智慧变电站环境测控系统设计

杨金凇 罗明璋 黑创

摘  要  随着我国经济的高质量快速发展，国民经济发展对电力的需求与日俱增，稳定电力供应成为必不可少的重要环节。变电站作为电力传输枢纽，其发展对保障整个国家的发展和社会稳定起到关键作用，综合传统变电站的不足，以实时监测和远程控制为目的，设计一款以STM32F103C8T6为主控芯片的测控系统，结合模块化的拓展，通过对数据进行处理和指令下达，做到实时稳定变电站内部环境温湿度条件。

关键词  STM32；变电站；测控系统

中图分类号：TN876    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2023）10-0027-05

Design of Temperature and Humidity Measure-ment and Control System for Substation En-vironment Based on STM32//YANG Jinsong， LUO Mingzhang， HEI Chuang

Abstract  With the high quality and rapid develop-ment of Chinas economy， the demand for electricity in national economic development is increasing day by day， and stable power supply has become an essen-tial important link. As a power transmission hub， the development of substation plays a key role in ensuring the development of the whole country and social stability. In this paper， based on the defi-ciencies of traditional substations and for the pur-pose of real-time monitoring and remote control， a measurement and control system with STM32F103C8T6 as the main control chip is designed. Combined with the expansion of modularization， through the data processing and instruction， this measurement and control system could achieve real-time stability of substation internal environment temperature and humidity conditions.

Key words  STM32; substation; measurement and con-trol system

Authors address   College of Electronic Informa-tion， Changjiang University， Jingzhou， Hubei， China， 434100

0  引言

變电站作为供配电网重要组成部分，其主要作用是承接用电端与发电端，是实现智能电网的基础，对实现电网安全可靠运行具有重要作用[1-3]。变电站监控系统作为智能电网建设不可或缺的一部分，为变电站运维、监控人员提供站内实时数据、动态信息、故障警告等，帮助他们快速作出正确判断并完成事故处理，一直以来是重点研究项目。

随着大数据和人工智能等信息新技术的高速发展，变电站逐步由数字化走向自动化。自20世纪80年代开始，国内变电站监控系统的发展经历了三个阶段，从信息传递依靠电话联络的起步阶段、远动装置远程遥控管理的探索阶段，发展到如今智能化、平台化、结构统一的智能监控阶段，智慧变电站监控系统已经成为智能电网建设不可或缺的一部分。但是，目前变电站涉及真正智能化的建设并不多，相比于智能化技术在工业领域的广泛应用，变电站的管理与运行相对滞后。智能化在工业领域应用的成功为变电站的智能化提供了可以借鉴的技术和经验[4-5]。

本文中的设计就是将传统变电站与信息化、自动化相结合，整个系统以在线监测数据为基础，面向服务框架，建立安全可靠、扩展性强的环境监测控制系统[6-7]，实现对变电站项目管理、设备维护、人员安全的保障，降低人为因素所造成的风险，系统化地对变电站进行实时监测与智能预警，提高工作质量和效率，实现各辅助设备状态的互联，对提高电力系统安全、稳定运行，提高变电站设备的运行和管理水平有重要意义，不仅符合国家高质量发展要求，而且能够进一步推动变电站智能化。

1  系统总体架构设计

根据变电站内实际环境需要，测控终端初步设计了六个主要模块，分别是主控模块、监测模块、通信模块、控制模块、电源模块和显示模块。测控系统主要负责数据采集、数据处理、数据传输、自动预警和控制、指令接收和控制五个主要功能。测控终端框架如图1所示。

在测控系统运行中，首先需要激活安装在变电站内部的多处传感器，并同时采集多处温湿度数值，有线传输至主控模块，主控模块将数据处理之后，传输至通信模块，通信模块将数据实时传输给网络端监测平台，平台界面可看到目前温湿度数据，并周期性地进行数据更新；同时，主控模块会将处理后的数据发送至测控终端上的显示界面，便于站内运维人员掌握实时温湿度情况。在指令控制阶段，监控平台可以直接进行远程控制，将指令通过变电站内网下达至测控终端，测控终端根据指令打开对应设备（空调或者除湿器），从而能够实时控制站内环境温湿度，保证设备正常工作。

在该系统内部，利用程序控制实现自动化的测控功能。在设备安装初期，人为设定操控设备的指令和监测阈值等参数。在设备运行中，当环境温湿度数值异常或者再次恢复正常时，会自动控制空调的工作模式和除湿器的开关，使得变电站在无人值守时，仍可以实现变电站内环境的稳定。在实际运行中，测控终端会周期性地向平台传输数据包，为保证测控终端与主机正常连接，在数据包中引入“心跳包”作为连接正常的指标，测控终端周期性地与平台端进行“心跳包”互送，在规定时间范围之内，完成问答操作，则视为连接正常；超出时间范围未作答，则连接断开，主机会重新连接终端设备。

2  系统硬件设计

基于系统整体结构设计框架，整体设备主要包含以下模块。

2.1  主控模块

主控模块选用STM32F103C8T6芯片作为主芯， 在测控系统设计中，主控模块在整个测控终端内部起到处理、整合、调度的作用。STM32F103C8T6芯片包含多组串口通信引脚，因此，在设计中，测控终端分别与通信模块、显示模块、控制模块（红外控制部分）采用串口通信方式连接，用于实时数据处理传输和显示、指令解析和命令下达。此外，主芯片采用引脚直连的方式与监测模块和控制模块（继电器部分）进行连接，实现数据获取和继电器开关的控制。

2.2  监测模块

针对变电站内部情况，需要进行多点实时温湿度数据监测和采集，传感器需要布置于室内和电缆沟槽中，实现长期稳定工作，起到信息收集和反馈的作用。

选用AM2302数字温湿度传感器作为数据采集端，测量范围分别是湿度0～99.9% RH和温度-20～80 ℃，传感器的校准系数以程序的形式存储在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数，在数据处理之后，以单总线的数据格式传输给主芯片，信号传输距离可至20米以上。AM2302传感器单次数据传输为40 bit，单次通信时间为5 ms左右，40 bit的数据格式以“16+16+8”的形式（16位湿度数据+16位温度数据+8位校验和）传送给主芯模块。

2.3  通信模块

由于需要保证变电站内部保密性和设备实时可控，平台和测控设备之间采用有线传输的方式进行数据交互。因此，在整个测控设备中，网口模块是将终端采集数据有效传输给平台的关键模块，不仅能够实时上传数据和接收数据，还能够有针对性地选择网络协议，将数据格式进行转换，是连接网络服务器和测控终端的“桥梁”。

在本设计中，网口模块选用ATK-UART2ETH模块，此模块实现将串口数据转为以太网格式传输（简称U2E模块）。网口模块通过上位机进行直接配置，配置好的网口可直接安装在测控终端内部，操作简单，实用性强。网口配置界面如图2所示。

该模块功能特点主要有以下几点：

1）能够支持TCP/UDP协议下的多种工作模式，包括UDP Client/Server，TCP Client/Server，UDP组播；

2）自适应以太网接口支持AUTO-MDIX网线交叉直连自动切换，拥有DHCP功能和DNS功能，可以自动获取IP以及域名解析，并且可以自定义DNS服务器地址；

3）可以设置波特率从2 400 bps至921 600 bps，并支持None、Odd、Even三种校验；

4）可以工作在局域网，也可以访问外网，并且可以通过网络更新固件功能。

在系统中，网口模块可以使用串口直接连接到对应模式的网络，STM32主芯片通过串口向相应的IP发送数据；同时，该模块可以随时接收来自平台端和智能手机APP端远程控制指令，工作人员不必在现场就可以实时掌控变电站内部情况。

2.4  控制模块

控制模块是用于直接对变电站内辅助设备进行控制的模块，通过接收并解析主芯片下达的指令，继而发送信号调节对应设备，在整个设备中起到实施操控的作用。

本模块初步选用红外控制和继电器控制两个部分，分别对应控制调节空调和除湿器，改善变电站内部环境条件。红外控制部分选取有学习能力的红外模块，具备解码与编码的功能。整个模块共有256个记忆通道，用于存放解码数据，操作方便，调用简单，模块采用串口通信的方式与STM32主芯片进行指令传输。红外发射端口可以拓展多个发射头，实现全方位控制。继电器部分通过管理除湿器电源，通過主芯片自动化监测或者平台端人为的控制实现开关状态的控制。

2.5  电源模块

实际环境考察之后，测控终端安装在变电站高压室内部，由交换机通过网线给测控终端直接供电。因此，系统采用POE供电方式，通过网线的方式既保证稳定电力供应，又保证数据能够稳定上下传输。另外，交换机的POE供电电压为12 V，因此，设计中采用12 V转5 V模块进行降压，降压部分采用LM2596降压电路进行处理，输出5 V分别为主控模块、显示模块、监测模块、通信模块和控制模块进行供电。

2.6  显示模块

在测控终端盒上，将实时采集数据显示在屏幕上，站内工作人员可以直观地掌握当前环境状况，并且根据环境变化情况，有效地进行变电站维护和管理。设计中选用的显示屏为USART HMI智能串口屏，将主芯片处理之后的温湿度数据通过USART直接发布在终端设备上，运维人员可在变电站内直观地获取监测数据。显示模块界面通过上位机USART HMI软件进行设置，操作方便，稳定性强。

3  系统软件设计

整个系统由程控进行周期性地数据采集和上传，并可实现自动控制和手动控制功能。当测控终端打开之后，系统将自动初始化并且搜寻各个模块，并与PC端平台进行连接；稳定之后，传感器将自动开始采集数据，并发送至主芯片，主芯片将采集到的实时数据进行处理判断，同时将其上传平台；如果出现数据超出设定温湿度区间的情况，系统将自动派发预设指令并将所采集到的数据上传网络监控平台；另外，平台端可根据环境数据随时派发控制指令，实现远程遥控，人为控制变电站内环境条件。系统运行流程如图3所示。

在软件设计中，同时引入以下设计：

1）为保证测控终端长时间连接稳定，在系统初始化之后，主机和测控终端之间进行周期性的“心跳”互送；

2）对于超出范围的采集数据，系统会自动进行误差判断，对30 s内数据进行抓取并取温湿度均值，判断是否是偶然因素导致数据偏差，从而对控制模块下发指令；

3）实时采集的温湿度数据会同时上传给显示模块、平台和智能手机APP。

4  系统仿真与调试

本次测试选用三个温湿度传感器进行数据采集，分别部署在高压室内三个不同位置，每个传感器实时采集值都可以同时在显示屏、平台和手机APP上进行显示。上传数据包包含温湿度数据包、心跳数据包，后台根据数据帧格式进行有效判断。上传数据包可以周期性地打印到平台后台，每个温湿度数据包以19个字节的形式进行上传，包含三组温湿度数据以及设备编号，在传感器出现数据漏传或传感器受损时，可以很快找出问题传感器部署位置；心跳數据包则以固定3个字节（0x11 0xFF 0x55）进行上传，主机收到后同样回复3个字节包（0x12 0xFF 0x55），若主机和客户端有一方超过20 s尚未回复，则断开连接，需要进行重连，进而保证终端设备长期稳定工作。

测试中的平台端成功接收每组数据包，平台和测控终端实时显示当前温湿度情况，测控终端设备与主机始终连接稳定。测试结果如图4和图5所示。

5  结束语

该系统针对变电站监控采取了一系列智能化的设计，在采集、通信、控制等方面进行模块化设计，能够很好地突出模块化的特点与优势，结合传感器、物联网、计算机、远程控制等技术，减少人员的出入和降低检测的误差，工作人员可以通过平台端和智能手机APP实时接收变电站内部环境信息，安全高效地对变电站进行远程操控。经过实验证明，设备具备长时间稳定工作、实时监控稳定、数据误报率低、操作方便等特点，突破了传统变电站数据监测的瓶颈，具备很高的可拓展性，为实现变电站智能化、平台化具有重要意义。另外，测试结果表明，整个系统具有很好的稳定性，在变电站内部可以实现充分覆盖，而且成本低、功耗低，具有较高的应用价值。在智慧电网发展的大背景下，随着人工智能的发展，更多创新的设计等待进一步探索和应用。

6  参考文献

[1] 张瑶，王傲寒，张宏.中国智能电网发展综述[J].电力系统保护与控制，2021，49（5）：180-187.

[2] 王开郁.智能电网中的物联网技术应用与发展[J].数字通信世界，2021（9）：200-201.

[3] 赵慧琴，栗华锋，戎丽.电力通信技术在智能电网中的运用[J].科技创新与应用，2022，12（15）：155-158.

[4] 马恩宁.数字化变电站监控系统通信技术分析[J].电工技术，2018（19）：63-65.

[5] 赵冬义，陆爽，金羽乔，等.基于物联网技术的变电站远程监控系统设计[J].电子设计工程，2021，29（20）：92-95，100.

[6] 向东，黄迪.变电站辅助控制系统应用现状与发展趋势分析[J].机电信息，2022（4）：26-28.

[7] 杨可军，罗洪，张庚生，等.变电站辅助设备监控发展综述[J].电工技术，2022（1）：113-116.

[8] 姜昱辰，叶莹，韩晓云.基于物联网的变电站信息自动化监测系统设计[J].自动化与仪器仪表，2021（12）：93-96.