变电站数据在线监测系统的研究与设计

孟飞,王宇龙，蔡建文,张美凤，钱荣,茆新宇

(1.常州工学院电气与光电工程学院，江苏常州213032；2.中国兵器工业信息中心，北京100089；3.江苏久创电气科技有限公司，江苏常州213164)

变电站数据在线监测系统的研究与设计

孟飞1,王宇龙2，蔡建文1,张美凤1，钱荣3,茆新宇1

(1.常州工学院电气与光电工程学院，江苏常州213032；2.中国兵器工业信息中心，北京100089；3.江苏久创电气科技有限公司，江苏常州213164)

设计变电站数据监测系统，由数据采集节点、触摸屏、GPRS通信模块和工控机等组成。数据采集节点以ARM处理器为硬件核心。基于Linux嵌入式操作系统设计模拟量和开关量的数据采集、MODBUS协议等功能程序。利用组态软件开发工控机和触摸屏上的监控软件，能实现数据的实时显示、存储和报警等。系统采用MODBUS通信协议的RS-485接口连接工控机、触摸屏和各个数据采集节点，通过GPRS通信模块实现与数据中心的数据传送。系统具有很好的扩展性和可靠性，满足了变电站数据采集的多通道、多信号形式和覆盖范围广等要求。

变电站；在线监测系统；Linux；MODBUS

电网状态在线监测的自动化和智能化是智能电网的基础，在线监测的目标既包括骨干传输网络，也包括分布广泛的各类变电站。变电站内由于设备种类和数量众多，往往是故障高发的主要环节[1]。现有变电站内的各类设备、传感器和检测仪表通常由不同的厂商提供，输出信号的形式、接口等不统一，如六氟化硫浓度传感器既有通过RS-485接口采用协议输出，也有采用4～20 mA电流环信号输出；空调、通风设备的控制既有采用MODBUS协议，也有采用简单开关量控制。因此，有必要构建一种智能在线监测系统，能将各种不同的传感器、检测仪表纳入其中，实现数据的统一实时监测、报警以及简单控制。

分析变电站内的各类设备和检测仪表、传感器接口信号的形式，主要为以下3类：一是模拟信号形式，如4～20 mA电流环、0～5V直流电压信号等；二是基于通信协议的串行数据交换，如采用RS-485接口形式的MODBUS协议；三是开关量。本设计在硬件上兼容了上述3种形式的信号，设计相应的调理和隔离电路，然后接入以ARM为核心的数据采集节点，节点将检测到的数据通过GPRS模块和MODBUS协议等方式传输给触摸屏、工控机以及远方数据中心，实现报警和数据显示、存储、交换等功能。数据采集节点之间可以相互连接，从而可以扩展采集通道数以满足不同规模变电站的需要。

1 系统的总体架构和配置

变电站数据在线监测系统是典型的分布式、多点数据采集系统，系统的总体架构如图1所示。

图1 系统总体架构

图1中虚线部分为一个数据采集节点的典型组成，多个节点之间使用RS-485接口进行通信，通信协议为简化的MODBUS，节点数量可根据距离和需要输入的通道数来配置。每个节点均具有若干数量的模拟量输入通道、开关量输入输出通道、RS-485通信接口等。节点以ARM处理器为核心，使用Linux作为操作系统，根据配置循环调用AD转换、数字量输入输出、通信处理等程序实现对应的功能。各个节点负责底层传感器、设备的数据采集和通信，其中一个主节点与工控机、触摸屏、GPRS模块等通信，完成数据的显示、存储和远程传送等。

触摸屏上运行基于组态软件开发的监控软件，实现现场实时曲线、报警提示、数据存储、参数设置和简单的控制功能。工控机与触摸屏上的软件功能类似，但其运算速度、显示和存储空间等性能更强，因此可提供更好的数据查询、存储和更丰富的信息显示功能，以及打印等功能。触摸屏和工控机在系统中可安装一个或多个，典型的配置是触摸屏安装在现场或进门处，显示变电站内相关设备的实时参数、进行超限报警等；工控机安装在机架中，配合大屏幕显示设备和打印机等实现显示、打印功能。

2 系统的硬件设计

2.1 节点的硬件设计

节点是系统中的核心装置，节点间通过RS-485通信接口完成级联，经过多节点级联后可在距离上、输入输出通道的数量上满足变电站数据采集的要求。节点的硬件主要由电源电路、主控电路、模拟量转换电路和开关量输入输出电路、通信接口电路等部分组成，采用模块化设计方法和隔离等抗干扰技术，以确保易扩展和系统稳定。

2.1.1 主控芯片的选择

主控芯片负责数据采集、通信等系统的主要功能，考虑到软件系统扩展的方便，本设计采用Linux嵌入式操作系统。根据运行Linux对性能的要求以及AD通道、串行口等资源的数量，主控芯片选用NXP公司的I.MX280工业级芯片。该芯片以ARM926EJ为核心，主频为454 MHz，具有8通道12位ADC转换器、6路串口、2路I2C总线接口[2]。通过外扩64 MB DDR2内存和128 MB NAND FLASH作为运行和存储空间，在资源上和运算性能方面完全满足本系统的要求。该硬件方案所需芯片数量较少，便于PCB布线，也间接提高了系统的稳定性。

2.1.2 电源的配置与设计

电源电路是系统稳定运行的关键，本系统的直流供电电源分别为：触摸屏24 V、GPRS通信模块9 V、节点主电路板中5 V和3.3 V等。其中触摸屏、GPRS通信模块的安装位置和节点的距离并不固定，且施工时会根据现场情况添加隔离模块以提高通信的稳定性，因此在电源上也存在隔离的需要，综合考虑，DC 24 V和DC 9 V采用独立的商品开关电源实现。考虑纹波等因素，节点主电路板而所需的DC 5 V、3.3 V电源采用低压差线性稳压器LDO实现。主控电路板的输入输出信号、通信接口均采用了光电隔离，因此其电源也必须隔离，通过添加隔离DC-DC模块实现。这样的电源配置方案实现简单，也便于设备通过认证测试和维护。

2.1.3 开关量输入输出的扩展

变电站现场一些环境设备如通风设备的开启和关闭、门禁和报警以及部分阈值型传感器等通常为开关量信号。I.MX280中的I/O端口多数为多功能口，如ADC、串行通信接口等占用的是普通I/O口引脚，导致实际可使用的I/O口数量所剩不多，因此需要进行扩展。本系统采用Phlips公司的PCF8575芯片来扩展I/O口，PCF8575是基于I2C总线的16位I/O扩展芯片，将其与I.MX280的I2C接口相连[3]。PCF8575的16位I/O口和开关量输入信号或继电器驱动电路之间添加光电隔离芯片实现电隔离，考虑输入输出通道数量的不确定性，设计时将光电隔离芯片和后端输入保护电路以及继电器电路单独设计成多种规格的扩展板，如6输入6输出、4输入12输出等，这样方便自由组合以满足不同要求。

2.1.4 模拟信号输入电路的设计

传感器或变送器直接输出信号为0～5 V直流电压或4～20 mA电流环信号，考虑电压信号和电流信号的可转换性，同时为确保多个模拟量通道的通用性，在模拟信号输入通道中首先设置取样电阻电路实现I/V转换，将输入信号统一为电压信号。为降低对传感器回路的影响，加入一级跟随电路以提高阻抗，然后再进入线性光耦进行隔离和变换，最后接入主控芯片的ADC输入引脚。光电隔离采用AVAGO公司的HCNR201线性光耦，模拟量输入信号的电路原理如图2所示[4]。

图2 模拟量输入通道电路原理图

图2中左侧Vin输入信号可为0～5 V直流电压或4～20 mA电流环信号，当为电压信号时取消电流—电压转换采样电阻R2。假设输入为电压信号Vin，输出为Vout，则输入输出关系为

Vout=k(R5/R3)Vin

(1)

式中，k为HCNR201线性光耦中的光电二极管PD1和PD2的电流传输增益系数Ipd2/Ipd1，线性光耦制造完成该系数就已固定，典型值为1。

2.2 触摸屏的选型

为便于工作人员了解变电站内情况，通常会在变电站入口处设置数据显示和操作终端。早期常采用自行设计控制板配合液晶模块和按键的方式来实现，由于单次生产数量往往较小，导致其设计和生产成本均较高。本系统选用昆仑通态的嵌入式一体化触摸屏来实现查询、显示等功能，其具备RS-485接口，内置的MCGS组态软件支持MODBUS协议，通过MCGS组态软件可以方便、快速地开发人机界面软件[5]。

3 监测系统软件的开发

3.1 软件功能分析

系统的软件主要分为三部分，一是节点软件设计，包括ARM处理器端的嵌入式系统配置、数据采集和处理、MODBUS通信和GPRS通信模块收发程序等；二是工控机端的系统监控程序；三是触摸屏端的实时查询软件。节点、触摸屏和工控机三者以节点为中心，通过MODBUS协议交换数据。

3.2 节点的软件设计

节点软件设计是本系统研制的关键，采用嵌入式Linux 为操作系统，在配置ADC、串口、I2C和GPIO等相关资源驱动程序的基础上设计各功能模块程序，通过循环调用各模块程序完成各功能，软件流程见图3。

图3 节点软件流程

3.2.1 模拟量数据采集

经模拟信号调理电路后，输入的模拟信号均统一为0～1.85 V，在I.MX280内部ADC可接受的电压范围，经AD读取后获得转换数据。此时读取的数据是无量纲的中间数据，并非实际的测量值。在实际工程中，不同通道接入的传感器的测量范围、单位等不统一，为了简化施工和调试，AD的转换值和实际的测量值之间的标度变换不在节点软件中进行，而是在触摸屏和工控机的组态软件中进行设置，修改和调整会更灵活、方便。考虑到现场可能存在的干扰，在ARM程序中将连续5次读取的数据采用去极值取平均的数字滤波法处理后再存入对应的变量组中，以供MODBUS程序读取。

3.2.2 开关量输入输出

开关量输入输出接口是通过I2C接口扩展的，为增强开关量输入输出配置的灵活性，设置一个16位变量对每个I/O口的方向进行配置，该变量通过MODBUS协议赋值，1代表对应端口设置为输入，0代表设置为输出。通过I2C接口对PCF8575的I/O口进行设置和读取需要进行位到字节的串并互换，以便与MODBUS中的开关量命令匹配。

3.2.3 串行通信

节点之间，节点和触摸屏、工控机之间，节点和GPRS模块之间都是依靠串行通信交换数据，差别在于具体的通信协议不同。Linux系统已经内置了串行通信的底层驱动，因此设计工作变得较为简单，只需先设置对应端口的通信速率、数据格式，然后打开端口，进行以字节为单位的基本收发工作，依据各端口的连接对象分别按各自的通信协议进行处理。

3.2.4 MODBUS协议

MODBUS协议是主从站通信协议，所有主从站的波特率、校验规则等参数应严格一致。MODBUS协议可使用ASCII、RTU两种模式，本设计采用RTU模式。MODBUS作为工业中一个使用较为广泛的通信协议，定义了较为丰富的功能码，本设计中主要是模拟量的读取以及数字量的读取和写入，因此只需使用模拟量、数字量等功能码，相当于MODBUS协议的简化或子集。MODBUS的收发过程是，主机发出命令帧(由站点地址、功能码、数据起始地址和数据数量以及CRC校验码等几部分组成)，处于监听状态的从机监测到命令帧中的地址与本机地址相同时，开始接收其后的功能码等信息，根据功能码及相应的数据读取或设置从站内的相应寄存器等操作。从站根据执行的情况向主站反馈应答信息，即回复包含从站地址、功能码、数据长度、具体数据和CRC校验码等信息的应答帧。根据MODBUS协议的基本要求，将MODBUS协议的执行过程分解为功能码解析和执行、CRC校验码生成和校验等[6]。

3.3 触摸屏和工控机监控软件的开发

触摸屏和工控机上的监控软件均采用MCGS组态软件进行开发，该软件已内置MODBUS协议驱动，能直接与节点进行MODBUS通信。设计时首先设置通信端口参数，定义各类变量并设置各变量的地址、采集间隔、模拟量标度变换的上下限、报警限以及是否存入数据库等，然后进行前端界面的组态以及脚本程序的编写。运行时，底层通信驱动程序定时与节点交换数据并存入数据库；界面上的趋势曲线、数据框、报警提示等按照组态时的规则进行显示；切换到历史数据查询界面时可改变要查询的变量和时间段，显示该时间段的变化曲线等。

4 结语

本文在分析变电站数据监测的功能需求和变电站现有设备的信号形式的基础上，采用嵌入式操作系统Linux、工控组态软件和微控制器等主流成熟技术，根据模块化设计方法研制了变电站数据在线监测系统。该系统具有结构清晰、可靠性高、扩展容易和维护方便等特点，数据既可以通过计算机就地存储和触摸屏显示，也可通过GPRS网络传输实现远程监控，不仅满足了变电站的实时数据采集和设备控制的需求，而且能满足其他无人值守场合的数据采集和控制。

[1]谭建群，欧阳帆，陈宏.智能变电站技术和管理现状分析及发展方向设想[J].湖南电力，2013，33(7)：5-8.

[2]广东致远电子股份有限公司.ARM9嵌入式系统硬件设计指南[EB/OL].[2016-06-18].http://www.zlg.cn.

[3]张露，章国宝.开关柜智能监控装置的设计与实现[J].工业控制计算机，2014，27(1)：39-41.

[4]甄国涌，储俊.一种小信号放大测量电路的设计[J].电测与仪表，2015，52(4)：96-100.

[5]李红萍.工控组态技术及应用[M].北京：西安电子科技大学出版社，2013.

[6]孟飞，单建华，丁晨，等.基于FPGA 和Modbus 协议的通用数据采集装置设计[J].仪表技术与传感器，2014(12)：45-46.

责任编辑：杨子立

An Online Data Monitoring System for Substation

MENG Fei1,WANG Yulong2,CAI Jianwen1,ZHANG Meifeng1,QIAN Rong3,MAO Xinyu1

(1.School of Electrical and Photoelectronic Engineering,Changzhou Institute of Technology,Changzhou 213032;2.Information Central of China North Industries Group Corp,Beijing 100089;3.Jiangsu Jiuchuang Electrical Technology Co.,Ltd.,Changzhou 213164)

The online data monitoring system for substation designed consistes of data acquiring node,touch screen,GPRS module and industry computer,etc..The hardware for data acquiring node uses ARM processor as its core,and the software is based on Linux operating system for function program designing like analog converting,digital input and output,and Modbus protocol,etc..Monitoring programs for the industry computer and touch screen are designed by confiuration software to realize real-time data display,data storage and warning.Parts of the system such as industry computer,touch screen and data acquiring node are connected through Modbus and RS-485 interface.Data communication between data acquiring node and data center is realized by the GPRS module.The system has better expansibility and realibility and can satisfy the multi-channel,varied signal type and wide area data acquiring demands by substations.

substation;online data monitoring system;Linux;Modbus

10．3969/j．issn．1671-0436．2016．05．006

2016- 09- 18

江苏省高校自然科学研究面上项目(13KJD460001)

孟飞(1979— )，男，硕士，讲师。

TM76

A

1671- 0436(2016)05- 0026- 04