面向电力设备的一体化智能监控系统

邹丹丹 李沛哲

摘要：本文设计了以STM32处理器为主控制器的多功能电力设备状态监测系统，系统可应用在极端条件环境里对设备运行状态进行监测，也为智能电网的建设提供了底层硬件平台，提供大量有价值的电力系统历史数据。系统综合了嵌入式系统、物联网以及远程控制等技术优势，提高了整个系统的实时性，灵活性和安全性。系统方案简单可靠，模块化设计为日后系统升级提供了极大的空间。人机界面可实现远程操作功能，达到无人值守的效果，极大地节约人力物力。测试结果证明了本系统简单有效，系统对于建设现代化智能电网体系具有重大的意义。

关键词：面向电力设备；一体化智能监控系统；设计

中图分类号：TM507文献标识码：A文章编号：2095-3178（2018）19-0380-01

1一体化智能监控系统概述

一体化智能系统应使电力系统具备可视化监控、巡检和调度，

因此，系统应具备如下功能：对仪表进行远程监控及对热点测量和报警的功能，运行操作队、监控中心、应急指挥中心等相关部门利用该系统对电力系统可以远程实时图像监控、远程故障和意外情况告警接收处理；系统可以根据指令完成对指定目标的监控，对操作后的设备状态进行检查，代替人工现场校核，实现辅助运行人员倒闸操作；对所有目标按照程序指令自动巡检或按人员指令对特定设备巡视；对于进入电力系统设备场区、控制设备核心区的外来人或物、场区发出的异常声光能够报警及跟踪拍录。

2总体设计方案

本系统以STM32F103芯片为核心的微处理器模块，在模块化设

计的方法上结合了数据采集模块、通信模块和上位机模块。电力系统监控终端由微处理器模块、数据采集模块构成。系统主程序中循环检测SPI端口，数据采集模块ATT7022E将采集的电网状态实时数据通过SPI接口送到微处理器的FLASH存储器中。为了方便传输，还需要将数据通过通信模块内置的TCP/IP传输子程序打包成数据帧。上位机与通信模块之间先建立数据传输连接，这个过程分为数据通道的连接过程和数据传输过程。上位机接收数据完成后，通过显示界面将电力数据显示在显示界面上。

3系统硬件设计

系统硬件主要包括4个模块电路：负责数据收集与处理的微处

理器模块、采集电网实时数据的数据采集模块ATT7022E、实现网络连接和数据传输的通信模块以及人机交互的上位机模块。

3.1微处理器模块

系统采用具有高精度、高集成度的STM32F103处理器，其核心

是ARMCortex-M3内核，该内核产品是一种面向数据信号处理的高级微控制器。STM32F103同时还具备低功耗、成本低操作简单等特点。此外，STM32F103还集成了256KB的Flash存储器以及64KB的高速静态RAM，Flash存储器用来存放系统文件以及一些缓存数据，当Flash存满时系统会自动调用高速静态RAM。STM32F103除了具有高达72MHz的时钟频率，还增加了丰富的外设接口，如SPI接口、同步通信数据接口UTRA等。

3.2电能计量模塊

电能计量模块主要用来统计电网实时参数。本系统硬件上采用

ATT7022E芯片作为电能参数采集的主要芯片，ATT7022E是一款高精度且功能强的多功能防窃电三相电能专用计量芯片，ATT7022E内部还包括电能参数统计算法，因此只需把外围电路搭载好即可，主程序中直接进行相关数据存储读写，简单快捷。

ATT7022E与微处理器STM32F103之间通过SPI接口进行数据交换。在本监控系统中数据主要从电能计量模块传到主控芯片中。SPI接口含有4根线，分别是片选信号CS、时钟信号SCLK、数据输入DIN、数据输出DOUT。

3.3通信模块

本系统采用GPRS传输方式，它的优势在于可以永久在线连接、

快速的数据存储功能以及数据下载功能，硬件方面采用SIM900A芯片，SIM900A内置TCP/IP协议，不仅能实现快速数据传输，同时也节约了微处理器的资源调用，是一款性价比非常高的通信芯片。MAX232是标准串口RS232下的电平转换接口，工作电压+5V。当用单片机和GPRS模块通过串口进行通信时，尽管单片机有串行通信的功能，但单片机提供的信号电平和RS232的标准不一样，SIM900A不支持RS232电平，只支持CMOS电平。

4系统软件设计

4.1程序总体设计

软件从实用性考虑，采用模块化设计，主程序主要对各个模块之间进行合理协调。系统上电后，先对系统进行初始化，设置主机IP地址，端口号，进入主程序之后先循环检测通信接口有数据接收，这里设定定时器的初值，确定循环检测的周期。如果端口检测到有数据从采样模块传过来，先设定微处理器内部的存储器地址初值，确定数据读写存储位置。主程序调用读/写子函数将数据传入存储器中。

4.2采样模块的数据读写

采样模块ATT7022E主要通过SPI接口来与微处理器进行数据交

换。当ATT7022E与主控芯片通过SPI建立好通信模式后，此时片选信号CS为高，当CS被拉低时，先向寄存器中写入1个字节的地址，ATT7022E在SCLK的下一个下降沿时开始转移寄存器中的数据，共3个字节。5实验结果

5.1编译环境搭建

系统采用KeilUvision4作为整个编译环境，先设置编译环境，

通过下载线将应用程序拷贝到单片机中，然后进行串口测试，测试成功后进行主程序设计。

为使得监控终端能够24h始终保持对电力设备运行状态的监控状态，设备须每隔30s发送一次监控数据。上位机界面也要定时刷新界面，这样才能实现实时监控的目的。本监控系统实际使用之前，必须先用TCP&UDP;测试工具对硬件终端进行本地通信测试，先设置IP地址、端口号，并发送测试数据。

5.2上位机界面显示

本系统可以测量三相电压、三相电流、三相有功功率、三相无

功功率和三相功率因素等电能参数。先登陆服务器IP172.25.78.201，端口号为9001，上位机与监控终端的通信模块连接后，部分召测数据截图如图1所示。

从图1可以看出各相电压标准有效值为220V，电流有效值为

1.5A，功率因素为1（没有功率损耗）。经计算，有功功率P=UIcosθ，有功功率有效值为330W，由于忽略功率损耗，无功功率为0。从图10可以看出三相电压实时召测数据基本无误，各相电流召测值也与有效值误差不大，此误差经计算（1.5-1.49）÷1.5×100%=0.67%，误差在1%以内，基本可以忽略不计。有功功率的实时召测值为329、331、329W，（330-329）÷330×100%=±0.3%，因此其有功功率的测量误差在0.5%以内。各相功率因素都是0.999，

近似1，因此误差很小。

结束语

为了维持偏远地区的电力设备的安全稳定的运行，需要对其运行状态进行监控。文中设计了一种以STM32F103为微处理器的远程通信系统，系统搭载了电能计量芯片、远程通信模块以及存储器模块等外设模块。系统采用SIM900A芯片作为通信芯片，电能计量芯片采用ATT7022E，ATT7022E内置的电能参数统计算法简化了程序。

参考文献

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