of auxiliary monitoring and control system for substation based on STM32

ZHU Rong-jun1，SONG Ji-jiang1，CAI Fu-dong2，QIU Lan1

(1.School of Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Technology,Zibo 255049, China; 2.Shandong Senter Electronic Company Limited, Zibo 255088, China)

The paper designs the intelligent auxiliary monitoring and control system for the substation by using the STM32 microcontroller as the main chip. It can accurately measure and control the substation operation environment, and can complete multi-channel state parameters detection of the substation, and achieve the security, video monitoring, remote control and so on. It can exchange the data information with the monitoring center by using serial port, to achieve comprehensive signal acquisition and control of substation′s auxiliary monitoring system .The paper gives the system′s control principle, hardware circuit principle diagram, software flow chart and engineering application effect analysis.

substation′s auxiliary monitoring systems; STM32F103; substation′s detection system; dynamic environment acquisition and control

2016-11-24

朱榮俊，男，120380367@qq.com； 通信作者： 宋吉江，男，songniu@sdut.edu.cn

1672-6197(2017)06-0029-05

TM

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