基于物联网的屏柜监护系统设计

汪小武 唐 涛

（安徽大学电气工程与自动化学院，合肥 230601）

随着电力工业的迅速发展，电力系统的规模不断扩大，变电站的自动化水平也越来越高。利用先进的计算机技术、电子技术、通信技术和信号处理技术，人类已经实现了对变电站的自动监视、测量、控制等功能。因此，由设备故障原因引起的变电站电力系统事故越来越少，而由人为误操作引发的事故比例则有逐年上升的趋势。如何提高安全管理水平已成为电力部门长期研究的课题。

为加强电力系统的安全保障，提高电力部门管理的自动化和规范化，本项目以嵌入式平台为基础，研制了基于物联网的屏柜监护系统[1]。通过智能控制终端，实现了对屏柜开闭情况的远程监控和自动化管理。该系统有助于减少由人为误操作引起的电网事故、保障操作人员的人身安全，从而确保了电力系统的正常运行和安全管理。

1 屏柜监护系统的组成、结构和功能

屏柜监护系统[2]在变电站内的每一个电控柜门上都安装了智能控制终端和受控电磁锁，并且将智能控制终端通过网络（WiFi 或有线网络）与管理机相连。智能控制终端通过信号采集装置采集各电控柜门的开闭状态并上报管理机。另一方面，智能控制终端可根据管理机下达的命令实时打开或关闭电控柜门锁。当状态信号与管理机下达的命令不一致时，系统可进行声光报警，并产生报表通过网络上传至管理机。管理机下达打开或关闭柜门锁命令，监测各柜门的开闭状态并作记录，同时记录下柜门在一年内的故障和开闭状态。该系统还具有自检测、自恢复功能[3]。一旦系统故障无法自恢复，操作人员可通过人工方式来打开柜门。

基于物联网技术的屏柜监护系统由若干个子系统组成，其结构如图1所示。

其中，时钟同步子系统主要实现智能控制终端的时钟与管理机的时钟同步功能，以保障系统监控的实时性。

智能锁控制子系统[4]实时接收管理机下达的命令并上传各柜门状态信息至管理机,同时在数据库中做下记录。该子系统包括机械控制子系统、信号采集控制子系统、状态控制子系统。

图1 系统结构图

1）机械控制子系统主要是接收管理机发来的命令后，执行对应的机械动作，使相应的柜门锁打开或关闭。

2）信号采集控制子系统[5]主要是采集各柜门的状态，并将此状态上传至管理机，使其识别当前柜门的状态。

3）状态控制子系统主要将柜门状态与预定的状态进行比较，当与预设的状态不一致时，控制系统产生声光报警。

故障诊断与处理子系统定期进行自动检测，当系统检测出故障时，系能自动发出报警信号，并能自动恢复正常运行。

声光报警子系统的主要工作是：当系统检测到的状态信号与管理机下达的命令不一致时，系统可进行声光报警，并产生报表通过网络上传到服务器。报警具备闪光、改变颜色和发出语音的功能。该报警可手动或自动解除。

系统扩展和高级应用功能由查询、统计和报表管理子系统，系统管理和维护子系统以及相关业务系统接口等组成。该功能可以实现本系统与现有系统的很好结合，实现了系统的可扩充性。从功能模块来看，各个子系统应既可以单独工作，又能够紧密结合成基于物联网的控制室屏柜监护系统。下面是系统的部分报表。

表1 系统报表

2 监护系统的实现

2.1 硬件平台

系统前置机采用研华2U 的工控机，电磁锁采用DSN-BMY 型号的户内高压电磁锁，门磁开关采用型号为RG-51 的金属门磁，控制卡采用PCI-1761。硬件框架是由机械控制模块、信号采集模块、实时显示模块、网络通信模块和声光报警模块组成，其硬件框图如图2所示。

1）机械控制模块

该控制模块主要是在接收管理机发来的命令后，利用电子继电器控制电磁锁的电源接通或断开，以此来控制屏柜门的打开或闭合。

图2 整体硬件设计框图

2）信号采集模块

该模块主要是采集当前电控柜门的状态信号，并将此信号通过网络上传至管理机，使其能实时监测当前柜门的状态。信号采集模块由两部分组成：信号采集电路和信号转换电路。信号采集电路采用新型传感器作为信号采集源，然后通过信号转换电路将采集到的状态信号转换成利于计算机存储和识别的状态信息。

3）实时显示模块

该模块的功能是将相关信息实时显示在智能控制终端的触摸显示屏上，需要显示的信息一般为现场的工作状态及门锁的状态。

4）网络通信模块

该模块主要负责智能控制终端与管理机的通信。其通信方式主要有两种：有线网络通信和无线网络通信。

5）声光报警模块

该模块主要用于实现出错报警。该模块将当前屏柜的开关状态与预设的柜门状态信号通过异常识别电路进行比较，当与预设的柜门状态不一致时，控制报警器产生报警信号，并在显示屏上动态显示报警图片。此外，报警信号会通过网络上传至远程管理机，实现远程与本地的实时同步报警。

2.2 软件支持

屏柜监护系统在嵌入式平台的基础上对Linux[6]的内核进行了剪裁和重编译，使得软件平台具有较高的实时数据处理能力和在线分析能力，同时还具有抗干扰能力强，操作方便等特点。软件平台具体的功能有：

1）根据管理机的命令实时打开控制柜门锁。

2）自动检测各柜门的开闭情况并上报管理机。

3）保持时钟同步。

4）异常情况声光报警。

5）能对历史数据查询。

6）系统故障自检测、自恢复。

软件平台采用开放式的体系结构和模块化的设计方法[7]，并保留了与其他相关业务系统的接口，增强了系统的可扩展性。而且，系统软件具有良好的人机界面，能直观地显示数据及信息情况，便于各级管理人员对数据及信息进行实时查询。其整体框架如图3所示。

2.3 系统流程

系统流程图如图4所示，主程序是整个软件系统的核心，它有系统初始化、检测通信连接、检测柜门锁状态、系统报警、数据记录等模块组成。数据记录模块能够实现各个监测点的实时信息，同步显示当前的系统状态,从而给各个监测点相应的工作指令。各个监控点能够检测每个设备的实时工作状态，并且将其以日志的形势通知数据记录模块，同时接受主程序的工作指令，完成相应的工作。系统每日整点刷新数据，从而保证了数据的一致性和可靠性，使得系统能够稳定工作。

图3 软件框图

图4 系统流程图

3 结论

本系统的创新体现在多处，例如采用主流的嵌 入式系统作为控制系统；在管理机侧能够实时检测柜门的状态信息；在柜门状态非正常时进行报警。这些都是在前人的基础上做出的创新点，而这些创新点也使得该系统成为了电力系统安全管理的一个重要组成部分。

基于物联网的屏柜监护系统采用先进的嵌入式芯片作为控制器，能够实时在线监测每个电控柜门的开闭情况，减少高压开关设备电气误操作带来的损失，创造明显的经济效益和社会效益。同时，该系统在很大程度上降低了生产成本以及同类工作的重复劳动率，相应的人力、车辆等资源的浪费得到了避免,具有较高的推广价值。

[1] 杨鹏,张翔.物联网研究概述[J].数字通信,2010,37(5): 27-30.

[2] 童晓渝,房秉毅,张云勇.物联网智能家居发展分析[J].移动通信,2010,34(9): 16-20.

[3] 吴晶晶,胡艳蓉.基于物联网的智能家居系统设计[J].软件导刊,2011(8): 69-70.

[4] 刘品文,戴永,王求真,等.多门锁位机联网门禁系统的网控软件设计[J].计算机技术与发展,2007,17(12): 217-220,224.

[5] 宋俊德,战晓苏.无线通信与网络[M].北京: 国防工业出版社,2010.

[6] 孙琼.嵌入式 Linux 应用程序开发详解[M].北京: 人民邮电出版社,2006.

[7] 范学英,张明新,王登磊.嵌入式系统概述[J].自动化技术与应用,2008,200(2): 113-115.