智能变电站通信电源远程监控系统设计

摘要：通信电源是智能变电站重要组成部分，需要对通信电源相关内容进行深入研究。本研究以智能变电站通信电源远程监控系统作为研究对象，从MUC角度进行硬件设计，从构架、逻辑两个角度进行软件设计，从测试内容、结果分析两个角度进行系统测试，获得时延极值为0.52s与监控精度保持在99.8%两个测试结果。本研究可为智能变电站提供技术指导，提升通信电源监控质量，保障电力资源的稳定供应，为地区经济健康发展贡献力量。

关键词：智能变电站；通信电源；远程监控；系统设计

DOI：10.12433/zgkjtz.20233433

通信电源运行是否稳定与智能变电站电力资源输出状态有直接关系，是电力系统未来发展主要研究课题。利用远程监控系统，对通信电源做全方位、无死角的全天候监控，可以及时发现通信电源运行问题，通过适当方法进行维修养护，可以有效提升通信电源的运行质量，维持智能变电站电力资源平稳输出。本文参考相关文献，从硬件、软件两个角度系统性研究智能变电站通信电源远程监控系统，并提供相应的系统测试结果，希望可以引起更多智能变电站的关注。

一、智能变电站通信电源远程监控系统软件设计

监控设备是智能变电站通信电源远程监控系统的基础内容，MCU（Microcontroller Unit，微控制单元）会直接影响监控设备的运行效果，负责通信电源信号的实时采集、采集数据传输稳定性等工作。在充分分析智能变电站工作环境后，参考市场的常见中央处理器类似，本文选择使用 MAP320G112单片机，其可以完成数据的瞬时处理，拥有稳定的运行条件，并对与之相关联的硬件做必要惩罚。为满足IO输入端口与其他硬件装置需求，前者数量偏多，如果发生严重的端口漏电情况，会增加MAP320G112单片机的运行消耗。为此，本文将IO输入端口的最大漏电流阈值设定为50nA。又因为通信电源的采集数据具有较高的监控难度，不容易有效捕捉采集数据的细微变化，所以在MAP320G112单片机的基础上，增设采样处理功能模块，可以对采集的电压信号信息、电流信号信息做相应的放大、转换，有效捕捉细微的数据变化。除此之外，还需要一些其他硬件设施，例如，搭载128×64点阵液晶模块，尺寸78mm×70mm的显示器；拥有8路ADC（Analogue to Digital Converter，模拟数字转换器），且具有SPI接口的电能计量装置；额定输入电压为48V的DC－DC，电流传感器、电压传感器、电平转换器等。

在智能变电站通信电源远程监控系统，其他硬件设施与MUC在功能上为并列关系，使用频率较高的硬件设施包括：第一，TTC2230型号的GPRS。对接收的指令做自主解码，降低指令分析与应用的时间成本。第二，ZD－LM2240型号的电压调整装置。根据系统使用需求，对于三段电压做同步调整，减少电压波动对系统运行造成的负面影响。第三，电平转化器。输入电压限制为宽压，但经过电平转化器的消解处理后，可以将输出电压控制在5V左右。第四，电压传感器。额定输入电压为220V，经过消解处理后，可以将输出电压控制在12V左右。如果处于待机状态，电压传感器的功耗仅有0.15W。第五，电流传感器。采集精度可达0.1级，携带10～30Ω的可调节负载电阻。对于电压传感器与电流传感器，可以在－25～70℃的工作条件下稳定运行。由于本文选择的智能变电站通信电源远程监控系统的硬件设施综合配置较高，可以有效提升整个系统的运行稳定性。

二、智能变电站通信电源远程监控系统硬件设计

（一）构架设计

在确认硬件设施设计后，为有效降低智能变电站通信电源远程监控系统的运行时间成本，为软件系统后续调试、设计提供便利条件，本文采用模块化设计，将整个软件系统细化为六个子模块，具体如下：

1.初始化模块

初始化模块负责对系统硬件设备端口、软件系统环境做初始化设置。对于硬件设备端口初始化，涉及输出端口状态参数、芯片寄存器信息等内容的初始化操作。对于软件系统初始化，涉及监控系统工作状态、存储数据信息的初始化操作。在实际应用中，可以根据系统的实际需求选择需要做初始化处理的对象。以初始化数据为例，可以对报警数据、通讯数据等做定向的初始化处理。同时，初始化模块具有独立存在特性，并不和其他子模块产生任何的交互关系，建议先设计系统硬件框架结构，再设计初始化模块，确认初始化模块的功能后，再对其他功能模块展开设计作业。

2.数据管理模块

通信电源运行过程中产生的数据，将由数据管理模块做统计、存储等处理，转发系统生成的指令或非指令信息。需要注意的是，该模块处理的数据是提前进行放大的波形数据。如果需要保存，要将波形数据转化为数字的形式。该模块还负责统计大于预设报警阈值的数据，整理为一个数据包，储存到数据库中，便于后续调用。在系统转发指令时，如果该模块对数据做存储处理，则转发形式为非指令性转发。如果该模块在系统交互过程中，获取目标信息，则转发形式为指令性转发。如果智能变电站建设规模较大，系统记录数据信息较多，数据管理模块自身携带的存储空间可能无法有效记录数据信息，可以考虑建设云端储存系统，将其和系统的数据管理模块进行对接，既可以降低数据管理模块的运行压力，也可以有效降低吸收的运行负荷，真正实现资源高效利用。

3.控制模块

控制模块是整个系统关联众多子模块的重要模块，负责处理任务管理、资源调度等内容。如果控制模块出现工作异常，造成整个系统无法正常运行，可以通过强制关机的方式，启动初始化模块，清除控制系统的内部数据，再启动系统，确认通过对其他模块进行控制反馈情况，分析控制模块具体问题，再开展相应的维修工作。

4.通信模块

通信模块是智能变电站通信电源远程监控系统实现远程监控功能的基础模块，会将软件系统监控捕捉到的信息发送至访问请求端。而操作人员的用户端指令，也要通过通信模块发送至系统上，完成对智能变电站某个位置、某片区域的精准化监控。因为通信模块使用频率相对较高，相比于其他功能模块更容易出现故障，所以在设计通信模块时，要在系统稍外侧位置设置通信模块安装位置，在不影响其他功能模块正常运行的基础上，可以更换通信模块部件，进而提升整个系统的维修养护效率。

5.人机交互模块

人机交互模块为系统与操作人员提供直接对话的便利条件。操作人员根据使用需求，对系统的各项数据进行调用，调整电流、电压等指标的报警阈值，保障系统稳定运行。如果智能变电站考虑引入大数据技术，也可以将大数据技术与人机交互模块进行结合。通过大数据分析系统当前运行情况、可能出现的安全故障，并提供若干解决对策，工作人员可以实现一键控制系统，精准控制各个功能模块，以此提升整个系统的智能水平，降低工作人员的操作门槛。

6.维护模块

维护模块负责对整个系统进行自我检查、功能诊断，并对电流、电压等参数做相应复位处理，确保系统拥有稳定的工作状态。建议维护模块要定期更新优化，准确分析维护模块记录的数据，确保系统运行故障可以在隐患阶段得到有效解决，避免影响系统的正常使用。可以考虑使用通用模块为模板，设计系统的维护模块，为维护模块的功能提供安全保障。

（二）逻辑设计

为确保软件系统的初始化模块稳定运行，其他五个子模块保持紧密关联，需要对软件系统的内部逻辑开展必要的设计。在智能变电站通信电源远程监控系统采集一次监控数据后，由通信模块将超过设定报警阈值的数据，发送到智能变电站的控制中心，并开展下个周期通信电源监控活动。利用这种重复性监控行为，即可对智能变电站的通信电源做7d×24h的实时化监控。

三、智能变电站通信电源远程监控系统实验测试

为对本文设计的智能变电站通信电源远程监控系统做更精准的测试，参考智能变电站通信电源工作环境，在实验室搭建相应的测试环境，做系统安装、白盒、黑盒三种试验。

（一）测试内容

对于系统安装测试，主要分析本文设计的系统是否在不同工作环境下，是否可以达到预期运行效果。我国不同地区的智能变电站，会受到环境、硬件设施、软件系统等诸多因素的叠加影响，通信电源远程监控系统会产生较大的运行差异。要想确保系统拥有一定的普适性，需要开展必要的安装测试。本文设计的系统安全测试，测试重心为内存不足、权限缺失、界面显示。在完成系统安装作业后，要测试各项功能是否可以正常使用。为此，将以Windows8、Windows10、SUSELinux三种安装环境作为测试用例，开展系统的安装测试：白盒测试是测试系统运行情况是否稳定，从而判断系统程序逻辑是否合理。如果系统的程序逻辑存在不合理内容，系统会表现出较长的延时问题；如果出现严重的程序逻辑错误，会引发系统运行bug（程序错误），造成系统死机。在通信电源远程监控系统正式加载到智能变电站前，要开展相应的白盒测试。黑盒测试是测试整个系统的运行效果，通过电源电流、电压的误差以及数据监控精度等内容，判断系统运行是否符合预期设计目标，并不涉及系统程序逻辑的测试内容。

（二）结果分析

对于系统的安装测试，三种安装环境均有完整的界面显示以及创建目录权限，在测试过程中，没有发生内存不足问题，可以证明本文设计的智能变电站通信电源远程监控系统均通过安装测试环节，适用于Windows8、Windows10、SUSELinux等安装环境，具有一定的普适性，可以应用在大多数智能变电站中。白盒测试数据如表1所示。

通过分析表1数据，可以发现目标时延≥0.6s时，系统的最大时延并没有超过目标时延。如果目标时延≤0.5s，系统的最大时延会超过目标时延。出现这种情况，是本文设计的系统硬件结构实际运行速率极值，和目标时延≤0.5s标准差别较大。对于0.5s的目标时延与0.3s的目标时延，系统的最大时延均为0.52s，可以认为，本文设计的智能变电站通信电源远程监控系统时延极值为0.52s。在白盒测试中，尽管系统出现最大时延超过目标时延的情况，但在测试过程中，并没有出现一次死机情况，可以证明系统的程序逻辑没有bug，可以在智能变电站运行环境下正常使用。黑盒测试数据如表2所示。

通过分析表2数据可以发现，本研究设计系统数据监控精度均超过99.8%。尽管在多次测试中，存在一定程度的电源电流误差与电源电压误差，相比于智能变电站通信电源的实际运行数据，可以忽略。出现电源电流误差与电源电压误差是系统的波形信号放大处理过程中发生的信息模糊现象，导致电流、电压部分信息在提取、转化期间生成细微的信息差异。不过，对于整个智能变电站通信电源远程监控系统运行，不会产生过大的负面影响。

四、结语

综上所述，在对智能变电站的通信电源设计远程监控系统时，要详细分析智能变电站运行情况，明确通信电源监控需求。本研究设计了一套内容完善、结构完整的远程监控系统。在系统设计与应用中，要根据智能变电站现有的硬件设施与软件条件，适当优化远程监控系统，以提升监控精度、降低时延极值作为优化方向，保证智能变电站安全运行。

参考文献：

[1]陈丽娟.变电站通信电源综合监控系统的设计[J].光源与照明，2022（11）：134-136.

[2]张天忠，张金锋，王成进，等.智能化变电站中的监控技术应用[J].电子技术（上海），2022，51（10）：151-153.

[3]郭灵丰.变电站直流操作电源监控系统设计[J].内蒙古科技与经济，2022（18）：102-104.

[4]司徒霭玲，雷强.基于无线传感网络的通信电源远程监控系统设计[J].信息与电脑（理论版），2022，34（02）：214-216.

[5]张乐，周体民，温长亮，等.通信电源监控系统运行维护与管理[J].中国新通信，2021，23（08）：41-42.

[6]蒋振宇.变电站通信电源及机房环境监控系统的研究[J].通信电源技术，2020，37（06）：41-43.

作者简介：单联鹏（1987），山东省高密市人，本科，主要研究方向为变电站运维检修。