基于云平臺的配電網基礎設備環境監控系統

譚 睿，石壘壘，馮月芹，吳 楠

（南京工程學院，江蘇 南京 211800）

0 引 言

隨著城市的經濟發展，10 kV電纜線路在城市配網中的應用越來越廣泛，環網柜和開閉所也隨之廣泛地應用到配電網電纜線路中，其智能化水平是配電網絡自動化的基礎，是我國智能電網建設的重要一環[1]。這些基礎裝備的安全運行對我國電網具有重要意義，因此實時監控環網柜和開閉所的工作環境和狀態，對于配電網實時運行狀態非常重要[2]。目前的環網柜數據采集單元大多只關注電壓、電流以及功率等電量數據的通信傳輸，缺少對工作環境和自身狀態的監測，而且配電網自動化系統中也沒有對環網柜和開閉所等終端設備的環境與狀態信息整理管理機制。隨著傳感器與檢測技術、通信與網絡技術的發展，特別是互聯網+的發展，為開發構建一套具有整體信息化思想的電力基礎裝備環境監控系統提供了技術支撐[3]。同時云平臺的發展，也推動了配電設備的智能化進程，它能夠快速綜合地處理大量的環境信息和狀態信息，使工作人員可以更加方便獲取設備的各種狀態信息數據，并進行評估分析，有效規避各種安全事故。此外可以更加高效地制定工作計劃和檢修計劃，減少不必要的人力物力浪費，從而提高電力企業的勞動效率，節約設備的運行維護成本。因此提出并設計了一種基于云平臺的配電網基礎設備環境監控系統（以下簡稱“監控系統”）設計方案，該系統能夠實時監控環網柜的環境。

1 總體設計

系統總體結構如圖1所示。本系統以STM32單片機為控制核心，設計一個環境監控系統，其組成主要包括STM32單片機模塊、SHT30溫濕度傳感器模塊、冷凝片、以太網模塊以及數碼管顯示模塊。

圖1 系統總體結構圖

數據采集與控制單元采用STM32F407微處理器，芯片內部有以太網控制器，適合做以太網的開發應用。終端及控制部分的主要工作包括以下4點，一是通過SHT30溫濕度傳感器采集數據，二是根據設定的閾值及采集來的數據控制風扇和冷凝片工作和停止，三是將采集到的溫濕度數據顯示在數碼管上，四是通過以太網向服務器傳輸采集的溫濕度數據和本機的一些狀態等[4]。

通過SHT30溫濕度傳感器模塊測量溫濕度并顯示在數碼管上，并先設定一定濕度值作為冷凝片啟動的閾值，根據季節變化按鍵可以改變冷凝片啟動的閾值，通過GPRS模塊傳送給手機和以太網模塊最后傳送給服務器，實現遠程實時數據查詢和歷史故障記錄，也可以在服務器上修改終端溫濕度的閾值，此外還可以遠程控制冷凝片和風扇以實現手動環境除濕操作。

2 終端數據采集硬件電路設計

2.1 溫濕度數據采集

SHT30數字溫濕度傳感器是Sensirion盛世瑞恩公司生產的，具有成本低、電壓寬（2.4～5.5 V）、功耗低、精度高以及尺寸小等特點，采用IIC總線與CPU通信，最高支持1 000 kb/s的傳輸速率，通信時間較短。此外提供了一些新功能，如增強信號處理等。封裝采用DFN，占位面積小，有利于集成到多種應用。

SHT30采用DFN 8腳封裝，其中SDA為串行數據輸入輸出引腳，ADDR為地址輸入引腳，ALERT為報警輸出引腳，SCL為串行輸入輸出時鐘引腳，VDD為電源電壓輸入引腳，RST為復位引腳，R沒定義，使用時連接地，VSS為電源引腳。引腳SDA和SCL分別連接CPU的IO引腳即可，但由于SDA和SCL內部是開漏，所以要接上拉電阻。復位引腳和報警引腳沒使用可以懸空，地址輸入引腳ADDR接地，芯片的地址為0x44，該引腳不能懸空[5]。硬件連接如圖2所示。

圖2 SHT30與CPU的硬件連接

2.2 數碼管顯示電路設計

數碼管MAX7219中，DIN為串行數據輸入端引腳，DOUT為串行數據輸出端引腳，用于級連擴展，LOAD為裝載數據輸入引腳，CLK為串行時鐘輸入引腳DIG0～DIG7為8位LED位選線，從共陰極LED中吸入電流，SEG A～SEG G為7段驅動引腳，SEG DP為小數點驅動引腳，ISET引腳通過一個10 k電阻和VCC相連，設置段電流[6]。MAX7219與LED屏硬件連接如圖3所示。

圖3 MAX7219與LED屏硬件連接圖

3 監控系統軟件設計

該測試系統的軟件分為數據采集和通信兩部分，利用Keil進行編程。Keil的開發平臺運用C語言編程生成的目標代碼效率非常高，很多語句通過編譯環境生成的匯編代碼邏輯嚴密并且結構簡單，容易理解，并且與匯編相比，C語言在很多方面有明顯優勢，如具有可移植性，能夠結構化編程，可讀性高，可以在不同微機平臺上移植，因此易學易用。為了日后的更新、維護與拓展，在設計過程中采用模塊化的思想。而上位機服務器模塊采用C++語言編寫。C++是C語言的擴充，它既可以進行C語言的過程化程序設計，又可以進行以抽象數據類型為特點的基于對象的程序設計和以繼承和多態為特點的面向對象的程序設計[8,9]。環境采集模塊和通信模塊以RS485通信方式相連接，目的是減小大電壓情況下對數據的干擾，而通信板與上位機連接用WiFi模塊，可以傳遞多路信息。系統軟件設計的結構圖如圖4所示。

圖4 系統軟件設計結構圖

在軟件設計中，數據采集模塊主要用來實現對測試數據的采集，通信模塊通過以太網模塊定時的向上位機傳遞數據，面板顯示模塊由數碼管顯示和按鈕調節閾值。上位機界面由高級編程語言C++來設計，可以讓數據通過以太網實時傳輸讓使用者看到并且儲存，供使用者查詢，并且可以在上位機界面修改面板的閾值，檢查硬件，如溫濕度傳感器和風扇等的運行狀況[10]。軟件設計流程圖如圖5所示。

圖5 軟件設計的流程圖

4 實驗應用

該監控系統用于配電網基礎設施的環境監控。在進行測試時，首先運行該上位機軟件，初始化相關模塊后，完成上位機與目標面板通信等相關設置，然后通過點擊主程序界面的相應模塊測試按鈕，等待相應數據的傳輸。當面板通上電后，SHT30將數據測量的得出給與數碼管顯示，并且通過以太網方式將數據傳至上位機或者使用者的手機。程序面板的部分界面如圖6所示，通過實際應用發現，該監控系統監控數據傳輸結果準確且穩定可靠。

圖6 測試界面圖

5 結 論

該測試系統采用具有高速數據采集優勢的SHT30傳感器為硬件基礎，風扇和冷凝片等可以解決當網柜過濕的情況并且保證數據傳遞準時。軟件設計采用模塊化設計思想，提高了系統的可靠性和可維護性。該測試系統已用于南京工程學院多個網柜進行測試，實際應用表明該監控系統具有溫濕度信息準確和通信數據穩定可靠等特點，達到了設計要求。