本文介紹的10kV智能箱式變電站遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)是由西安科技大學(xué)田輝設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)完成。該系統(tǒng)以某高校學(xué)生公寓 10kV 智能箱變?cè)O(shè)計(jì)為工程背景，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的 10kV 智能箱變系統(tǒng)。系統(tǒng)由感知層、通訊層和應(yīng)用層3部分組成。感知層負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)采集并傳送至現(xiàn)場(chǎng)控制器。包括微機(jī)保護(hù)裝置、智能網(wǎng)絡(luò)電表和智能無(wú)功補(bǔ)償控制器等二次系統(tǒng)設(shè)備，以及溫濕度、煙霧、水浸傳感器等環(huán)境檢測(cè)設(shè)備。現(xiàn)場(chǎng)控制器選用 STM32嵌入式微處理器，包括 LCD 顯示屏.語(yǔ)音報(bào)警模塊、繼電器和 GPRS通信模塊等；通信層選用 GPRS 無(wú)線(xiàn)通信，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)控制器與云平臺(tái)之間數(shù)據(jù)的雙向傳輸；應(yīng)用層在機(jī)智云平臺(tái)開(kāi)發(fā)箱變遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)和手機(jī)APP，負(fù)責(zé)箱變運(yùn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析和處理等。本系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)了用戶(hù)通過(guò)電腦WEB 或手機(jī) APP 遠(yuǎn)程監(jiān)控箱變溫濕度、煙霧報(bào)警和基坑積水等環(huán)境參數(shù)，以及電流、電壓、頻率和功率因數(shù)等電氣參數(shù)和設(shè)備工作狀態(tài)等功能。當(dāng)箱變運(yùn)行出現(xiàn)異?；蚬收希O(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)判斷故障等級(jí)，并通過(guò)箱變現(xiàn)場(chǎng)整鈴、手機(jī) APP、短信和電話(huà)等不同組合方式報(bào)警，通知相關(guān)工作人員及時(shí)排除故障隱患，預(yù)防電氣事故的發(fā)生。適用于箱變和配電室的遠(yuǎn)程監(jiān)控和集中管理，可以大幅度提高于學(xué)校、企業(yè)、小區(qū)的配電設(shè)備的智能化水平和供電安全可靠性。

(資料圖片僅供參考)

01

引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和配電網(wǎng)的建設(shè)發(fā)展，10kV箱變?cè)絹?lái)越多。傳統(tǒng)的10kV箱變一般采用無(wú)人值守，人工定期巡檢的運(yùn)行方式，智能化程度低，缺少環(huán)境和設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障報(bào)警系統(tǒng)。目前，智能傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、通信技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展和成本的降低，基于物聯(lián)網(wǎng)的10kV智能箱式變電站成為傳統(tǒng)箱變升級(jí)改造的最優(yōu)選擇。

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能箱式變電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控箱變環(huán)境、設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)。如圖1所示。用戶(hù)可以隨時(shí)通過(guò)電腦或手機(jī)APP遠(yuǎn)程監(jiān)控箱變溫濕度、煙霧報(bào)警、基坑積水等環(huán)境參數(shù)，以及電流、電壓、頻率、功率因數(shù)等電氣參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)。當(dāng)箱變運(yùn)行出現(xiàn)異?；蚬收希O(jiān)控系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)根據(jù)故障等級(jí)，通過(guò)手機(jī)APP、短信和電話(huà)的不同方式報(bào)警通知相關(guān)工作人員，以便及時(shí)排除故障隱患，預(yù)防電氣事故的發(fā)生。

圖 1 基于物聯(lián)網(wǎng)的 10kV 智能箱式變電站

該智能箱式變電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由箱變內(nèi)的“現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)局域網(wǎng)”和箱變外的“云平臺(tái)廣域網(wǎng)”組成。其結(jié)構(gòu)模式可應(yīng)用于二次供水設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、居民用電收費(fèi)管理系統(tǒng)和電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)等設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，提高傳統(tǒng)設(shè)備的智能化水平和管理水平，促進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

02

系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能箱式變電站設(shè)計(jì)以某高校學(xué)生公寓 10kV 智能箱變?cè)O(shè)計(jì)為工程背景。10kV 智能箱變一次系統(tǒng)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng) 10kV 箱變相同，且趨于成熟。本文側(cè)重于 10kV 智能箱變智能化設(shè)計(jì)，下面簡(jiǎn)單概述10kV 智能箱變一次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容。

2.1 10kV 智能箱式變電站一次系統(tǒng)設(shè)計(jì)

某高校 5 號(hào)學(xué)生公寓樓用電負(fù)荷主要為照明、電腦和新增空調(diào)負(fù)荷，其中每間宿舍按照 8 人計(jì)算，照明負(fù)荷 100W，每臺(tái)學(xué)生電腦負(fù)荷 200W，每臺(tái) 1.5P 分體式掛機(jī)新裝空調(diào)功率1.3kW，單間宿舍負(fù)荷 3.0kW。根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》，集體宿舍用電負(fù)荷需要系數(shù)取 0.7，功率因數(shù)取 0.8。5 號(hào)學(xué)生公寓用電負(fù)荷計(jì)算表如表1 所示。

表 1 某高校 5 號(hào)學(xué)生公寓樓負(fù)荷統(tǒng)計(jì)計(jì)算表

考慮未來(lái)學(xué)生公寓用電負(fù)載的增加，變壓器需要預(yù)留一定的裕度，選擇容量為1000kVA 的變壓器。綜合考慮到變壓器的初期投資成本和運(yùn)行成本，以及國(guó)家節(jié)能減排政策要求，為此選用低損耗全密封油浸式變壓器S13-M-1000/10-0.4，它的主要技術(shù)參數(shù)如表 2 所示。

表 2 油浸式變壓器 S13-M-1000/10-0.4 型主要技術(shù)參數(shù)

在負(fù)荷統(tǒng)計(jì)計(jì)算、短路計(jì)算、動(dòng)穩(wěn)定性校驗(yàn)和熱穩(wěn)定性校驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行箱變一次系統(tǒng)主要設(shè)備的選型。一次系統(tǒng)主要設(shè)備的具體型號(hào)和技術(shù)參數(shù)如表 3，表4，表5 和表6 所示。

表3 某高校學(xué)生公寓樓箱變電流互感器參數(shù)

表4 戶(hù)內(nèi)交流高壓真空斷路器 ZN63-12 型主要參數(shù)表5 低壓總開(kāi)關(guān) DW15-1600 主要技術(shù)參數(shù)表6 高低壓各回路隔離開(kāi)關(guān)型號(hào)一覽表根據(jù) 5 號(hào)學(xué)生公寓工程箱變?cè)O(shè)計(jì)要求和一次系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算，設(shè)計(jì)的 5 號(hào)學(xué)生公寓箱變一次系統(tǒng)主接線(xiàn)圖如圖2所示。圖2某高校學(xué)生公寓箱變一次系統(tǒng)主接線(xiàn)圖

2.2 10kV 箱變智能化設(shè)計(jì)方案針對(duì) 10kV 傳統(tǒng)箱變的設(shè)計(jì)缺陷和運(yùn)行管理中存在的問(wèn)題，解決問(wèn)題的關(guān)鍵在于構(gòu)建了智能化箱變環(huán)境與設(shè)備的檢測(cè)、遠(yuǎn)程監(jiān)控和報(bào)警的閉環(huán)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)具有運(yùn)行環(huán)境和電氣設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的智能箱變系統(tǒng)，能夠采集和監(jiān)控箱變門(mén)禁、環(huán)境溫濕度、煙霧報(bào)警、電纜溝積水等環(huán)境參數(shù)，以及電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、電纜溫度、變壓器器身溫度和瓦斯報(bào)警信號(hào)等設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，遠(yuǎn)程控制排風(fēng)扇、微機(jī)保護(hù)裝置和斷路器開(kāi)關(guān)。系統(tǒng)采用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)普遍使用的具有通信功能的智能儀表和智能傳感器，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通信將采集的數(shù)據(jù)傳送至現(xiàn)場(chǎng)控制器，現(xiàn)場(chǎng)控制器通過(guò)無(wú)線(xiàn)或有線(xiàn)通訊模塊將數(shù)據(jù)傳給服務(wù)器或云端上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙信和遙控等功能。基于物聯(lián)網(wǎng)的智能箱變遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)圖如圖3 所示。圖3 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能箱變遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)圖

基于物聯(lián)網(wǎng)的 10kV 智能箱變遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，選用具有數(shù)字雙向通訊功能的智能儀表和傳感器，并統(tǒng)一采用標(biāo)準(zhǔn) RS485總線(xiàn)接口和 Modbus-RTU 通信協(xié)議。基于物聯(lián)網(wǎng)的智能箱變遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由感知層、通訊層和應(yīng)用層 3 部分組成。

*感知層：通過(guò)各種智能儀表、智能傳感器采集箱變的各項(xiàng)環(huán)境、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和設(shè)備工作狀態(tài)，通過(guò) RS485 總線(xiàn)將數(shù)據(jù)傳送至現(xiàn)場(chǎng)控制器，現(xiàn)場(chǎng)控制器內(nèi)置操作系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算、處理和控制等功能。

*通訊層：該層是數(shù)據(jù)傳遞與交換的銜接和紐帶，負(fù)責(zé)云平臺(tái)與現(xiàn)場(chǎng)控制器之間數(shù)據(jù)的雙向傳輸。根據(jù)箱變實(shí)際通訊條件，可選擇有線(xiàn)光纜、以太網(wǎng)或無(wú)線(xiàn) GPRS 等多種通信方式將數(shù)據(jù)傳送至云平臺(tái)。

*應(yīng)用層：在云平臺(tái)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)箱變遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，負(fù)責(zé)歷史數(shù)據(jù)的收發(fā)和處理、箱變運(yùn)行參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和事件運(yùn)行數(shù)據(jù)的記錄存儲(chǔ)、分析等工作。并在云平臺(tái)開(kāi)發(fā) WEB和手機(jī) APP，值班電工可以通過(guò)電腦或手機(jī) APP 隨時(shí)監(jiān)控箱變運(yùn)行數(shù)據(jù)和設(shè)備工作狀態(tài)。

03

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 箱變現(xiàn)場(chǎng) RS485 總線(xiàn)局域網(wǎng)

隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步和成本的降低，針對(duì)傳統(tǒng)箱變現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息傳送的缺點(diǎn)和問(wèn)題，許多檢測(cè)儀表、傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)都內(nèi)置了微處理器，可以完成 AD\DA 轉(zhuǎn)化、線(xiàn)性化和數(shù)字濾波等功能。這些數(shù)字化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備內(nèi)部增加一個(gè)串行通信數(shù)據(jù)接口，使用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議就能實(shí)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的串行雙向通信。目前主要使用的工業(yè)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)如表 7 所示。

表7 工業(yè)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型

本智能箱變遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一是選用具有數(shù)字雙向通訊功能的智能儀表和傳感器，并采用標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的總線(xiàn)接口和通信協(xié)議。從 5 號(hào)學(xué)生公寓 10kV 智能箱變?cè)O(shè)計(jì)的工程實(shí)際出發(fā)，選擇智能傳感器普遍支持的 RS485 總線(xiàn)和 Modbus-RTU通信協(xié)議。

根據(jù)某高校學(xué)生公寓箱變一次系統(tǒng)主接線(xiàn)圖和 10kV 智能箱變遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)以箱變現(xiàn)場(chǎng)控制器為核心，由微機(jī)綜合保護(hù)裝置、智能網(wǎng)絡(luò)電表和智能無(wú)功補(bǔ)償器等二次系統(tǒng)設(shè)備，以及溫濕度煙霧傳感器、PT100 溫度傳感器和水侵傳感器等環(huán)境檢測(cè)傳感器組成箱變現(xiàn)場(chǎng) RS485 總線(xiàn)局域網(wǎng)。箱變 RS485 總線(xiàn)局域網(wǎng)系統(tǒng)圖如圖4所示。

圖4 箱變現(xiàn)場(chǎng) RS485 總線(xiàn)局域網(wǎng)系統(tǒng)圖

（1）RS485 串行通信總線(xiàn)

RS485總線(xiàn)通訊模式為主從方式，由主設(shè)備輪詢(xún)各從設(shè)備進(jìn)行通訊，可以一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)，構(gòu)成分布式系統(tǒng)。RS485接口是廣泛應(yīng)用的低速串行接口，RS485接口具有以下特點(diǎn)：

*RS485接口。RS485接口通信采用差分傳輸方式，以及具有平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，用纜線(xiàn)兩端的電壓差值傳遞信號(hào)，大大增強(qiáng)了抗共模干擾和抗噪聲干擾能力。

* RS485總線(xiàn)傳輸速率高且傳輸距離遠(yuǎn)。最大傳輸距離約1200米，最大傳輸速率10Mbps；其的傳輸速率與傳輸距離成反比，20kbps速率以下時(shí)能達(dá)到最大傳輸距離。* 支持節(jié)點(diǎn)多。一般情況下，一個(gè)RS485總線(xiàn)回路理論上可支持247個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)。

（2）Modbus-RTU 串行通訊協(xié)議

Modbus 協(xié)議應(yīng)用于工業(yè)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)協(xié)議控制器和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備遵循統(tǒng)一的協(xié)議就可以組成工業(yè)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。該協(xié)議為主從結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)主節(jié)點(diǎn)，其他為從節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)從節(jié)點(diǎn)有一個(gè)唯一的設(shè)備地址。在串行總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中，主節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)一個(gè)命令，所有從設(shè)備都會(huì)收到該命令，Modbus 命令中包含了執(zhí)行該命令的從設(shè)備地址，主設(shè)備指定的從設(shè)備先回應(yīng)再執(zhí)行指令。Modbus 命令中有檢查碼，以確定到達(dá)的命令沒(méi)有被破壞。Modbus 命令可以指令 RTU 改變它的寄存器數(shù)值，讀取或控制 I/O 端口，命令設(shè)備回傳一個(gè)或多個(gè)寄存器數(shù)據(jù)。

Modbus 包括 ASCII、RTU 和 TCP 三種報(bào)文類(lèi)型。ASCII傳輸模式，，LRC 校驗(yàn)，傳輸效率低，但是直觀、簡(jiǎn)單、易調(diào)試。RTU傳輸模式，采用 CRC 校驗(yàn)，傳輸效率高，比 ASCII 稍微復(fù)雜。一般來(lái)說(shuō)，如果所需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較小可以考慮使用 ASCII 協(xié)議；所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比較大，最好能使用 RT U 協(xié)議。為此，本系統(tǒng)的智能儀表和傳感器統(tǒng)一選用 Modbus-RTU 通信模式。

3.2箱變現(xiàn)場(chǎng)控制器硬件設(shè)計(jì)

箱變現(xiàn)場(chǎng)控制器由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成。嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心、軟硬件可裁剪，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)化、智能化和遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，主要由嵌入式微處理器、相關(guān)硬件、嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件系統(tǒng)等組成。嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)如表8所示。

表8 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)本智能箱變現(xiàn)場(chǎng)控制器就是嵌入式系統(tǒng)，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖5所示

圖5 智能箱變現(xiàn)場(chǎng)控制器系統(tǒng)框圖

（1）STM32 微處理器最小系統(tǒng)

嵌入式微處理器最小系統(tǒng)包括嵌入式微處理器、復(fù)位電路和調(diào)試電路。時(shí)鐘電路提供所需的外部時(shí)鐘信號(hào)，復(fù)位電路提供統(tǒng)一的初始狀態(tài)，調(diào)試電路提供程序下載和調(diào)試的接口。

* 嵌入式微處理器。根據(jù) 10kV 智能箱變遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制器性能的要求，本系統(tǒng)選擇 STM32F103ZET6 芯片作為現(xiàn)場(chǎng)控制器核心微處理器。STM32F103ZET6 嵌入式微處理器， MCU集成度高、功耗低、性?xún)r(jià)比高，適用于工業(yè)醫(yī)療領(lǐng)域的各種應(yīng)用需求，能夠滿(mǎn)足本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)性處理的要求。

* 晶振電路。晶振電路給微處理器提供固定的頻率脈沖，使微處理器正常運(yùn)行。STM32 微處理器有兩個(gè)晶振，8MHz 的晶振提供外部高速時(shí)鐘，32.768KHz 晶振提供外部低速時(shí)鐘。晶振電路圖如圖6所示。

圖6 晶振電路圖* 復(fù)位電路。微處理器復(fù)位電路的作用是重啟系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)按下復(fù)位健可以重啟設(shè)備，一般復(fù)位電路使用低電平信號(hào)重啟。本系統(tǒng)復(fù)位電路如圖 7所示。圖7 復(fù)位電路圖

（2）電源電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用額定電壓為 12V（2A）的直流外部電源，選擇 USB接口的直流 5V（2A）電源適配器為現(xiàn)場(chǎng)控制器供電。12V 直流電源接入控制板，通過(guò) LM2596S 降壓模塊，將直流 12V 電源降壓得到直流 5V 電源。5V 電壓再通過(guò) AMS1117-3.3V 穩(wěn)壓芯片得到 3.3V 電壓給 STM32 芯片供電。LM2596S 及AMS1117-3.3V 電源穩(wěn)壓電路圖如圖 8所示。

圖8 LM2596S 及 AMS1117-3.3V 穩(wěn)壓電路圖

（3）RS485 接口轉(zhuǎn) TTL 模塊

RS485 接口轉(zhuǎn) TTL 模塊實(shí)現(xiàn)了 RS485 信號(hào)與 TTL 信號(hào)的雙向轉(zhuǎn)化和通信，但信號(hào)必須輪流交替執(zhí)行，不能同時(shí)在兩個(gè)方向上進(jìn)行。所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備均使用該模塊與單片機(jī)連接，接線(xiàn)圖如圖 9所示。

圖9 RS485 轉(zhuǎn) TTL 模塊接線(xiàn)圖

（4）LCD 顯示模塊

由于箱變遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制器需要顯示的數(shù)字和字符內(nèi)容較多，因此選擇 2.8寸 TFT-LCD 液晶顯示屏作為顯示模塊，其內(nèi)部有 ILI9341 控制器。考慮STM32 可通過(guò) SPI 接口、8080 接口或 RGB 接口與 ILI9341 進(jìn)行通信。為了實(shí)現(xiàn)較快的刷新速度，TFT-LCD 選用 8080 并行數(shù)據(jù)總線(xiàn)接口。STM32 通過(guò)可變靜態(tài)存儲(chǔ)器 FSMC 模塊輸出數(shù)據(jù)至 ILI9341 控制器顯存，TFT-LCD 與 STM32 芯片的接線(xiàn)圖如圖10所示。

圖10 TFT-LCD 與 STM32 單片機(jī)接線(xiàn)圖

（5）語(yǔ)音報(bào)警模塊

當(dāng)STM32 微處理器檢測(cè)到箱變運(yùn)行數(shù)據(jù)出現(xiàn)異?；蚬收?，它就會(huì)向串口發(fā)送信息，啟動(dòng)語(yǔ)音報(bào)警。語(yǔ)音報(bào)警模塊選擇常用的語(yǔ)音芯片 SYN6288，根據(jù)所編寫(xiě)的程序自動(dòng)廣播語(yǔ)音告警信息。系統(tǒng)選用 GB2312 編碼，GB2312 編碼適用于漢字處理、漢字通信等方面的信息交換。SYN6288 還可以準(zhǔn)確識(shí)別數(shù)字、時(shí)間和日期以及常用的測(cè)量單位。該模塊和 STM32 的連接圖如圖 11 所示。

圖11 SYN6288 語(yǔ)音模塊接線(xiàn)圖

（6）繼電器模塊

現(xiàn)場(chǎng)控制器選用一組 2 路光耦隔離繼電器模塊，用來(lái)控制直流 12V 警鈴和風(fēng)扇的開(kāi)啟和關(guān)斷，可根據(jù)箱變排風(fēng)扇電源類(lèi)型和功率選擇 220V 交流固態(tài)繼電器。每個(gè)繼電器回路模塊都有常開(kāi)和常閉觸點(diǎn)，以及 LED狀態(tài)指示；每個(gè)繼電器回路均采用光耦隔離，且附帶續(xù)流二極管，釋放繼電器感應(yīng)電壓，保護(hù)前級(jí)電路。當(dāng)箱變環(huán)境溫度超過(guò)一定的范圍時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)控制器輸出高電平，1 路光耦隔離繼電器動(dòng)作打開(kāi)風(fēng)扇降溫；當(dāng)發(fā)生煙霧濃度過(guò)高等嚴(yán)重故障時(shí)，控制器驅(qū)動(dòng)另一路光耦隔離繼電器接通警鈴回路發(fā)出現(xiàn)場(chǎng)警報(bào)。繼電器工作原理圖、繼電器模塊與 STM32 芯片的連接圖如圖12、13 所示。圖12繼電器工作原理圖

圖13繼電器與 STM32 芯片接線(xiàn)圖

（7）通信模塊

針對(duì)10kV 智能箱變遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，智能箱變與云端的通信選擇流量費(fèi)用較低的 GPRS 無(wú)線(xiàn)通信方式。

*機(jī)智云固件 GPRS 模塊（G510_GAgent 固件）。該模塊是運(yùn)行在各種通訊模組上的一款應(yīng)用程序，提供云端與產(chǎn)品設(shè)備數(shù)據(jù)的雙向傳輸、設(shè)備配置入網(wǎng)、發(fā)現(xiàn)綁定和程序升級(jí)等功能。GPRS 模塊和主控器之間的電路圖如圖14所示。

圖14 機(jī)智云固件 GPRS 模塊和 STM32 單片機(jī)之間的連線(xiàn)圖

*GPRS-GA6 模塊。該模塊可以低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、短信息和數(shù)據(jù)的傳輸。適用于 M2M應(yīng)用中的各類(lèi)設(shè)計(jì)需求，尤其適用于緊湊型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。其次，通信協(xié)議采用 UART串口總線(xiàn)傳輸，使用標(biāo)準(zhǔn)的 AT 命令進(jìn)行模塊控制、波特率選擇 115200bps。GPRS-GA6 模塊與 STM32 單片機(jī)的連接電路圖如圖15所示。

圖15GPRS-GA6 模塊和 STM32 單片機(jī)的連接圖

3.3 微機(jī)綜合保護(hù)裝置

根據(jù)電力變壓器保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB/T 50062-2008）規(guī)定，10kV 變壓器通常需要裝設(shè)帶時(shí)限的過(guò)電流保護(hù)。微機(jī)保護(hù)裝置具有變壓器和線(xiàn)路的保護(hù)、測(cè)量和控制功能，以及數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控和系統(tǒng)自檢等功能，并具有較高的靈敏度和可靠性。

根據(jù)學(xué)生公寓 10kV 智能箱變的設(shè)計(jì)要求，選擇具有 RS485 通訊功能的安科瑞AM3-I電流型微機(jī)綜合保護(hù)裝置，具有 IA、IB、IC、UA、UB、UC、P、Q、Fr 等電參量測(cè)量，8 路外部開(kāi)關(guān)量信號(hào)采集，以及斷路器遙控分閘和合閘操作等功能。AM3-I 微機(jī)保護(hù)裝置接線(xiàn)端子圖如圖 16所示。

圖16 AM3-I 微機(jī)保護(hù)裝置接線(xiàn)端子圖

3.4 智能網(wǎng)絡(luò)電表

智能網(wǎng)絡(luò)電表用于檢測(cè)低壓配電回路三相電流、電壓和功率等電氣參數(shù)，以及隔離開(kāi)關(guān)、斷路器的開(kāi)合狀態(tài)等。根據(jù)10kV智能箱變二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求選用具有RS485通訊功能的安科瑞ACR智能網(wǎng)絡(luò)電表，ACR智能網(wǎng)絡(luò)電表與低壓電流互感器接線(xiàn)圖和開(kāi)關(guān)量輸入輸出接線(xiàn)圖如圖17所示。

圖17 ACR 智能網(wǎng)絡(luò)電表低壓電流互感器和開(kāi)關(guān)量輸入輸出接線(xiàn)圖

ACR智能網(wǎng)絡(luò)電表采用Modbus-RTU協(xié)議，可以進(jìn)行電力參數(shù)的測(cè)量和采集，開(kāi)關(guān)量輸入功能可以檢測(cè)隔離開(kāi)關(guān)和斷路器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，繼電器輸出功能可以遠(yuǎn)程開(kāi)啟和關(guān)閉斷路器。ACR智能網(wǎng)絡(luò)電表對(duì)通訊地址表有統(tǒng)一規(guī)劃，可以實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙信、遙控三遙功能。

（1）交流模擬量信號(hào)的 AD 轉(zhuǎn)換和計(jì)算

ACR 智能網(wǎng)絡(luò)電表直接采集的 3 個(gè)相電壓信號(hào)和 3 個(gè)電流信號(hào)（電流互感器輸出信號(hào)）都屬于模擬量，需要轉(zhuǎn)換成 CPU能夠識(shí)別的數(shù)字量信號(hào)，才能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。首先 3 個(gè)相電壓 220V 和 3 個(gè)電流模擬量經(jīng)過(guò)變換器轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗妷盒盘?hào)，經(jīng)過(guò)電壓形成回路轉(zhuǎn)換為 AD 轉(zhuǎn)換器允許的電壓；然后經(jīng)過(guò)低通濾波器輸入到采樣保持器和多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，經(jīng)過(guò) AD 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入到 CPU。交流模擬量的采樣和 AD 轉(zhuǎn)換過(guò)程示意圖如圖18所示。

圖18交流模擬量的采樣和 AD 轉(zhuǎn)換過(guò)程示意圖

*模擬量的電壓變換和低通濾波。電壓形成回路的作用是電氣隔離變換電量，一般 AD 轉(zhuǎn)換器要求輸入信號(hào)是±5V 和±10V，由此可以確定電壓變換器的變比。低通濾波器分為無(wú)源濾波器和有源濾波器。有源濾波器由電容、電阻和集成運(yùn)算放大器組成，在濾波的同時(shí)對(duì)信號(hào)起放大作用，無(wú)源濾波只有濾波功能沒(méi)有信號(hào)放大功能。

*模擬量信號(hào)采樣。采樣過(guò)程要遵循香農(nóng)采樣定理，即采樣頻率必須不小于 2 倍的輸入信號(hào)的最高頻率。采樣的過(guò)程非?？?，當(dāng)前的 AD 轉(zhuǎn)換器采樣已經(jīng)達(dá)到納秒級(jí)別，而電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置的采樣周期是毫秒級(jí)別，所以 6 個(gè)回路的電壓和流信號(hào)可以共用 1 個(gè) AD 轉(zhuǎn)換器，但是采樣電路須配備采樣保持器和多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。

*AD轉(zhuǎn)換。AD轉(zhuǎn)換器有逐次逼近型、積分型、計(jì)數(shù)型、并行比較型，以及VFC電壓頻率變換器。逐次逼近型AD轉(zhuǎn)換器是ADC中速度與精度兼顧的代表，它在較高轉(zhuǎn)換速率下具有較高的轉(zhuǎn)換分辨率。

（2）正弦電量的半周波絕對(duì)值積分算法

軟件算法的關(guān)鍵在于提高算法運(yùn)算的精確和速度，智能電表的交流采樣算法的關(guān)鍵是解決如何根據(jù)正弦信號(hào)的瞬時(shí)值計(jì)算正弦采樣信號(hào)幅值或有效值。正弦量最常用的算法是半周波絕對(duì)值積分算法，半周波絕對(duì)值積分算法的原理是正弦量在任意半個(gè)周期內(nèi)絕對(duì)值的積分為常數(shù) S，而且積分值常數(shù) S 與積分起始角無(wú)關(guān)。基于正弦函數(shù)模型的半周波絕對(duì)值積分算法如圖 19所示。

圖19 基于正弦函數(shù)模型的半周波絕對(duì)值積分算法

應(yīng)用半周波絕對(duì)值積分算法計(jì)算電流有效值的表達(dá)式為：

式中，S 表示半個(gè)周期內(nèi)絕對(duì)值的積分；I 表示電流有效值；i 表示電流瞬時(shí)值；w 表示角速度；T 表示交流電源周期；f 表示交流電源頻率；N 表示 1 個(gè)周期內(nèi)采樣次數(shù)；Ts 表示采樣周期。

3.5 RS485 溫濕度煙霧傳感器

考慮箱變內(nèi)供電線(xiàn)路可能出現(xiàn)漏電、過(guò)負(fù)荷、短路和接觸電阻過(guò)大等故障引起火災(zāi)，可燃油油浸變壓器故障可能引起火災(zāi)，因此箱變室內(nèi)需要安裝煙霧傳感器用于箱變的火災(zāi)檢測(cè)，以便早期發(fā)現(xiàn)故障隱患。為保證測(cè)量精度，同時(shí)降低成本，選用 RS485 溫濕度煙霧三合一傳感器用于箱變室內(nèi)溫度、濕度和煙霧濃度檢測(cè)，溫濕度傳感器采用 SHT30 探頭，傳感器對(duì) RS485 接口進(jìn)行多重保護(hù)，能夠有效消除工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)浪涌、脈沖的干擾。傳感器有紅、黑、黃、綠 4 根線(xiàn)，具體接線(xiàn)方法如下表9所示。

表 9RS485 溫濕度煙霧傳感器本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的智能儀表、傳感器都采用 Modbus-RTU 協(xié)議，在全波特率 1200-115200 范圍內(nèi)可靠通信，智能儀表、傳感器波特率統(tǒng)一設(shè)定為 9600bps。傳感器的數(shù)據(jù)傳輸格式和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式如下：

傳感器數(shù)據(jù)問(wèn)詢(xún)幀格式。傳感器遵循標(biāo)準(zhǔn) Modbus-RTU 協(xié)議，傳感器讀數(shù)保存在保持寄存器中，功能碼為 04。上位機(jī)讀取傳感器數(shù)據(jù)問(wèn)詢(xún)幀格式、下位機(jī)傳感器數(shù)據(jù)問(wèn)詢(xún)幀格式如表 10、表11所示。表10上位機(jī)讀取傳感器數(shù)據(jù)問(wèn)詢(xún)幀格式表 11下位機(jī)傳感器數(shù)據(jù)問(wèn)詢(xún)幀格式

3.6 PT100 溫度變送器

PT100 溫度變送器用于檢測(cè)變壓器器身溫度、高壓和低壓電纜溫度，它適用于各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。變壓器運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生損耗，主要是鐵損和銅損，也稱(chēng)鐵芯損耗和負(fù)荷損耗。銅損大小隨負(fù)載電流而變化，與負(fù)載電流的平方成正比。變壓器損耗計(jì)算公式如下：

式中，P0 表示變壓器在額定電壓下空載運(yùn)行的有功功率；I1和 I2 表示高壓線(xiàn)電流和低壓側(cè)線(xiàn)電流；R1和 R2 表示高壓側(cè)電阻和低壓側(cè)電阻。

PT100 溫度變送器內(nèi)嵌 RS485 總線(xiàn)接口，每一個(gè)溫度變送器可接入 4 路 PT100 溫度傳感器。熱電阻 PT100 的工作原理如圖22所示。

圖22 PT100 溫度傳感器工作原理

3.7 水浸傳感器

由于箱變基坑水平面較低，大雨過(guò)后電纜溝、基坑常有積水，存在電纜漏電的安全隱患，因此需要不定期檢查和排水。本設(shè)計(jì)使用水浸傳感器檢測(cè)箱變基坑積水情況。水浸傳感器應(yīng)用液體導(dǎo)電原理，用電極探測(cè)是否有積水存在。選用帶有 RS485 通信功能的接觸式水浸探測(cè)器。水浸探測(cè)器的工作原理如圖23所示。

圖23 水浸變送器工作原理

04

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括箱變現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)局域網(wǎng)軟件設(shè)計(jì)和基于機(jī)智云平臺(tái)的箱變遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩部分。箱變現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)局域網(wǎng)中微機(jī)綜合保護(hù)裝置、智能網(wǎng)絡(luò)電表以及智能傳感器等設(shè)備已內(nèi)嵌應(yīng)用軟件，所以只需要進(jìn)行箱變現(xiàn)場(chǎng)控制器的軟件程序設(shè)計(jì)。

4.1 箱變現(xiàn)場(chǎng)控制器開(kāi)發(fā)環(huán)境

箱變現(xiàn)場(chǎng)控制器為嵌入式系統(tǒng)，其軟件系統(tǒng)由應(yīng)用程序、API、嵌入式操作系統(tǒng)和BSP（板級(jí)支持包）組成。根據(jù)10kV智能箱變現(xiàn)場(chǎng)控制器采集的參數(shù)多、任務(wù)多、實(shí)時(shí)性要求高的特點(diǎn)，選擇廣泛應(yīng)用于商業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和教學(xué)研究的μC/OS-Ⅲ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。μC/OS-Ⅲ以任務(wù)為最小單元，任何任務(wù)不需要關(guān)心資源的具體管理方法，由操作系統(tǒng)來(lái)決定。μC/OS-Ⅲ默認(rèn)有 5 個(gè)系統(tǒng)任務(wù)如表12所示；μC/OS-Ⅲ的任務(wù)可分為 5 種狀態(tài)如表13所示。

表12μC/OS-Ⅲ操作系統(tǒng)5個(gè)系統(tǒng)任務(wù)

表13μC/OS-Ⅲ操作系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)4.2 箱變現(xiàn)場(chǎng)控制器軟件程序設(shè)計(jì)

整個(gè)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)以智能儀表、傳感器、現(xiàn)場(chǎng)控制器和云平臺(tái)組成的分布式系統(tǒng)為基礎(chǔ)，進(jìn)行應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，箱變現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)設(shè)備利用串口通信協(xié)議進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制器與傳感器模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸和交換，現(xiàn)場(chǎng)控制器與機(jī)智云服務(wù)器利用 GPRS 固件中的機(jī)智云通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和交換。箱變現(xiàn)場(chǎng)控制器應(yīng)用軟件的主程序流程圖如圖24 所示。

圖24箱變現(xiàn)場(chǎng)控制器軟件主程序的流程圖

*軟件主程序。首先，系統(tǒng)各部分進(jìn)行初始化，比如 GPIO、串口、時(shí)鐘、內(nèi)存管理等，并且在 μC/OS-Ⅲ中創(chuàng)建好任務(wù)。STM32 進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)采集和處理，將正確的信息發(fā)送到LCD顯示。同時(shí)STM32給GPRS-G510模塊發(fā)送AT指令，交互數(shù)據(jù)，通過(guò)LwM2M 協(xié)議對(duì)接機(jī)智云平臺(tái)，并判斷 GPRS 通信模塊是否連接機(jī)智云服務(wù)器成功。若連接成功，則進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。然后判斷處理過(guò)的數(shù)據(jù)是否大于設(shè)定閾值。

若屬于箱變輕微故障，則通過(guò)云平臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)信息至手機(jī) APP；若屬于一般故障，則通過(guò)云平臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)警信息至手機(jī) APP，并啟GPRS-GA6 通信模塊通過(guò)手機(jī)短信發(fā)送報(bào)警信息；若屬于嚴(yán)重故障，則通過(guò)云平臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)警信息至手機(jī) APP，并啟動(dòng) GPRS-GA6 通信模塊通過(guò)手機(jī)短信發(fā)送報(bào)警信息和并撥打預(yù)設(shè)的相關(guān)人員電話(huà)。

*數(shù)據(jù)采集子程序設(shè)計(jì)。首先，主程序開(kāi)啟串口數(shù)據(jù)通信功能，STM32 按照上位機(jī)讀取傳感器數(shù)據(jù)問(wèn)詢(xún)幀格式向傳感器下發(fā)數(shù)據(jù)采集命令，傳感器按照下位機(jī)傳感器數(shù)據(jù)問(wèn)詢(xún)幀格式上傳數(shù)據(jù)。STM32 收到傳感器上傳的數(shù)據(jù)幀后，按規(guī)定格式解包和 CRC校驗(yàn)；如果 CRC 校驗(yàn)結(jié)果錯(cuò)誤，則重新采集傳感器數(shù)據(jù)。

理論上，一個(gè) RS485 總線(xiàn)回路可以接 247 個(gè)傳感器設(shè)備，每個(gè)傳感器都提前定義了一個(gè)唯一的地址。STM32 下發(fā)的數(shù)據(jù)幀每個(gè)智能傳感器都能收到，并對(duì)其解包；當(dāng)傳感器地址與 STM32 下發(fā)的數(shù)據(jù)幀的幀頭地址一致時(shí)，傳感器首先進(jìn)行 CRC 校驗(yàn)；若 CRC校驗(yàn)結(jié)果正確，傳感器將指定寄存器的數(shù)值按照標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式上傳至 STM32 單片機(jī)。單片機(jī)再調(diào)用相關(guān)程序讀取數(shù)據(jù)，計(jì)算出實(shí)際參數(shù)。STM32 單片機(jī)數(shù)據(jù)收發(fā)流程圖如圖 25 所示。

圖25STM32 單片機(jī)數(shù)據(jù)收發(fā)流程圖

*GPRS-GA6 子程序設(shè)計(jì)。STM32 可以通過(guò)向 GPRS-GA6 模塊發(fā)送 AT 指令撥打電話(huà)，撥打電話(huà)報(bào)警任務(wù)流程圖如圖 26 所示。

首先，初始化串口 4，開(kāi)啟中斷接收；然后發(fā)送“AT”指令確認(rèn)鏈路通斷情況；如果 GPRS-GA6 模塊返回“OK”則表示鏈路接通。接著發(fā)送“AT+CPIN?”確認(rèn) SIM卡是否存在，以及發(fā)送“AT+CERG?”確定 GPRS 模塊注冊(cè)網(wǎng)絡(luò)是否成功。完成這兩步檢測(cè)后，可以發(fā)送“ATD+用戶(hù)手機(jī)號(hào)；”撥打電話(huà)到指定的用戶(hù)手機(jī)上，通過(guò)電話(huà)報(bào)警“箱變發(fā)生嚴(yán)重故障”。報(bào)警指令發(fā)送完成后，馬上掛起該任務(wù)，以防止短時(shí)間多次撥打電話(huà)。如果報(bào)警指令出錯(cuò)或是發(fā)送失敗，STM32 的串口 4 沒(méi)有收到數(shù)據(jù)指令，則設(shè)置錯(cuò)誤標(biāo)志位并直接掛起任務(wù)，然后等待錯(cuò)誤分析任務(wù)確認(rèn)后重啟電話(huà)任務(wù)。

圖26GPRS-GA6 撥打電話(huà)任務(wù)流程圖4.3 機(jī)智云平臺(tái)箱變遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

云平臺(tái)被喻為第四次信息革命的開(kāi)端，它將應(yīng)用部署在云端，充分利用互聯(lián)網(wǎng)的滲透性，與移動(dòng)設(shè)備完美融合。云端硬件、軟件的維護(hù)和更新升級(jí)由專(zhuān)業(yè)云服務(wù)提供商負(fù)責(zé)，用戶(hù)根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的需要擴(kuò)展云端資源，按照自身需求購(gòu)買(mǎi)服務(wù)并支付相應(yīng)的費(fèi)用。

機(jī)智云為開(kāi)發(fā)者提供了物聯(lián)網(wǎng) PaaS 云服務(wù)平臺(tái)，通過(guò)多元化的應(yīng)用 API 提供了完善的 SDK（軟件開(kāi)發(fā)工具包），IDE 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，MCU 代碼自動(dòng)生成器以及 APP 代碼自動(dòng)生成器等。機(jī)智云平臺(tái)還提供了基于云計(jì)算的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，人工智能和標(biāo)準(zhǔn)化 IoT應(yīng)用服務(wù)，開(kāi)發(fā)者可以在云端進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和服務(wù)的二次開(kāi)發(fā)。

為了實(shí)現(xiàn)端到端的研發(fā)，在設(shè)備端機(jī)智云提供了聯(lián)網(wǎng)模塊 GAgent 和標(biāo)準(zhǔn)串口通訊協(xié)議，支持 WiFi、GPRS、3G、4G、NB-IoT等多種無(wú)線(xiàn)接入方式；在 APP 端機(jī)智云提供了 iOS、Android和微信等 SDK。針對(duì)設(shè)備開(kāi)發(fā)和應(yīng)用開(kāi)發(fā)，機(jī)智云推出了 MCU 代碼自動(dòng)生成工具和APP 代碼自動(dòng)生成工具，幫助開(kāi)發(fā)者低成本、快速的實(shí)現(xiàn) IoT 設(shè)備的數(shù)據(jù)采集分析、設(shè)備管理和用戶(hù)管理等系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。本系統(tǒng)選用機(jī)智云平臺(tái)作為云端服務(wù)器，使用機(jī)智云平臺(tái)提供的 G510 GAgent 組件進(jìn)行設(shè)備與云端的通信。

*G510 Gagent 固件。G510GAgent 主要的作用是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，是設(shè)備數(shù)據(jù)和機(jī)智云數(shù)據(jù)交互的橋梁。該固件內(nèi)置了《機(jī)智云平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)接入?yún)f(xié)議之MCU與WiFi模組通訊》、《機(jī)智云平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)接入?yún)f(xié)議之設(shè)備與云端通訊》和《機(jī)智云平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)接入?yún)f(xié)議之 APP與設(shè)備通訊》，用戶(hù)只需關(guān)注產(chǎn)品系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯開(kāi)發(fā)，不用關(guān)心數(shù)據(jù)的通訊功能開(kāi)發(fā)。G510 GAgent 提供了一套對(duì)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)友好的封裝，開(kāi)發(fā)工程師只需面向業(yè)務(wù)邏輯編程，不用考慮云端通信的細(xì)節(jié)。該模塊通過(guò)串口和微控制器進(jìn)行通訊，采用 DC5V供電方式。

* 云端創(chuàng)建產(chǎn)品和數(shù)據(jù)點(diǎn)。機(jī)智云基于自助式智能硬件開(kāi)發(fā)工具與開(kāi)放的云端服務(wù)，為開(kāi)發(fā)者提供了自主開(kāi)發(fā)接入流程。開(kāi)發(fā)者按照流程注冊(cè)一個(gè)賬號(hào)，然后創(chuàng)建新產(chǎn)品，定義產(chǎn)品數(shù)據(jù)點(diǎn)，進(jìn)行 MCU 開(kāi)發(fā)和 APP 應(yīng)用開(kāi)發(fā)。首先在機(jī)智云云端創(chuàng)建“10kV智能箱變遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)”產(chǎn)品，機(jī)智云會(huì)自動(dòng)為產(chǎn)品分配一組 Product Key 和 Product Secret，每個(gè) G510 模組對(duì)應(yīng) 1 個(gè)產(chǎn)品編號(hào)和密鑰。Product Key 由開(kāi)發(fā)者寫(xiě)入嵌入式系統(tǒng)的 MCU，并告知 GPRS 模塊；GPRS 模塊登錄機(jī)智云后，機(jī)智云會(huì)識(shí)別該 Product Key 的產(chǎn)品。本系統(tǒng)已建立了多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)點(diǎn)，新建數(shù)據(jù)點(diǎn)界面如圖27所示。圖27 機(jī)智云平臺(tái)部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)建立圖

Product Secret 是 APP 開(kāi)發(fā)和服務(wù)器對(duì)接時(shí)需要使用的參數(shù)。數(shù)據(jù)點(diǎn)用于描述產(chǎn)品屬性和功能，數(shù)據(jù)點(diǎn)創(chuàng)建后可確定云端與設(shè)備通訊的數(shù)據(jù)格式。數(shù)據(jù)點(diǎn)基本內(nèi)容包括顯示名稱(chēng)，標(biāo)識(shí)名，讀寫(xiě)類(lèi)型，數(shù)據(jù)類(lèi)型和備注。數(shù)據(jù)點(diǎn)的顯示名稱(chēng)如：開(kāi)關(guān)、溫度等。讀寫(xiě)類(lèi)型包括只讀、可寫(xiě)、報(bào)警和報(bào)警。數(shù)據(jù)類(lèi)型包括布爾值、數(shù)據(jù)類(lèi)型、數(shù)值和擴(kuò)展。備注用于說(shuō)明當(dāng)前數(shù)據(jù)點(diǎn)的功能和定義方法，提高數(shù)據(jù)點(diǎn)的易讀性。

* 生成 MCU 代碼。根據(jù)創(chuàng)建的數(shù)據(jù)點(diǎn)，在“MCU 開(kāi)發(fā)”選項(xiàng)界面中選擇“獨(dú)立 MCU 方案”，以及“硬件平臺(tái) STM32F103ZET6”選項(xiàng)，機(jī)智云直接生成適應(yīng) STM32F103ZET6 芯片的工程代碼。自動(dòng)生成的 MCU SDK 代碼提供了機(jī)智云通信協(xié)議的封包和解析，傳感器數(shù)據(jù)和通信數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換邏輯，并且封裝成了簡(jiǎn)單的 API。當(dāng)設(shè)備收到云端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后，程序?qū)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的事件并通知應(yīng)用層，開(kāi)發(fā)者只需在對(duì)應(yīng)事件的處理邏輯中添加傳感器控制函數(shù)，便可完成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。

*生成手機(jī) APP 代碼。為降低開(kāi)發(fā)智能硬件 APP 的開(kāi)發(fā)門(mén)檻，機(jī)智云在《APP開(kāi)源框架》的基礎(chǔ)上推出了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品完整控制功能的 APP 開(kāi)源代碼。在開(kāi)發(fā)者完成產(chǎn)品和相關(guān)數(shù)據(jù)點(diǎn)后，在應(yīng)用配置中選擇 Andriod 或 iOS 手機(jī)操作系統(tǒng)，生成對(duì)應(yīng)手機(jī)系統(tǒng)的 APP 代碼。開(kāi)發(fā)者下載源碼后，只需要優(yōu)化界面設(shè)計(jì)和產(chǎn)品控制界面的控制邏輯設(shè)計(jì)，按照機(jī)智云 SDK 控制設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)流程進(jìn)行相關(guān)代碼的優(yōu)化即可完成智能箱變遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)手機(jī) APP 的開(kāi)發(fā)。

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系統(tǒng)調(diào)試與分析

系統(tǒng)調(diào)試與分析的主要任務(wù)是檢查硬件電路是否正常，啟動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)量數(shù)據(jù)是否穩(wěn)定正確；當(dāng)達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí)，系統(tǒng)是否啟動(dòng)相應(yīng)報(bào)警程序，是否可以發(fā)送短信以及撥打電話(huà)報(bào)警。

設(shè)備整體安裝完成后，經(jīng)過(guò)調(diào)試，溫度、濕度、煙霧濃度、電流、電壓等數(shù)據(jù)可以正常在屏幕上顯示，并且數(shù)據(jù)顯示正確，更改環(huán)境參數(shù)后，屏幕顯示及時(shí)刷新，監(jiān)測(cè)結(jié)果正常。設(shè)備整體調(diào)試如圖28 所示，現(xiàn)場(chǎng)控制器 LCD 屏上顯示的電氣和環(huán)境運(yùn)行參數(shù)如圖 29所示。

圖28智能箱變遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)試圖29現(xiàn)場(chǎng)控制器 LCD 屏顯示的箱變電氣、環(huán)境運(yùn)行參數(shù)

通過(guò)機(jī)智云平臺(tái)，PC 端或手機(jī) APP 可以隨時(shí)查看設(shè)備運(yùn)行狀況，APP 顯示數(shù)據(jù)與設(shè)備屏幕上顯示數(shù)據(jù)一致，通過(guò)手機(jī) APP 可以遠(yuǎn)程控制風(fēng)扇的開(kāi)啟。手機(jī) APP 顯示的部分監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)如圖 30所示。

圖30 手機(jī) APP 顯示的部分測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)了一段時(shí)間的系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行正常，各種傳感器測(cè)量參數(shù)準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)了用戶(hù)通過(guò)手機(jī) APP 遠(yuǎn)程監(jiān)控箱變環(huán)境、電氣運(yùn)行參數(shù)和設(shè)備工作狀態(tài)的目標(biāo)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，手機(jī) APP 部分經(jīng)過(guò)調(diào)試實(shí)現(xiàn)了與箱變傳感器、執(zhí)行設(shè)備的即時(shí)通信，在手機(jī) APP 上可以隨時(shí)查看箱變的環(huán)境和電氣運(yùn)行參數(shù)，可以在手機(jī)上遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)扇等設(shè)備的啟停操作。若發(fā)生因網(wǎng)絡(luò)故障導(dǎo)致設(shè)備掉線(xiàn)后，還可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)連接。

10kV 智能箱變遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)置了多個(gè)環(huán)境和電氣運(yùn)行參數(shù)的閾值，當(dāng)檢測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定閾值，現(xiàn)場(chǎng)控制器自動(dòng)啟動(dòng)相應(yīng)報(bào)警程序。根據(jù)箱變故障等級(jí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了不同的現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警和遠(yuǎn)程報(bào)警模式，以免小故障釀成大事故。具體故障等級(jí)和報(bào)警模式如表14所示。箱變?cè)O(shè)備故障短信報(bào)警如圖31所示。

表14 箱變故障報(bào)警模式圖31箱變?cè)O(shè)備發(fā)生故障時(shí)手機(jī)短信報(bào)警

06

總 結(jié)

本文針對(duì)傳統(tǒng) 10kV 箱變?nèi)鄙龠\(yùn)行環(huán)境和設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控，智能化程度低、供電安全、可靠性低等缺陷和問(wèn)題，以某高校 5 號(hào)學(xué)生公寓 10kV 智能箱變?cè)O(shè)計(jì)為背景，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的 10kV 智能箱式變電站。通過(guò)側(cè)重于基于物聯(lián)網(wǎng)的 10kV 智能箱變環(huán)境和設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)、制作和整體測(cè)試。其中，在機(jī)智云平臺(tái)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了用戶(hù)隨時(shí)通過(guò)電腦 WEB 或手機(jī) APP 遠(yuǎn)程監(jiān)控箱變溫濕度、煙霧報(bào)警和電纜基坑積水等環(huán)境參數(shù)，電流、電壓、頻率和功率因數(shù)等電氣參數(shù)以及設(shè)備工作狀態(tài)等功能。當(dāng)箱變運(yùn)行出現(xiàn)異?；蚬收?，監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)判斷故障等級(jí)，并通過(guò)箱變現(xiàn)場(chǎng)警鈴、手機(jī) APP、短信和電話(huà)等不同組合方式報(bào)警通知相關(guān)工作人員，及時(shí)排除故障隱患，預(yù)防電氣事故的發(fā)生。

基于物聯(lián)網(wǎng)的 10kV 智能箱式變電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由箱變內(nèi)的“現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)局域 網(wǎng)”和箱變外的“云平臺(tái)廣域網(wǎng)”組成。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式可應(yīng)用于電力遠(yuǎn)程抄表、路燈 遠(yuǎn)程監(jiān)控管理、管網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、城市能耗監(jiān)測(cè)、供水系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控、電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控和大中型實(shí)驗(yàn)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)等多種設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，提升傳統(tǒng)設(shè)備的智能化水平和管理服務(wù)水平。

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