面向電力設(shè)備的一體化智能監(jiān)控系統(tǒng)

鄒丹丹 李沛哲

摘要：本文設(shè)計(jì)了以STM32處理器為主控制器的多功能電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)可應(yīng)用在極端條件環(huán)境里對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，也為智能電網(wǎng)的建設(shè)提供了底層硬件平臺(tái)，提供大量有價(jià)值的電力系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)。系統(tǒng)綜合了嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)以及遠(yuǎn)程控制等技術(shù)優(yōu)勢，提高了整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，靈活性和安全性。系統(tǒng)方案簡單可靠，模塊化設(shè)計(jì)為日后系統(tǒng)升級(jí)提供了極大的空間。人機(jī)界面可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作功能，達(dá)到無人值守的效果，極大地節(jié)約人力物力。測試結(jié)果證明了本系統(tǒng)簡單有效，系統(tǒng)對于建設(shè)現(xiàn)代化智能電網(wǎng)體系具有重大的意義。

關(guān)鍵詞：面向電力設(shè)備；一體化智能監(jiān)控系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TM507文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-3178（2018）19-0380-01

1一體化智能監(jiān)控系統(tǒng)概述

一體化智能系統(tǒng)應(yīng)使電力系統(tǒng)具備可視化監(jiān)控、巡檢和調(diào)度，

因此，系統(tǒng)應(yīng)具備如下功能：對儀表進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控及對熱點(diǎn)測量和報(bào)警的功能，運(yùn)行操作隊(duì)、監(jiān)控中心、應(yīng)急指揮中心等相關(guān)部門利用該系統(tǒng)對電力系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)圖像監(jiān)控、遠(yuǎn)程故障和意外情況告警接收處理；系統(tǒng)可以根據(jù)指令完成對指定目標(biāo)的監(jiān)控，對操作后的設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行檢查，代替人工現(xiàn)場校核，實(shí)現(xiàn)輔助運(yùn)行人員倒閘操作；對所有目標(biāo)按照程序指令自動(dòng)巡檢或按人員指令對特定設(shè)備巡視；對于進(jìn)入電力系統(tǒng)設(shè)備場區(qū)、控制設(shè)備核心區(qū)的外來人或物、場區(qū)發(fā)出的異常聲光能夠報(bào)警及跟蹤拍錄。

2總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)以STM32F103芯片為核心的微處理器模塊，在模塊化設(shè)

計(jì)的方法上結(jié)合了數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊和上位機(jī)模塊。電力系統(tǒng)監(jiān)控終端由微處理器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成。系統(tǒng)主程序中循環(huán)檢測SPI端口，數(shù)據(jù)采集模塊ATT7022E將采集的電網(wǎng)狀態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過SPI接口送到微處理器的FLASH存儲(chǔ)器中。為了方便傳輸，還需要將數(shù)據(jù)通過通信模塊內(nèi)置的TCP/IP傳輸子程序打包成數(shù)據(jù)幀。上位機(jī)與通信模塊之間先建立數(shù)據(jù)傳輸連接，這個(gè)過程分為數(shù)據(jù)通道的連接過程和數(shù)據(jù)傳輸過程。上位機(jī)接收數(shù)據(jù)完成后，通過顯示界面將電力數(shù)據(jù)顯示在顯示界面上。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要包括4個(gè)模塊電路：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收集與處理的微處

理器模塊、采集電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集模塊ATT7022E、實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ拍K以及人機(jī)交互的上位機(jī)模塊。

3.1微處理器模塊

系統(tǒng)采用具有高精度、高集成度的STM32F103處理器，其核心

是ARMCortex-M3內(nèi)核，該內(nèi)核產(chǎn)品是一種面向數(shù)據(jù)信號(hào)處理的高級(jí)微控制器。STM32F103同時(shí)還具備低功耗、成本低操作簡單等特點(diǎn)。此外，STM32F103還集成了256KB的Flash存儲(chǔ)器以及64KB的高速靜態(tài)RAM，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器用來存放系統(tǒng)文件以及一些緩存數(shù)據(jù)，當(dāng)Flash存滿時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)用高速靜態(tài)RAM。STM32F103除了具有高達(dá)72MHz的時(shí)鐘頻率，還增加了豐富的外設(shè)接口，如SPI接口、同步通信數(shù)據(jù)接口UTRA等。

3.2電能計(jì)量模塊

電能計(jì)量模塊主要用來統(tǒng)計(jì)電網(wǎng)實(shí)時(shí)參數(shù)。本系統(tǒng)硬件上采用

ATT7022E芯片作為電能參數(shù)采集的主要芯片，ATT7022E是一款高精度且功能強(qiáng)的多功能防竊電三相電能專用計(jì)量芯片，ATT7022E內(nèi)部還包括電能參數(shù)統(tǒng)計(jì)算法，因此只需把外圍電路搭載好即可，主程序中直接進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)讀寫，簡單快捷。

ATT7022E與微處理器STM32F103之間通過SPI接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在本監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)主要從電能計(jì)量模塊傳到主控芯片中。SPI接口含有4根線，分別是片選信號(hào)CS、時(shí)鐘信號(hào)SCLK、數(shù)據(jù)輸入DIN、數(shù)據(jù)輸出DOUT。

3.3通信模塊

本系統(tǒng)采用GPRS傳輸方式，它的優(yōu)勢在于可以永久在線連接、

快速的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能以及數(shù)據(jù)下載功能，硬件方面采用SIM900A芯片，SIM900A內(nèi)置TCP/IP協(xié)議，不僅能實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)也節(jié)約了微處理器的資源調(diào)用，是一款性價(jià)比非常高的通信芯片。MAX232是標(biāo)準(zhǔn)串口RS232下的電平轉(zhuǎn)換接口，工作電壓+5V。當(dāng)用單片機(jī)和GPRS模塊通過串口進(jìn)行通信時(shí)，盡管單片機(jī)有串行通信的功能，但單片機(jī)提供的信號(hào)電平和RS232的標(biāo)準(zhǔn)不一樣，SIM900A不支持RS232電平，只支持CMOS電平。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1程序總體設(shè)計(jì)

軟件從實(shí)用性考慮，采用模塊化設(shè)計(jì)，主程序主要對各個(gè)模塊之間進(jìn)行合理協(xié)調(diào)。系統(tǒng)上電后，先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，設(shè)置主機(jī)IP地址，端口號(hào)，進(jìn)入主程序之后先循環(huán)檢測通信接口有數(shù)據(jù)接收，這里設(shè)定定時(shí)器的初值，確定循環(huán)檢測的周期。如果端口檢測到有數(shù)據(jù)從采樣模塊傳過來，先設(shè)定微處理器內(nèi)部的存儲(chǔ)器地址初值，確定數(shù)據(jù)讀寫存儲(chǔ)位置。主程序調(diào)用讀/寫子函數(shù)將數(shù)據(jù)傳入存儲(chǔ)器中。

4.2采樣模塊的數(shù)據(jù)讀寫

采樣模塊ATT7022E主要通過SPI接口來與微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交

換。當(dāng)ATT7022E與主控芯片通過SPI建立好通信模式后，此時(shí)片選信號(hào)CS為高，當(dāng)CS被拉低時(shí)，先向寄存器中寫入1個(gè)字節(jié)的地址，ATT7022E在SCLK的下一個(gè)下降沿時(shí)開始轉(zhuǎn)移寄存器中的數(shù)據(jù)，共3個(gè)字節(jié)。5實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5.1編譯環(huán)境搭建

系統(tǒng)采用KeilUvision4作為整個(gè)編譯環(huán)境，先設(shè)置編譯環(huán)境，

通過下載線將應(yīng)用程序拷貝到單片機(jī)中，然后進(jìn)行串口測試，測試成功后進(jìn)行主程序設(shè)計(jì)。

為使得監(jiān)控終端能夠24h始終保持對電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控狀態(tài)，設(shè)備須每隔30s發(fā)送一次監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。上位機(jī)界面也要定時(shí)刷新界面，這樣才能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。本監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際使用之前，必須先用TCP&UDP;測試工具對硬件終端進(jìn)行本地通信測試，先設(shè)置IP地址、端口號(hào)，并發(fā)送測試數(shù)據(jù)。

5.2上位機(jī)界面顯示

本系統(tǒng)可以測量三相電壓、三相電流、三相有功功率、三相無

功功率和三相功率因素等電能參數(shù)。先登陸服務(wù)器IP172.25.78.201，端口號(hào)為9001，上位機(jī)與監(jiān)控終端的通信模塊連接后，部分召測數(shù)據(jù)截圖如圖1所示。

從圖1可以看出各相電壓標(biāo)準(zhǔn)有效值為220V，電流有效值為

1.5A，功率因素為1（沒有功率損耗）。經(jīng)計(jì)算，有功功率P=UIcosθ，有功功率有效值為330W，由于忽略功率損耗，無功功率為0。從圖10可以看出三相電壓實(shí)時(shí)召測數(shù)據(jù)基本無誤，各相電流召測值也與有效值誤差不大，此誤差經(jīng)計(jì)算（1.5-1.49）÷1.5×100%=0.67%，誤差在1%以內(nèi)，基本可以忽略不計(jì)。有功功率的實(shí)時(shí)召測值為329、331、329W，（330-329）÷330×100%=±0.3%，因此其有功功率的測量誤差在0.5%以內(nèi)。各相功率因素都是0.999，

近似1，因此誤差很小。

結(jié)束語

為了維持偏遠(yuǎn)地區(qū)的電力設(shè)備的安全穩(wěn)定的運(yùn)行，需要對其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。文中設(shè)計(jì)了一種以STM32F103為微處理器的遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)，系統(tǒng)搭載了電能計(jì)量芯片、遠(yuǎn)程通信模塊以及存儲(chǔ)器模塊等外設(shè)模塊。系統(tǒng)采用SIM900A芯片作為通信芯片，電能計(jì)量芯片采用ATT7022E，ATT7022E內(nèi)置的電能參數(shù)統(tǒng)計(jì)算法簡化了程序。

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