基于遠程通信通用型電氣設備智能在線監(jiān)測系統(tǒng)

王越，陳亮，陳文杰，吳曉升，陳永杰，孔祥松

（廈門理工學院福建省高電壓技術(shù)重點實驗室，福建廈門361024）

基于遠程通信通用型電氣設備智能在線監(jiān)測系統(tǒng)

王越，陳亮，陳文杰，吳曉升，陳永杰，孔祥松

（廈門理工學院福建省高電壓技術(shù)重點實驗室，福建廈門361024）

針對通用電氣設備裝置的智能化監(jiān)測需求，提出了一種集數(shù)據(jù)監(jiān)測、遠程智能防護等功能于一體的新型電氣設備智能監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以HT66F70A微控制器為核心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理；在Web端、微信端開發(fā)各功能模塊應用程序，實現(xiàn)了對電氣設備狀態(tài)及關(guān)鍵參量的一體化監(jiān)測，提高了系統(tǒng)的可靠性和集成度。

電氣設備；互聯(lián)網(wǎng)；微控制器；遠程監(jiān)測；云端數(shù)據(jù)

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.132

1 引言

傳統(tǒng)電氣設備狀態(tài)監(jiān)測與控制由工程師就地完成，工程師勞動強度大、作業(yè)壓力大，同時因就地操作的滯后性及隨機性，難以對電氣設備的運行狀態(tài)進行及時地實時響應，也不能完全確保電氣設備的安全運行。因此，研究電氣設備在線監(jiān)測及其在線控制對于電氣設備的應用具有重要意義[1]。

2 系統(tǒng)功能概述

電氣設備智能在線監(jiān)測系統(tǒng)（見圖1）包含4大子模塊、3大子系統(tǒng)。在底層通過傳感器采集數(shù)據(jù)，交由MCU處理數(shù)據(jù)后，在底層顯示數(shù)據(jù)，或通過無線模塊傳輸至中控PC并寫入數(shù)據(jù)庫，進而經(jīng)公網(wǎng)在新媒體平臺上遠程顯示各項分析數(shù)據(jù)。

2.1 數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)

能夠?qū)﹄妷?、電流、溫度、濕度、有毒氣體泄漏、隔離開關(guān)分合狀態(tài)、手車位置（開關(guān)柜）等進行全天候監(jiān)測，并通過LCD顯示屏和LED燈顯示狀態(tài)。

2.2 云端數(shù)據(jù)平臺

1）中控端將數(shù)據(jù)進行備份并傳輸至云端；

2）在Web端、微信平臺獲得歷史數(shù)據(jù)及圖表。

2.3 智能防護系統(tǒng)

1）異常報警：微信消息、短信和郵件告警；

2）安全鎖止：在未達開啟條件時，安全鎖無法開啟，實現(xiàn)人身防護；

3）多權(quán)限管理：提供多種權(quán)限控制方式，方便不同等級管理者進行管理操作或讀取操作等；

4）多層次應急預案：當各個模塊檢測到的數(shù)值達到某一級預警閾值時，應急系統(tǒng)將會啟動相應的預案來確保安全。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)的主要功能模塊

3.1 數(shù)據(jù)采集

溫度傳感器采用I2C通訊方式，向單片機傳輸數(shù)據(jù)[2]；電壓、電流傳感器是將被測電壓與電流量轉(zhuǎn)換為1～5VDC輸出，并使用MCU的A/D轉(zhuǎn)換功能傳入數(shù)據(jù)；濕度傳感器同樣通過A/D轉(zhuǎn)換把0.1～3V DC輸出轉(zhuǎn)化為相應的數(shù)字量信號傳入單片機；開關(guān)量輸出模塊（如開關(guān)柜中的手車位置檢測、隔離開關(guān)檢測、接地開關(guān)檢測）將邏輯電平信號輸入MCU的I/0口。最后，MCU將驅(qū)動相應的LED警報燈和LCD顯示屏顯示電氣設備的狀態(tài)。

3.2 數(shù)據(jù)處理

核心MCU采用HT66F70A（8位），具有體積小、低電耗、高集成度的優(yōu)點，還有ESD功能，確保單片機在電氣設備惡劣電磁環(huán)境下可靠地運行。

MCU采用限幅濾波來消噪，首先對過大的數(shù)據(jù)在編程時進行篩除。根據(jù)實際情況設定最大與最小范圍值，一旦采集到的數(shù)據(jù)不處于這個范圍內(nèi)，則認為數(shù)據(jù)出錯，舍棄這次數(shù)據(jù)重新采集。最后根據(jù)傳感器所能采集到最小分辨值判斷，確定兩次采樣允許的最大偏差值A(chǔ),每當檢測到新值時判斷：如果本次采樣值與上次采樣值之差小于等于A，則本次數(shù)據(jù)有效；否則本次數(shù)據(jù)無效,放棄本次數(shù)據(jù)，用上次數(shù)據(jù)代替本次數(shù)據(jù)。

3.3 無線傳輸與數(shù)據(jù)庫

3.3.1 無線傳輸

無線傳輸采用NRF24L01（2.4GHz）模塊，工作頻段為通用2.4/2.5GHz的ISM頻段。頻道選擇可通過SPI口設置。2.4GHz頻段傳輸距離高（可達100m），為推薦設置。模塊通過SPI口與MCU通信，同時模塊間可多對多通信，從而實現(xiàn)設備組網(wǎng)[3]。

3.3.2 數(shù)據(jù)庫與服務器搭建

監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用MySQL。它具有使用方便、省去數(shù)據(jù)遷移等優(yōu)點。使用數(shù)據(jù)容量較小的庫，并與其他應用放在同一臺服務器上，這樣使得讀取速度更快，而且較為經(jīng)濟；將資料存放在自建的數(shù)據(jù)庫中安全性更高，大大降低數(shù)據(jù)被盜用的風險。

服務器搭建采用LAMP環(huán)境結(jié)構(gòu)，因數(shù)據(jù)量較大，系統(tǒng)采用動態(tài)分表技術(shù)，可根據(jù)數(shù)據(jù)采集時間段進行分塊，從而達到縮短讀寫時間的目的。

3.4 云端數(shù)據(jù)平臺

3.4.1 微信端

監(jiān)測系統(tǒng)通過HTTP協(xié)議傳輸XML格式數(shù)據(jù)到微信服務器。微信端框架根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)特性進行針對性設計，由監(jiān)測數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、菜單組成。監(jiān)測數(shù)據(jù)包括實時數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)曲線；歷史數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)庫存儲，可縮放查詢；菜單可鏈接到監(jiān)測Web端，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)圖形化呈現(xiàn)。自定義菜單可增強工程師的人機交互體驗。

3.4.2 Web端

Web端在微信端功能基礎(chǔ)上進行優(yōu)化展示，HTML采用扁平化設計，美觀且完美適配I0S、Android等設備，報表采用Echart設計，使數(shù)據(jù)顯示更加靈活，便于統(tǒng)計分析。

3.4.3 分級權(quán)限管理

針對不同等級管理人員及工程師，系統(tǒng)設計了一套梯度控制權(quán)限管理系統(tǒng)。既方便不同等級操作者進行管理，也可防止不必要的誤操作而導致事故發(fā)生，從而保障系統(tǒng)安全、可靠運行。

4 應急預案

應急預案可預設。以開關(guān)柜為例，其應急預案包括4個預案等級：綠、黃、紅、紫。由警報燈、警報器提示。綠燈為正常狀態(tài)。

1）黃色預警工況（微信、短信、郵件提醒）

（1）持續(xù)12h溫度大于40℃；

（2）持續(xù)12h濕度大于80%；

（3）電子鎖異常；

（4）MCU供電電源低于4V。

2）紅色預警工況（電話提醒）

（1）設備溫度大于60℃；

（2）電壓大于1.1Un或者小于0.9Un；

（3）電流大于Imax。

出現(xiàn)嚴重工況，觸發(fā)紫色預案（直接斷電等）。

5 結(jié)語

系統(tǒng)基于單片機與傳感器的技術(shù)應用實現(xiàn)了對電氣設備的遠程在線監(jiān)控，系統(tǒng)擁有多數(shù)據(jù)監(jiān)測與多樣化數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)了優(yōu)異的人機交互與可操作性，具有性能可靠、成本低、功耗低等優(yōu)點，彌補了傳統(tǒng)電氣設備監(jiān)測所帶來的資源浪費、滯后性、隨機性等缺點。提高設備之間的信息聯(lián)系交互能力和預警能力，實現(xiàn)對輸變電設備的全景實時感知、多維智能監(jiān)測與控制，為電氣設備遠程智能在線監(jiān)控的應用奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ)[4]。

【1】李勇.低壓配電開關(guān)柜智能監(jiān)控單元設計[D].成都：成都理工大學，2013.

【2】陳金艦.開關(guān)柜結(jié)構(gòu)設計與制造的分析與實踐探討[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2014(4):33-34.

【3】侯磊.10kV高壓開關(guān)柜無線測溫技術(shù)研究[D].廈門：廈門大學，2014.

【4】張振國.高壓開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)設計[D].太原：太原理工大學，2013.

Remote-based Intelligent On-line Monitoring System for Universal Electrical Equipment

WANG Yue,CHEN Liang,CHEN Wen-jie,WU Xiao-sheng,CHEN Yong-jie,KONG Xiang-song
(High-voltage Key Laboratory,Xiamen University of Technology in Fujian Province,Xiamen 361024,China)

With the requirement of intelligent monitoring of universal electric equipment，this paper proposes a new intelligent monitoring system to the electrical equipment which is comprising data monitoring function and remote intelligent security function.The system takes HT66F70 A microcontroller as the core,realizing data acquisition and processing;the exploitation of the applications about various functional module on Web and We Chat realizes the integrated monitoring to the electrical equipment and important parameter and improves the reliability and integration of thesystem.

electrical equipment;Internet;m icrocontroller;remote monitoring;cloud data

TN914

A

1007-9467（2016）08-0240-02

2016-07-25

王越（1993～），男，山西忻州人，從事高低壓電力設備監(jiān)測與控制研究。