智能變電站通信電源遠程監控系統設計

摘要：通信電源是智能變電站重要組成部分，需要對通信電源相關內容進行深入研究。本研究以智能變電站通信電源遠程監控系統作為研究對象，從MUC角度進行硬件設計，從構架、邏輯兩個角度進行軟件設計，從測試內容、結果分析兩個角度進行系統測試，獲得時延極值為0.52s與監控精度保持在99.8%兩個測試結果。本研究可為智能變電站提供技術指導，提升通信電源監控質量，保障電力資源的穩定供應，為地區經濟健康發展貢獻力量。

關鍵詞：智能變電站；通信電源；遠程監控；系統設計

DOI：10.12433/zgkjtz.20233433

通信電源運行是否穩定與智能變電站電力資源輸出狀態有直接關系，是電力系統未來發展主要研究課題。利用遠程監控系統，對通信電源做全方位、無死角的全天候監控，可以及時發現通信電源運行問題，通過適當方法進行維修養護，可以有效提升通信電源的運行質量，維持智能變電站電力資源平穩輸出。本文參考相關文獻，從硬件、軟件兩個角度系統性研究智能變電站通信電源遠程監控系統，并提供相應的系統測試結果，希望可以引起更多智能變電站的關注。

一、智能變電站通信電源遠程監控系統軟件設計

監控設備是智能變電站通信電源遠程監控系統的基礎內容，MCU（Microcontroller Unit，微控制單元）會直接影響監控設備的運行效果，負責通信電源信號的實時采集、采集數據傳輸穩定性等工作。在充分分析智能變電站工作環境后，參考市場的常見中央處理器類似，本文選擇使用 MAP320G112單片機，其可以完成數據的瞬時處理，擁有穩定的運行條件，并對與之相關聯的硬件做必要懲罰。為滿足IO輸入端口與其他硬件裝置需求，前者數量偏多，如果發生嚴重的端口漏電情況，會增加MAP320G112單片機的運行消耗。為此，本文將IO輸入端口的最大漏電流閾值設定為50nA。又因為通信電源的采集數據具有較高的監控難度，不容易有效捕捉采集數據的細微變化，所以在MAP320G112單片機的基礎上，增設采樣處理功能模塊，可以對采集的電壓信號信息、電流信號信息做相應的放大、轉換，有效捕捉細微的數據變化。除此之外，還需要一些其他硬件設施，例如，搭載128×64點陣液晶模塊，尺寸78mm×70mm的顯示器；擁有8路ADC（Analogue to Digital Converter，模擬數字轉換器），且具有SPI接口的電能計量裝置；額定輸入電壓為48V的DC－DC，電流傳感器、電壓傳感器、電平轉換器等。

在智能變電站通信電源遠程監控系統，其他硬件設施與MUC在功能上為并列關系，使用頻率較高的硬件設施包括：第一，TTC2230型號的GPRS。對接收的指令做自主解碼，降低指令分析與應用的時間成本。第二，ZD－LM2240型號的電壓調整裝置。根據系統使用需求，對于三段電壓做同步調整，減少電壓波動對系統運行造成的負面影響。第三，電平轉化器。輸入電壓限制為寬壓，但經過電平轉化器的消解處理后，可以將輸出電壓控制在5V左右。第四，電壓傳感器。額定輸入電壓為220V，經過消解處理后，可以將輸出電壓控制在12V左右。如果處于待機狀態，電壓傳感器的功耗僅有0.15W。第五，電流傳感器。采集精度可達0.1級，攜帶10～30Ω的可調節負載電阻。對于電壓傳感器與電流傳感器，可以在－25～70℃的工作條件下穩定運行。由于本文選擇的智能變電站通信電源遠程監控系統的硬件設施綜合配置較高，可以有效提升整個系統的運行穩定性。

二、智能變電站通信電源遠程監控系統硬件設計

（一）構架設計

在確認硬件設施設計后，為有效降低智能變電站通信電源遠程監控系統的運行時間成本，為軟件系統后續調試、設計提供便利條件，本文采用模塊化設計，將整個軟件系統細化為六個子模塊，具體如下：

1.初始化模塊

初始化模塊負責對系統硬件設備端口、軟件系統環境做初始化設置。對于硬件設備端口初始化，涉及輸出端口狀態參數、芯片寄存器信息等內容的初始化操作。對于軟件系統初始化，涉及監控系統工作狀態、存儲數據信息的初始化操作。在實際應用中，可以根據系統的實際需求選擇需要做初始化處理的對象。以初始化數據為例，可以對報警數據、通訊數據等做定向的初始化處理。同時，初始化模塊具有獨立存在特性，并不和其他子模塊產生任何的交互關系，建議先設計系統硬件框架結構，再設計初始化模塊，確認初始化模塊的功能后，再對其他功能模塊展開設計作業。

2.數據管理模塊

通信電源運行過程中產生的數據，將由數據管理模塊做統計、存儲等處理，轉發系統生成的指令或非指令信息。需要注意的是，該模塊處理的數據是提前進行放大的波形數據。如果需要保存，要將波形數據轉化為數字的形式。該模塊還負責統計大于預設報警閾值的數據，整理為一個數據包，儲存到數據庫中，便于后續調用。在系統轉發指令時，如果該模塊對數據做存儲處理，則轉發形式為非指令性轉發。如果該模塊在系統交互過程中，獲取目標信息，則轉發形式為指令性轉發。如果智能變電站建設規模較大，系統記錄數據信息較多，數據管理模塊自身攜帶的存儲空間可能無法有效記錄數據信息，可以考慮建設云端儲存系統，將其和系統的數據管理模塊進行對接，既可以降低數據管理模塊的運行壓力，也可以有效降低吸收的運行負荷，真正實現資源高效利用。

3.控制模塊

控制模塊是整個系統關聯眾多子模塊的重要模塊，負責處理任務管理、資源調度等內容。如果控制模塊出現工作異常，造成整個系統無法正常運行，可以通過強制關機的方式，啟動初始化模塊，清除控制系統的內部數據，再啟動系統，確認通過對其他模塊進行控制反饋情況，分析控制模塊具體問題，再開展相應的維修工作。

4.通信模塊

通信模塊是智能變電站通信電源遠程監控系統實現遠程監控功能的基礎模塊，會將軟件系統監控捕捉到的信息發送至訪問請求端。而操作人員的用戶端指令，也要通過通信模塊發送至系統上，完成對智能變電站某個位置、某片區域的精準化監控。因為通信模塊使用頻率相對較高，相比于其他功能模塊更容易出現故障，所以在設計通信模塊時，要在系統稍外側位置設置通信模塊安裝位置，在不影響其他功能模塊正常運行的基礎上，可以更換通信模塊部件，進而提升整個系統的維修養護效率。

5.人機交互模塊

人機交互模塊為系統與操作人員提供直接對話的便利條件。操作人員根據使用需求，對系統的各項數據進行調用，調整電流、電壓等指標的報警閾值，保障系統穩定運行。如果智能變電站考慮引入大數據技術，也可以將大數據技術與人機交互模塊進行結合。通過大數據分析系統當前運行情況、可能出現的安全故障，并提供若干解決對策，工作人員可以實現一鍵控制系統，精準控制各個功能模塊，以此提升整個系統的智能水平，降低工作人員的操作門檻。

6.維護模塊

維護模塊負責對整個系統進行自我檢查、功能診斷，并對電流、電壓等參數做相應復位處理，確保系統擁有穩定的工作狀態。建議維護模塊要定期更新優化，準確分析維護模塊記錄的數據，確保系統運行故障可以在隱患階段得到有效解決，避免影響系統的正常使用?？梢钥紤]使用通用模塊為模板，設計系統的維護模塊，為維護模塊的功能提供安全保障。

（二）邏輯設計

為確保軟件系統的初始化模塊穩定運行，其他五個子模塊保持緊密關聯，需要對軟件系統的內部邏輯開展必要的設計。在智能變電站通信電源遠程監控系統采集一次監控數據后，由通信模塊將超過設定報警閾值的數據，發送到智能變電站的控制中心，并開展下個周期通信電源監控活動。利用這種重復性監控行為，即可對智能變電站的通信電源做7d×24h的實時化監控。

三、智能變電站通信電源遠程監控系統實驗測試

為對本文設計的智能變電站通信電源遠程監控系統做更精準的測試，參考智能變電站通信電源工作環境，在實驗室搭建相應的測試環境，做系統安裝、白盒、黑盒三種試驗。

（一）測試內容

對于系統安裝測試，主要分析本文設計的系統是否在不同工作環境下，是否可以達到預期運行效果。我國不同地區的智能變電站，會受到環境、硬件設施、軟件系統等諸多因素的疊加影響，通信電源遠程監控系統會產生較大的運行差異。要想確保系統擁有一定的普適性，需要開展必要的安裝測試。本文設計的系統安全測試，測試重心為內存不足、權限缺失、界面顯示。在完成系統安裝作業后，要測試各項功能是否可以正常使用。為此，將以Windows8、Windows10、SUSELinux三種安裝環境作為測試用例，開展系統的安裝測試：白盒測試是測試系統運行情況是否穩定，從而判斷系統程序邏輯是否合理。如果系統的程序邏輯存在不合理內容，系統會表現出較長的延時問題；如果出現嚴重的程序邏輯錯誤，會引發系統運行bug（程序錯誤），造成系統死機。在通信電源遠程監控系統正式加載到智能變電站前，要開展相應的白盒測試。黑盒測試是測試整個系統的運行效果，通過電源電流、電壓的誤差以及數據監控精度等內容，判斷系統運行是否符合預期設計目標，并不涉及系統程序邏輯的測試內容。

（二）結果分析

對于系統的安裝測試，三種安裝環境均有完整的界面顯示以及創建目錄權限，在測試過程中，沒有發生內存不足問題，可以證明本文設計的智能變電站通信電源遠程監控系統均通過安裝測試環節，適用于Windows8、Windows10、SUSELinux等安裝環境，具有一定的普適性，可以應用在大多數智能變電站中。白盒測試數據如表1所示。

通過分析表1數據，可以發現目標時延≥0.6s時，系統的最大時延并沒有超過目標時延。如果目標時延≤0.5s，系統的最大時延會超過目標時延。出現這種情況，是本文設計的系統硬件結構實際運行速率極值，和目標時延≤0.5s標準差別較大。對于0.5s的目標時延與0.3s的目標時延，系統的最大時延均為0.52s，可以認為，本文設計的智能變電站通信電源遠程監控系統時延極值為0.52s。在白盒測試中，盡管系統出現最大時延超過目標時延的情況，但在測試過程中，并沒有出現一次死機情況，可以證明系統的程序邏輯沒有bug，可以在智能變電站運行環境下正常使用。黑盒測試數據如表2所示。

通過分析表2數據可以發現，本研究設計系統數據監控精度均超過99.8%。盡管在多次測試中，存在一定程度的電源電流誤差與電源電壓誤差，相比于智能變電站通信電源的實際運行數據，可以忽略。出現電源電流誤差與電源電壓誤差是系統的波形信號放大處理過程中發生的信息模糊現象，導致電流、電壓部分信息在提取、轉化期間生成細微的信息差異。不過，對于整個智能變電站通信電源遠程監控系統運行，不會產生過大的負面影響。

四、結語

綜上所述，在對智能變電站的通信電源設計遠程監控系統時，要詳細分析智能變電站運行情況，明確通信電源監控需求。本研究設計了一套內容完善、結構完整的遠程監控系統。在系統設計與應用中，要根據智能變電站現有的硬件設施與軟件條件，適當優化遠程監控系統，以提升監控精度、降低時延極值作為優化方向，保證智能變電站安全運行。

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作者簡介：單聯鵬（1987），山東省高密市人，本科，主要研究方向為變電站運維檢修。