基于STM32的变电站辅助监控系统的设计

朱荣俊，宋吉江，蔡富东，邱 兰

(1.山东理工大学 电气与电子工程学院, 山东 淄博 255049； 2.山东信通电子股份有限公司, 山东 淄博 255088)

基于STM32的变电站辅助监控系统的设计

朱荣俊1，宋吉江1，蔡富东2，邱 兰1

(1.山东理工大学 电气与电子工程学院, 山东 淄博 255049； 2.山东信通电子股份有限公司, 山东 淄博 255088)

以STM32单片机作为主控制芯片，设计了变电站辅助监控系统.实现了对变电站运行环境变量的精确测量与控制、对变电站多路状态参量的检测，以及对安防、视频监控等远程控制；并通过串口实时与监控中心握手通讯，达到对变电站辅助监控系统全面的信号采集与控制.给出了系统的控制原理、硬件电路原理图、软件流程图、工程应用效果分析.

变电站辅助监控系统；STM32F103；站端采集系统；动力环境采集与控制

从20世纪90年代以来，我国开始发展无人值守变电站，但是智能化水平相对不高，研究最初集中在单系统的控制方面，主要是环境温、湿度的采集控制.随着科技的进步，逐渐引入了视频监控、安防、消防等子系统.然而各个模块之间相对独立，数据交互相对较少，每套模块都有单独的控制系统，效率较低[1-4].随着智能电网的推进，越来越多的学者投入到对智能变电站的研究当中，研究多集中在变电站的上位机软件设计及引入新监控设备的应用方面[5-10]，软件设计内容及界面比较简单，监控设备功能相对单一，本文设计的变电站辅助监控系统实现了监控单元与监控主机之间的数据交互，本设计参照山东信通电子股份有限公司以往产品在变电站内的使用情况，去掉了一些用途不明显的功能，优化了程序算法，降低了硬件成本及系统能耗，提高了数据采集的速度，增强了系统的扩展性，丰富了变电站的检测内容，进一步推进了变电站向智能化发展的步伐.

1 系统总体设计

一座变电站根据规模大小，可配置数量不同的变电站监控模块.多个监控模块通过串口485与串口服务器连接，串口服务器通过RJ45网络与监控主机进行远程联接.

1.1 系统功能设计

系统功能有：(1)对变电站运行环境的温、湿度的实时采集。(2)对安防、门禁、六氟化硫、消防、浸水等系统24路状态量的检测.(3)对变电站运行环境温、湿度的主动控制，移动视频的控制，智能灯光照明、警号、警灯、喊话等控制.(4)通过串口485实时与监控中心握手通讯，达到对变电站辅助监控系统全面的信号采集与控制. (5)现场检测设备有较高的灵敏度、可靠性、抗干扰能力.测温范围0～80℃；测温精度：±0.5℃；测湿范围0～100% RH；测湿精度：±2.5%RH.，变电站系统结构如图1所示.

图 1 变电站系统结构图

1.2 系统组成及工作原理

1.2.1 系统的组成

智能变电站端信息采集控制系统以意法半导体公司的STM32F103 ARM芯片为核心，采用温湿度测量、开关量的状态采集、GPIO的输出控制及驱动、串口485通讯、输入输出光电隔离等技术，以温湿度传感器、电缆沟浸水传感器为测量元件，以室内环境温湿度、电缆沟浸水为控制目标对风机、空调、水泵、除湿机等设备进行设定目标控制.系统可分为时钟电路、电源供电电路、模拟量采集电路、开关量采集电路、温湿度和室内浸水的控制电路、串口485通讯等电路.选用的主要器件有STM32F103VET6控制芯片、温湿度传感器、风机、空调、除湿机、水泵、警号、警灯、喊话设备、串口服务器、网络服务器、远程监控主机、电子围栏、门禁、六氟化硫、烟感、红外双鉴、红外对射、移动物体侦测器、消防系统等.

1.2.2 系统工作原理

本系统以STM32F103VET6芯片为控制核心，进行数据状态量和模拟量的采集、相应控制量的控制；按照设计的串口通讯协议指令进行数据的采集、数据存储、打包处理、校验及传送；实时采集变电站的24路状态量(报送给上位机进行事件的处理)；采集各个环境室内的温湿度、浸水等信息，如果产生报警信号，则对风机、空调、除湿机、水泵等进行控制；采集电子围栏等安防信息，进行智能照明、警号警灯、喊话、智能视频开启控制等.在整个系统中，采用uC/OS II操作系统，进行多任务的调度处理，A/D采集数据用DMA进行数据的搬移，整个系统采用C语言编程.

2 系统硬件设计

2.1 时钟电路

STM32有三种不同的时钟源，包括HSI振荡器时钟、HSE振荡器时钟、PLL时钟，可被用来驱动系统时钟(SYSCLK)，本设计选用8M外部高速晶振和32.768K低速晶振，用PLL锁相环来为系统提供时钟，系统时钟为16M.

2.2 供电电源设计

STM32F103控制芯片所需的电源为3.3V，选用的芯片为AMS1117-3.3，如图2所示.A/D采集参考电压为2.5V，如图3所示，选用的芯片为MAX6025.

图2 控制芯片所需的电源

图 3 A/D采集参考电压

2.3 A/D采集电路设计

A/D采集电路，AIn7为传感器信号的输入端，考虑到传感器的兼容性及日后应用的通用性，设计了可以采集电流型及电压型两种传感器输入信号，如图4所示.

被试是246名来自贵州省贵阳市、铜仁市、黔东南和黔南地区4所高师院校数学与应用数学专业（师范）学生，其中，男生和女生分别占比48.8%和51.2%，汉族学生占比63%，其余为苗族、侗族、土家族等少数民族学生．测试前，被试正值大三下学期期末，已学完有关数学教育教学的理论知识，并接受微格教学训练，即将进入实习．

图4 A/D采集电路

2.4 开关量采集电路设计

包括：GIS变压器柜的六氟化硫泄漏检测、烟感、火灾、消防、电子围栏、红外双鉴、红外对射、门禁开关信号、空调、风机、除湿机、水泵、手动按钮、远程手动开关、预案自动控制开关等状态量的检测.开关量的采集电路如图5所示.状态量的输入高电平时有效.

图5 开关量采集电路

2.5 输出控制量电路设计

输出进行光电隔离，当STM32的GPIO输出为低电平时，ULN2003的输入信号为高，输出为低电平时有效，外部的驱动设备接高电平，高电平与设备间有保险丝，低电平处接ULN2003的输出脚.本次设计的输出共8路，如图6为单路的驱动电路示意图.

图6 输出控制量的电路

2.6 串口485通讯电路的设计

用STM32F103的串口1的发送和接收端口分别于与485通讯模块SP3485的4和1连接，用PA8控制485端口的数据收发。接线图如图7所示。

图7 串口485通讯电路图

3 系统软件设计

系统软件主要分为模拟量的采集模块，开关量的采集模块，协议处理模块，控制量的输出模块等四部分，总体的流程图如图8所示.

图8 系统流程图

3.1 模拟量采集模块

通过STM32F103的A/D采集温湿度的值，进行超限值判断，超限的丢弃，符合要求的留着，进行冒泡法排序，然后进行中值滤波，得到的值先不进行温度显示转换，直接存储等待发送，监控主机进行数据显示的处理.如图9所示.

图9 模拟量采集流程图

3.2 开关量采集模块

开关量采集模块的任务开始后，始终在判断状态变化的标志位，状态有变化时，读取GPIO的输入信号，进行数据存储并等待监控主机读取开关量的信息；如果状态标志位没有变化，直接存储数据并等待发送.开关量采集流程图如图10所示.

图10 开关量采集流程图

3.3 控制任务输出模块

接收到监控主机指令后，进行判断，输出相应的控制指令.控制任务流程图如图11所示.

图11 控制任务流程图

变电站端采集模块也就是监控单元，将采集到的开关量状态信息和温湿度等模拟量信息送给监控主机，监控主机进行判断输出相应的控制指令.如果判断到有人入侵或非法进入变电站设定的区域，监控主机将发送指令给监控单元，输出控制指令，打开警号警灯，并进行智能视频的开启，同时监控主机发出报警信号，提示管理员查看，远程管理员可以通过视频查看相应的报警信息；如果监控到变电站室内温湿度升高，超过设定的限值，将发送相应的指令给变电站监控单元，打开相应的风机、空调、除湿机等；如果检测到电缆沟或室内浸水，监控单元将根据指令，开启水泵进行抽水，并打开相应的视频以便管理人员进行查看.

3.4 协议处理任务模块

为了完成变电站监控模块与监控主机之间能稳定可靠的通讯，需要对数据进行加工转换，以十六进制—ASCII的形式进行传送.它描述了监控主机与监控单元之间通过串行通讯接口进行命令控制和数据交换的格式和内容，适用于对环境监控、串口扩展、电池监控、电缆及配线架等SM监控的现场参数设置、功能测试和数据监测.采用串行通讯接口RS485，通讯方式为半双工模式，所有动作指令的发起方为监控主机.协议流程图如图12所示.

图12 协议处理的流程图

协议处理是一级级进行验证的，如果其中一级出现CRC错误，都将丢弃本次指令，等待新的接收指令.直到指令校验完全通过，监控单元根据指令信息，将采集到的数据进行打包处理，完成后将数据信息发送回监控主机.

4 工程应用

系统应用表明，能够实现监控主机与监控单元之间的指令交换、数据采集等控制，满足设计要求.能够采集24路开关量，8路模拟量，能够进行8路控制量的电平、脉冲控制；变电站规模较大时，能够进行采集模块的扩展.变电站周围各种状态量的监控如图13所示.开关室的温度曲线如图14所示，湿度曲线如图15所示.从一段时间的运行情况来看，设备发出的警报信息较多，远程管理人员需要手动进行警报信息的查看、处理，工作量较大，下一步将提高产生警报信息的阈值，同时引入警报信息的智能判断，提高整个系统的运行效率和准确性.

图13 变电站状态量检测图

图14 开关室的温度曲线

图15 开关室的湿度曲线图

5 结束语

变电站辅助监控系统克服了现有系统功能相对单一的问题，从硬件和软件方面整合了各种信息量之间的联动关系，该控制系统能够准确采集变电站各种环境信息，实现相关的联动控制，及时发出警报信息供管理人员查看.实现了变电站辅助监控系统全面的信号采集与控制.

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[2]崔路. 浅析智能变电站辅助综合监控系统[J]. 科技创新与应用，2016(13):178.

[3]王震，李洁，李鲁燕. 智能变电站技术研究综述[J]. 中小企业管理与科技，2015(11):255.

[4] 黎志强，田翔，郭燚，等. 基于EMS的智能辅助系统研究及应用[J]. 机电工程技术，2013，42(9):60-63.

[5]苏志华.变配电室运行环境控制和在线监测系统的研发与应用[D]. 北京：华北电力大学，2015.

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[7] 周铭骏.变电站自动化综合智能监控系统设计与应用[D]. 成都：电子科技大学，2014.

[8] 王鹏.董家500kV变电站智能辅助控制系统的研究设计[D]. 北京：华北电力大学，2015.

[9] 金洁.基于大数据架构的智能变电站辅助系统规划研究[D]. 北京：华北电力大学，2015.

[10]唐继朋.110千伏变电站智能辅助控制系统与消防控制系统整合方案的研究[D]. 天津：天津大学，2014.

(编辑：刘宝江)

The design of auxiliary monitoring and control system for substation based on STM32

ZHU Rong-jun1，SONG Ji-jiang1，CAI Fu-dong2，QIU Lan1

(1.School of Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Technology,Zibo 255049, China; 2.Shandong Senter Electronic Company Limited, Zibo 255088, China)

The paper designs the intelligent auxiliary monitoring and control system for the substation by using the STM32 microcontroller as the main chip. It can accurately measure and control the substation operation environment, and can complete multi-channel state parameters detection of the substation, and achieve the security, video monitoring, remote control and so on. It can exchange the data information with the monitoring center by using serial port, to achieve comprehensive signal acquisition and control of substation′s auxiliary monitoring system .The paper gives the system′s control principle, hardware circuit principle diagram, software flow chart and engineering application effect analysis.

substation′s auxiliary monitoring systems; STM32F103; substation′s detection system; dynamic environment acquisition and control

2016-11-24

朱荣俊，男，120380367@qq.com； 通信作者： 宋吉江，男，songniu@sdut.edu.cn

1672-6197(2017)06-0029-05

TM

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