基于智能監控的預警系統技術分析研究

國網重慶市電力公司萬州供電分公司 張 偉 宋昌舉 胡偉楠 劉 偉 王劍飛 項 波 柏福生 蔣新川

社會的進步和科技技術的飛速發展使民眾對日常環境更加注重，對實時基本監測也有更高的要求。本文提出了一種基于STM32的低功耗，高性能的自動基本數據采集系統的設計方案,并詳細說明系統軟件的設計方法，以確保數據的收集、控制和處理，實現了自動基本站數據的實時顯示和LCD液晶顯示功能，這使得能實時收集和監測數據。

1 相關情況

1.1 國內外發展現狀

近年來，國外計算機和電子信息技術在基本數據采集方面日趨成熟，以色列等國家開發研制的基本數據采集系統取得了良好的效果。這些系統的終端通常都裝有太陽能電池，網絡覆蓋范圍也很廣，實現了實時聯網。國內生產的基本監測系統中的基本要素傳感器大多是由我國國內的廠家生產，但由于技術水平的限制，傳感器的可靠性和準確性都不是很好，同時需要觀測的基本信息僅限于溫度、濕度、門禁、水位和降水這六種傳統基本要素，種類不夠豐富。

基本監測系統的監測部位需要納入能見度、太陽輻射、云、土壤和水的溫度、土壤濕度等基本要素，應當從國外進口或者在國內研制相關基本設備。同時這種設備現在能根據開發人員的不同要求確定基本站傳感器的類型和數量，并能進行設計相關的基本監測系統。這種系統在實踐中很容易操作。目前，大多數基本監測系統，通常是使用通用的數據傳輸技術，使用戶能靈活地調整數據的輸出格式，在復雜的自然條件下，基本監測系統只能在具有一定的防護條件下使用。該設備操作簡單、維護方便，能適應各種不利的自然條件。

1.2 現有變壓器監測的痛點

大部分無法實時快速監測：以往傳統的監測都是人工按月份、季度、年度等巡檢的辦法來進行對設備進行維護，無法對變壓器的溫度等運行狀態進行實時監測；人工成本高：需要安排特定的人員隊伍對設備進行按時巡檢，人員工資、車輛費用、差旅費用等都需要開支不小的費用；排查難度高：無法對具體哪個位置的變壓器問題進行精準定位；不能提前發現故障：由于無法實時對變壓器運行參數進行監測，也就無法提前判斷變壓器存在的潛在問題。

1.3 產品主要技術指標

供電電源7.5～40V、DC300mA；變壓器測試指標：工作電流測試。測試范圍2A～500A、分辨率0.5A、顯示范圍0～800A、精度±2%；工作電壓測試。測試范圍100V～225kV、分辨率100V、顯示范圍100～360kV、精度±2%。接地電阻測試指標：測量誤差方法為全波整流、測量范圍0～20Ω、顯示范圍0～20Ω分辨率0.1Ω頻率范圍。交流/直流45～400Hz正弦波、精度。±讀數的5%、測量序列。約4次測量/秒、內阻約1.5MΩ。測試溫度：貼片測試-50～120℃。

1.4 智能監測預警運用背景

隨著電力系統的發展，電網的容量、電壓等級不斷提高，變壓器作為供電系統中最重要的電氣設備，其安全運行與否直接關系到電力系統能否連續穩定地工作。特別是在設備長期運行過程中,會因制造、運輸、安裝不良、過載及老化引起接觸電阻過大而發熱，且大型變壓器結構復雜、造價昂貴，如果這些發熱部位的溫度無法監測、得不到及時檢修，一旦發生嚴重故障而損壞將給維修工作帶來很大困難，造成經濟上的重大損失。

近年來，在發電廠和變電站已發生過多起變壓器過熱、造成火災和大面積的停電事故，且影響極大。由于電力變壓器是電力系統中的重要設備，它在整個電力系統中起著能量和電壓轉換的作用，其安全運行關系到整個電力系統能否連續穩定的工作。鑒于電力變壓器在系統中的重要性，電力變壓器的保護一直受到世人的重視和關注。為避免此類事故的發生，基于互聯網技術的變壓器在線監測預警系統應運而生，該系統可實時監測變壓器的電流、電壓、溫度、接地電阻等信息，在數據出現異常波動時系統自動發出報警，提醒維護或安全監管人員即時處置，將故障消滅在萌芽狀態，避免事故發生。

2 智能監測預警系統

2.1 智能監測預警系統的功能

地圖導航。綜合電子地圖顯示變壓器的分布情況并匯總變壓器數量，通過點擊圖標可跳至變壓器的詳細信息；實時數據監測。可查看某現場變壓器的電流、電壓、溫度、接地電阻等實時數據，并可以實時曲線的方式表現出來；事件報警。本系統可遠程監測變壓器的電流、電壓、溫度、接地電阻等數據，并針對各數據設置報警閾值，如超標可自動平臺推送報警提示并觸發聲光報警，同時把報警時間同步推送到管理人員的手機上，提醒管理人員及時處理；歷史數據查詢。系統包含豐富的歷史數據查看與管理功能，可隨時調取查看變壓器運行歷史數據，可根據時間、設備名稱、安裝地點等參數，快速查詢對應的歷史數據信息，并支持導出與打印以便存檔[1]。

2.2 智能監測預警系統的組成

電流采集模塊。采用的芯片有一個電流輸出端，可用一個電阻來簡單的實現以大地為參考點的電流轉換，并可工作在較寬的電壓范圍內。擁有完美的高端電流監測功能，內部含有精密的內部監測電阻，在工作范圍內精度誤差不超過±2%。

電壓信號處理模塊。采用的芯片進行對電壓的采集與A/D轉換，芯片是經過激光修正的單片精密真有效值AC/DC轉換器。其主要特點是準確度高、靈敏性好（滿量程為200mVRMS）、測量速率快、頻率特性好（工作頻率范圍可達0～460kHz）、輸入阻抗高、輸出阻抗低、電源范圍寬且功耗低最大的電源工作電流為200μA，用它來測量正弦波電壓的綜合誤差不超過±3%。在測量電壓時，由于變壓器的電壓量值較大，需先通過電壓互感器將交流高電壓降低為交流低壓，以便于所設計的電壓監測控制模塊的安全與有效處理。

溫度采集模塊。芯片采用冷端溫度補償、熱電偶數字轉換器可進行冷端溫度補償，并將K型熱電偶信號轉換成數字信號。數據輸出為12位分辨率、SPI兼容、只讀格式。轉換器溫度分辨率為0.25℃，可讀取溫度達+1024℃，熱電偶在0℃至+700℃。DHT11的PCB封裝圖如圖1；接地電阻狀態采集模塊。根據三點測試原理，利用恒電流做激勵，激勵源采用將2.5～10mA自適應恒流交流方波，采集點采用3級濾波，干擾源補充，300～1500Hz變頻等濾波。通過計算機RE軟件控制技術，抑制地網電壓雜波，使其測量準確。

圖1 溫濕度傳感器PCB圖

警報安全模塊。當電力變壓器的溫度、電流、電壓及接地電阻超出額定值時，系統警報系統將會亮燈、鳴笛給與警示；數據的傳輸系統。采用GPRS無線傳輸設備，它是一款內嵌GSM/GPRS核心單元的無線Modem，采用GSM/GPRS網絡為傳輸媒介，它利用GSM移動通信網絡的短信息和GPRS業務為用戶搭建了一個超遠距離的數據傳輸平臺，具有完備的電源管理系統、標準的串行數據接口。外觀小巧，軟件接口簡單易用，實時數據傳輸[2]。

3 測試與分析

在本系統硬件線路和軟件全部開發完成后，該系統將進行測試。首先將電腦連接串口的加載器，連接單片機的JTAG口并將STM32單片機上電。然后打開總程序并選擇相應的調試工具，使用STLINK調試。在連接完畢后查看是否找到單片機，如成功找到就將程序編譯調試一遍后下載入單片機。

圖2 硬件設計圖

在調試過程中偶爾會遇到加載失敗的情況，這時一般通過對單片機的斷電再上電復位就能下載成功。調試器啟動后，串口設定相應的通訊格式并輸出數據。溫度、濕度、水位、門禁和噪音強度在1秒的時間間隔能實時顯示。這里1秒周期是人為設定的，可根據實際情況改變其采集頻率。在經過串口調試正常后再將串口通信得到的數據通過LCD12864液晶顯示屏打印出來顯示。由于液晶顯示器的管腳較多且各個功能較繁瑣，所以將顯示器的所有管腳統一接在GPIOB口上，而水位和門禁傳感器由于采用ADC采集，所以接在GPIOA上，而溫濕度傳感器和光照傳感器就接在GPIOC上。其中需要注意傳感器的VCC與GND不能接反，不然傳感器會燒壞。

該系統以STM32的最小系統為基礎，能實時監測基本要素，充分利用單片機的功能，高速I/O和存儲容量，通過詳細研究傳感器的原則和電氣特性，對于基本數據收集系統沒有任何連接方面的問題，且測量參數能保持高度穩定性，各通道的采樣性能和基本要素的測量性能能滿足基本數據實時監測的需要。同時該基本數據采集系統應當能滿足以下要求：能實時測量出溫度、濕度、噪音強度、門禁、水位等基本要素；能在LCD液晶屏上實現本地顯示采集到的數據；能實現通過串口通信輸出數據并能發送給上位機。基本數據硬件采集系統主要包括STM32控制系統、傳感器數據采集模塊及LCD顯示屏的本地顯示。該系統通過傳感器壓信號產生的變化來向單片機傳遞基本數據的變化，并由串口通信發送給電腦， LCD液晶顯示屏完成顯示[3]。