基于物聯網的500 kV地下變電站溫濕度檢測系統研究

蘇建國，唐家萍，李 迅，李夢群

(國網上海市電力公司檢修公司，上海 200063)

500 kV全地下變電站電壓等級高、設備多且全部靠電纜連接，環境中溫濕度的影響對電纜的穩定運行起著關鍵作用，溫度過高或濕度過高都是引起設備短路接地故障的因素。全地下變電站地下最深約31.5 m，并且常年不見陽光，濕度很高，需運維人員定期檢查現場溫濕度表計，但無法觀測到一天中溫濕度的峰值。

如何準確、高效、智能地檢測設備室內的溫濕度是本文研究的重點。物聯網技術作為連接用戶和終端傳感器的平臺，提供數據采集、實時監控、連接互動等功能，本文采用基于STM32的端到端物聯網技術平臺，實現變電站內溫濕度實時監測功能[1]。

1 溫濕度監測網絡結構設計

整個網絡結構根據數據傳輸分為前半程和后半程，由物聯網平臺作為分割點。

在前半程，主要采用基于STM32的節點設備、WIFI環境、數據傳輸協議、共有云物聯網平臺，實現數據采集并傳輸到云端。

在后半程，物聯網將數據傳輸給站內應用服務器，實現數據的處理和使用。

1.1 系統功能模塊

1.1.1 設備節點傳感器

在500 kV全地下變電站中，超高壓、大電流的強電場環境存在各種干擾源，電磁環境極為復雜，測量終端很容易受到高頻噪聲、強電磁輻射、諧波干擾等影響，導致裝置可靠性降低。全地下變電站存在設備多、樓層高度高、樓層間隔厚等特點，對通信信道形成了阻擋。

節點傳感器的選擇主要為MCU(微控制單元)的選擇，在傳統嵌入式領域中，STM32得到廣泛運用。

為了克服電磁干擾對電路的影響，運用STM32L4R5ZI主控板以獲取本地傳感器信息，板載32.768 kHz晶振，為傳感器在共振狀態下的工作提供穩定、精確的單頻振蕩，產生高度穩定的信號以抵抗站內設備的電磁干擾。同時，板載144引腳、2 M片上Flash、640 K RAM、120 MHz主頻，達到穩定、低功耗、高性能等特點。

為實現數據采集功能，需要在主板外添加擴展板，運用STM32對應的IKS01A2多環境傳感器擴展板，通過虛擬引腳配置選用其中溫濕度傳感器功能。在網絡連接功能中，運用搭載WIFI模塊和天線的EXT-AT3080擴展板。

整套設備由3個板子通過Arduino Uno接口插頭連接，通過主板的USB接口供電，選用STM32CubeMX軟件對主板進行引腳分配、時鐘配置和代碼生成，選用IAR EW軟件作為STM32開發環境，實現編輯、編譯、下載、調試功能。

在引腳配置過程中，STM32L4R5ZI主板通過I2C引腳與外部傳感器進行通信，來讀取傳感器中的溫濕度值，通過兩個串口與WIFI擴展板和STLINK連接，通過GPIO口與兩個LED燈和主板的黑色按鈕連接。

STM32 MCU引腳配置列表和對應功能如表1所示。

表1 STM32 MCU引腳配置列表和對應功能

1.1.2 物聯網云平臺

物聯網體系大致分為應用層、平臺層、網絡層和感知層。其中，應用層多為智能家居、環境監測、Web端應用等；網絡層為藍牙、4G/5G、WIFI等；感應層為設備終端傳感器、芯片、通信模組等；在平臺層，選用阿里云物聯網平臺，搭建完整物聯網體系。該云平臺由Lot Hab、設備管理、規則引擎、安全認證組成。功能分為設備接入、設備通信、設備管理、安全能力、規則引擎解析轉發數據等。

在設備連接阿里云物聯網平臺前，需在平臺上創建一個虛擬設備，創建成功后會產生一個三元組信息，分別為ProductKey、DeviceName、DeviceSecret，使傳感器和平臺創建的設備窗口匹配連接，同時也保證設備數據的安全。通過Paho MQTT協議將設備傳感器和云平臺連接，實現發布和訂閱功能。

1.1.3 Web端頁面

將數據從物聯網云端傳輸到瀏覽器的過程中，需搭建用戶服務器平臺與云端通信，來完成數據的讀取和控制命令的下發，及人機交互的過程。用戶服務器包括前端服務器和后端服務器兩個部分，前端負責完成和運維人員的人機交互這一部分功能，后端負責和云平臺通信、維護數據庫、并為前端服務器提供數據[2]。

在頁面開發設計中，使用Noed.js作為JavaScript運行環境，Yarn軟件作為包管理工具，Umi項目模板作為前端開發框架。設計時將頁面分為導航欄、內容區、底欄這三塊，并將網頁功能分為多個組件，包括報警狀態、溫度狀態、濕度狀態、在線狀態這四種狀態，以及曲線圖組件、報警表格組件，主要編輯的文件內拆解UI組件。

在頁面中需要確定各子組件布局及位置，各組件中需嵌套設備數據的相應變化。

1.2 系統邏輯

在系統數據前半程路徑中，傳感器通過編譯程序并燒錄至其中以實現數據采集功能，采用Paho.MQTT直聯方式連接云平臺，并將數據上傳至云端。在系統數據后半程路徑中，將云端的數據通過HTTP協議傳至站內應用的服務器，并接受值班人員的指令下發到終端設備[3]。

需要實現主要程序邏輯具體如下。

(1)傳感器每5 s上報一次當前溫濕度值至云平臺，并閃爍一次綠燈；

(2)溫濕度值被物聯網云平臺轉發到站內服務器，并存儲到用戶服務器的本地數據庫MySQL 中，同時在Web端顯示溫濕度值、隨時間變化的數據曲線；

(3)當溫濕度超過設定的上限閾值則傳感器亮紅燈，并每10 s向云平臺上報溫濕度超限的報警信息。該報警信息被云平臺接收后發送到站內服務器上；

(4)運維人員從Web端接到報警信息后可從Web端控制臺發出解除報警，表示已知道該報警信號；

(5)收到解除報警信號后，紅燈從常亮狀態變成閃爍狀態，直到溫濕度值恢復到閾值以下，紅燈熄滅；

(6)若上報溫濕度超限告警信息后，10 s內未解除報警信號，將重復上報，直到溫濕度恢復到閾值以下；

(7)運維人員在設備傳感器的現場處可以根據紅燈和綠燈知道設備當前的狀態，在Web端頁面處可以看到近期溫濕度數值曲線、告警燈狀態、當前溫濕度數值、歷史報警狀態信息等，也可以從控制臺發出解除報警和設置閾值的操作給設備傳感器。

2 傳輸協議和代碼測試

設備傳感器通電源后連接PC端，使用Tera Term軟件對串口進行調試，摁下設備黑色復位按鈕進行調試。根據指令，5 s內摁下藍色按鈕開始連接WIFI，輸入用戶名和密碼并保存在Flash中固定位置。完成WIFI連接后開始連接云端，輸入在云平臺創建虛擬設備時產生的三元組信息進行適配，并將信息保存在Flash中。

云平臺連接成功后，傳感器向云平臺發送訂閱兩個主題的請求，即溫度報警門限值設置和清除報警。同時傳感器每5 s上報一次溫濕度值。

連接成功后，在阿里云平臺可看到設備成功上線，平臺接到傳感器發送的消息后，通過HTTP協議將數據轉發到用戶的應用服務器上，后端應用把數據寫入到數據庫中，前端Web頁面可看到設備上線狀態、當前溫濕度值，并可下發溫濕度閾值等命令，完成系統流程。

3 結語

本文主要研究的是基于STM32和阿里云IOT云平臺搭建的適用于500 kV地下變電站物聯網溫濕度在線監測系統。

該系統的目的是降低運維生產工作中人力的低產能消耗，減少人為檢查現場溫濕度表計的次數，提升工作效率。實現運維人員在控制室內掌握地下空間的溫濕度，該物聯網技術還可運用在多項變電運維生產工作中，例如火災報警、輔控系統、防外破和反外損等方面，依靠云平臺的使用提升站內設備高科技、高效能、高安全，進一步加強站內設備穩定運行水平[4-5]。