基于物聯(lián)網(wǎng)的屏柜監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汪小武 唐 濤

（安徽大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，合肥 230601）

隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，變電站的自動(dòng)化水平也越來越高。利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)，人類已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)變電站的自動(dòng)監(jiān)視、測(cè)量、控制等功能。因此，由設(shè)備故障原因引起的變電站電力系統(tǒng)事故越來越少，而由人為誤操作引發(fā)的事故比例則有逐年上升的趨勢(shì)。如何提高安全管理水平已成為電力部門長(zhǎng)期研究的課題。

為加強(qiáng)電力系統(tǒng)的安全保障，提高電力部門管理的自動(dòng)化和規(guī)范化，本項(xiàng)目以嵌入式平臺(tái)為基礎(chǔ)，研制了基于物聯(lián)網(wǎng)的屏柜監(jiān)護(hù)系統(tǒng)[1]。通過智能控制終端，實(shí)現(xiàn)了對(duì)屏柜開閉情況的遠(yuǎn)程監(jiān)控和自動(dòng)化管理。該系統(tǒng)有助于減少由人為誤操作引起的電網(wǎng)事故、保障操作人員的人身安全，從而確保了電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行和安全管理。

1 屏柜監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)和功能

屏柜監(jiān)護(hù)系統(tǒng)[2]在變電站內(nèi)的每一個(gè)電控柜門上都安裝了智能控制終端和受控電磁鎖，并且將智能控制終端通過網(wǎng)絡(luò)（WiFi 或有線網(wǎng)絡(luò)）與管理機(jī)相連。智能控制終端通過信號(hào)采集裝置采集各電控柜門的開閉狀態(tài)并上報(bào)管理機(jī)。另一方面，智能控制終端可根據(jù)管理機(jī)下達(dá)的命令實(shí)時(shí)打開或關(guān)閉電控柜門鎖。當(dāng)狀態(tài)信號(hào)與管理機(jī)下達(dá)的命令不一致時(shí)，系統(tǒng)可進(jìn)行聲光報(bào)警，并產(chǎn)生報(bào)表通過網(wǎng)絡(luò)上傳至管理機(jī)。管理機(jī)下達(dá)打開或關(guān)閉柜門鎖命令，監(jiān)測(cè)各柜門的開閉狀態(tài)并作記錄，同時(shí)記錄下柜門在一年內(nèi)的故障和開閉狀態(tài)。該系統(tǒng)還具有自檢測(cè)、自恢復(fù)功能[3]。一旦系統(tǒng)故障無法自恢復(fù)，操作人員可通過人工方式來打開柜門。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的屏柜監(jiān)護(hù)系統(tǒng)由若干個(gè)子系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中，時(shí)鐘同步子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)智能控制終端的時(shí)鐘與管理機(jī)的時(shí)鐘同步功能，以保障系統(tǒng)監(jiān)控的實(shí)時(shí)性。

智能鎖控制子系統(tǒng)[4]實(shí)時(shí)接收管理機(jī)下達(dá)的命令并上傳各柜門狀態(tài)信息至管理機(jī),同時(shí)在數(shù)據(jù)庫(kù)中做下記錄。該子系統(tǒng)包括機(jī)械控制子系統(tǒng)、信號(hào)采集控制子系統(tǒng)、狀態(tài)控制子系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1）機(jī)械控制子系統(tǒng)主要是接收管理機(jī)發(fā)來的命令后，執(zhí)行對(duì)應(yīng)的機(jī)械動(dòng)作，使相應(yīng)的柜門鎖打開或關(guān)閉。

2）信號(hào)采集控制子系統(tǒng)[5]主要是采集各柜門的狀態(tài)，并將此狀態(tài)上傳至管理機(jī)，使其識(shí)別當(dāng)前柜門的狀態(tài)。

3）狀態(tài)控制子系統(tǒng)主要將柜門狀態(tài)與預(yù)定的狀態(tài)進(jìn)行比較，當(dāng)與預(yù)設(shè)的狀態(tài)不一致時(shí)，控制系統(tǒng)產(chǎn)生聲光報(bào)警。

故障診斷與處理子系統(tǒng)定期進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)出故障時(shí)，系能自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并能自動(dòng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

聲光報(bào)警子系統(tǒng)的主要工作是：當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到的狀態(tài)信號(hào)與管理機(jī)下達(dá)的命令不一致時(shí)，系統(tǒng)可進(jìn)行聲光報(bào)警，并產(chǎn)生報(bào)表通過網(wǎng)絡(luò)上傳到服務(wù)器。報(bào)警具備閃光、改變顏色和發(fā)出語(yǔ)音的功能。該報(bào)警可手動(dòng)或自動(dòng)解除。

系統(tǒng)擴(kuò)展和高級(jí)應(yīng)用功能由查詢、統(tǒng)計(jì)和報(bào)表管理子系統(tǒng)，系統(tǒng)管理和維護(hù)子系統(tǒng)以及相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)接口等組成。該功能可以實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)與現(xiàn)有系統(tǒng)的很好結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的可擴(kuò)充性。從功能模塊來看，各個(gè)子系統(tǒng)應(yīng)既可以單獨(dú)工作，又能夠緊密結(jié)合成基于物聯(lián)網(wǎng)的控制室屏柜監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。下面是系統(tǒng)的部分報(bào)表。

表1 系統(tǒng)報(bào)表

2 監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件平臺(tái)

系統(tǒng)前置機(jī)采用研華2U 的工控機(jī)，電磁鎖采用DSN-BMY 型號(hào)的戶內(nèi)高壓電磁鎖，門磁開關(guān)采用型號(hào)為RG-51 的金屬門磁，控制卡采用PCI-1761。硬件框架是由機(jī)械控制模塊、信號(hào)采集模塊、實(shí)時(shí)顯示模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊和聲光報(bào)警模塊組成，其硬件框圖如圖2所示。

1）機(jī)械控制模塊

該控制模塊主要是在接收管理機(jī)發(fā)來的命令后，利用電子繼電器控制電磁鎖的電源接通或斷開，以此來控制屏柜門的打開或閉合。

圖2 整體硬件設(shè)計(jì)框圖

2）信號(hào)采集模塊

該模塊主要是采集當(dāng)前電控柜門的狀態(tài)信號(hào)，并將此信號(hào)通過網(wǎng)絡(luò)上傳至管理機(jī)，使其能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前柜門的狀態(tài)。信號(hào)采集模塊由兩部分組成：信號(hào)采集電路和信號(hào)轉(zhuǎn)換電路。信號(hào)采集電路采用新型傳感器作為信號(hào)采集源，然后通過信號(hào)轉(zhuǎn)換電路將采集到的狀態(tài)信號(hào)轉(zhuǎn)換成利于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和識(shí)別的狀態(tài)信息。

3）實(shí)時(shí)顯示模塊

該模塊的功能是將相關(guān)信息實(shí)時(shí)顯示在智能控制終端的觸摸顯示屏上，需要顯示的信息一般為現(xiàn)場(chǎng)的工作狀態(tài)及門鎖的狀態(tài)。

4）網(wǎng)絡(luò)通信模塊

該模塊主要負(fù)責(zé)智能控制終端與管理機(jī)的通信。其通信方式主要有兩種：有線網(wǎng)絡(luò)通信和無線網(wǎng)絡(luò)通信。

5）聲光報(bào)警模塊

該模塊主要用于實(shí)現(xiàn)出錯(cuò)報(bào)警。該模塊將當(dāng)前屏柜的開關(guān)狀態(tài)與預(yù)設(shè)的柜門狀態(tài)信號(hào)通過異常識(shí)別電路進(jìn)行比較，當(dāng)與預(yù)設(shè)的柜門狀態(tài)不一致時(shí)，控制報(bào)警器產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，并在顯示屏上動(dòng)態(tài)顯示報(bào)警圖片。此外，報(bào)警信號(hào)會(huì)通過網(wǎng)絡(luò)上傳至遠(yuǎn)程管理機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程與本地的實(shí)時(shí)同步報(bào)警。

2.2 軟件支持

屏柜監(jiān)護(hù)系統(tǒng)在嵌入式平臺(tái)的基礎(chǔ)上對(duì)Linux[6]的內(nèi)核進(jìn)行了剪裁和重編譯，使得軟件平臺(tái)具有較高的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力和在線分析能力，同時(shí)還具有抗干擾能力強(qiáng)，操作方便等特點(diǎn)。軟件平臺(tái)具體的功能有：

1）根據(jù)管理機(jī)的命令實(shí)時(shí)打開控制柜門鎖。

2）自動(dòng)檢測(cè)各柜門的開閉情況并上報(bào)管理機(jī)。

3）保持時(shí)鐘同步。

4）異常情況聲光報(bào)警。

5）能對(duì)歷史數(shù)據(jù)查詢。

6）系統(tǒng)故障自檢測(cè)、自恢復(fù)。

軟件平臺(tái)采用開放式的體系結(jié)構(gòu)和模塊化的設(shè)計(jì)方法[7]，并保留了與其他相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的接口，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。而且，系統(tǒng)軟件具有良好的人機(jī)界面，能直觀地顯示數(shù)據(jù)及信息情況，便于各級(jí)管理人員對(duì)數(shù)據(jù)及信息進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢。其整體框架如圖3所示。

2.3 系統(tǒng)流程

系統(tǒng)流程圖如圖4所示，主程序是整個(gè)軟件系統(tǒng)的核心，它有系統(tǒng)初始化、檢測(cè)通信連接、檢測(cè)柜門鎖狀態(tài)、系統(tǒng)報(bào)警、數(shù)據(jù)記錄等模塊組成。數(shù)據(jù)記錄模塊能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)信息，同步顯示當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài),從而給各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)相應(yīng)的工作指令。各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)能夠檢測(cè)每個(gè)設(shè)備的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，并且將其以日志的形勢(shì)通知數(shù)據(jù)記錄模塊，同時(shí)接受主程序的工作指令，完成相應(yīng)的工作。系統(tǒng)每日整點(diǎn)刷新數(shù)據(jù)，從而保證了數(shù)據(jù)的一致性和可靠性，使得系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作。

圖3 軟件框圖

圖4 系統(tǒng)流程圖

3 結(jié)論

本系統(tǒng)的創(chuàng)新體現(xiàn)在多處，例如采用主流的嵌 入式系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)；在管理機(jī)側(cè)能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)柜門的狀態(tài)信息；在柜門狀態(tài)非正常時(shí)進(jìn)行報(bào)警。這些都是在前人的基礎(chǔ)上做出的創(chuàng)新點(diǎn)，而這些創(chuàng)新點(diǎn)也使得該系統(tǒng)成為了電力系統(tǒng)安全管理的一個(gè)重要組成部分。

基于物聯(lián)網(wǎng)的屏柜監(jiān)護(hù)系統(tǒng)采用先進(jìn)的嵌入式芯片作為控制器，能夠?qū)崟r(shí)在線監(jiān)測(cè)每個(gè)電控柜門的開閉情況，減少高壓開關(guān)設(shè)備電氣誤操作帶來的損失，創(chuàng)造明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。同時(shí)，該系統(tǒng)在很大程度上降低了生產(chǎn)成本以及同類工作的重復(fù)勞動(dòng)率，相應(yīng)的人力、車輛等資源的浪費(fèi)得到了避免,具有較高的推廣價(jià)值。

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