范曉曉

摘要：本文基于電氣工程學(xué)到的知識(shí)，論述了箱式變電站熱故障監(jiān)測(cè)預(yù)警的研究背景與意義，并詳細(xì)介紹了本文所采用數(shù)字信號(hào)處理方法及通信方式。

關(guān)鍵詞：箱式變電站 熱故障 在線監(jiān)測(cè) Modbus

中圖分類號(hào)：TM63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-5349（2018）12-0251-02

一、電氣工程背景下箱式變電站熱故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

（一）熱故障監(jiān)測(cè)整體架構(gòu)

箱式變電站是將一次設(shè)備和二次設(shè)備按照一定方案連接而成的配電設(shè)備，被廣泛用于配電網(wǎng)中。但是箱式變電站在運(yùn)行過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)各種各樣的故障。據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，當(dāng)電氣設(shè)備運(yùn)行異常時(shí)，首先表現(xiàn)為熱故障。[1]

為此，本文整體分為溫度監(jiān)測(cè)部分和通信及人機(jī)交互部分。

溫度監(jiān)測(cè)部分主要完成隔離開關(guān)、變壓器、電力電纜、母排等連接點(diǎn)處溫度的測(cè)量；通信及人機(jī)交互部分主要借助Modbus/IEC104協(xié)議完成監(jiān)控裝置內(nèi)部、監(jiān)控裝置與監(jiān)控中心之間的通信及參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示和設(shè)置。裝置采用STM32F1+STM32F4的雙核結(jié)構(gòu)，使其具有高效的傳輸能力和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。STM32F407作為主控CPU，主要完成溫度信號(hào)的采集并借助開入電路完成開入量監(jiān)測(cè)、開出電路完成保護(hù)功能。STM32F103作為從CPU，主要完成監(jiān)控裝置內(nèi)部以及監(jiān)控裝置與監(jiān)控中心之間的通信。[2]

溫度測(cè)量部分，本文使用在一定范圍內(nèi)呈線性變化的PT100完成溫度信號(hào)的采集。測(cè)溫模塊采用分布式測(cè)量結(jié)構(gòu)，每6個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)采集的信息借助小范圍的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳送至中心節(jié)點(diǎn)。中心測(cè)溫模塊借助RS485將信息傳送至主控CPU?？紤]到數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求，主控板與通信板之間采用傳輸速率相對(duì)較高的RS232方式。[3]

（二）主控部分電路設(shè)計(jì)

本文使用基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的STM32F407ZGT6作為主控芯片。該芯片內(nèi)核帶有FPU（浮點(diǎn)運(yùn)算單元）和DSP指令集，可進(jìn)行浮點(diǎn)計(jì)算；最高工作頻率高達(dá)168MHz。

（1）時(shí)鐘電路。對(duì)主控CPU而言，HSE振蕩器時(shí)鐘、HSI振蕩器時(shí)鐘及PLL時(shí)鐘都可以驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)鐘（SYSCLK）。本文的高速外部時(shí)鐘信號(hào)（HSE）借助25MHz的外部晶振產(chǎn)生，其負(fù)載電容為22pF；外部低速時(shí)鐘信號(hào)由32.768kHz的外部晶振產(chǎn)生。它主要為實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）和獨(dú)立看門狗（IWDG）提供時(shí)鐘源。

（2）開入電路。開入信號(hào)經(jīng)限流電阻、光電耦合器后電信號(hào)被轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。MCU通過(guò)OUT2端口的電平狀態(tài)讀取光電耦合器左側(cè)的開關(guān)量狀態(tài)。

（3）開出電路。微處理器發(fā)出信號(hào)使光電耦合器導(dǎo)通，繼電器通電吸合，合閘動(dòng)作完成。分閘情況，與此類似。

（三）電源管理電路

為滿足各功能模塊的供電需求，本裝置采用直流24V、5V、3.3V三個(gè)電壓等級(jí)進(jìn)行供電。其中直流24V、5V由輸出電壓為DC24V、DC5V的金升陽(yáng)LH40-10D0524-06電源模塊轉(zhuǎn)換而來(lái)。為了保證電源的穩(wěn)定性，輸入電壓進(jìn)入金升陽(yáng)電源模塊之前，電源信號(hào)首先進(jìn)入由安規(guī)電容、壓敏電阻及共模電感組成的EMC電源電路。

（四）溫度測(cè)量模塊

本文將測(cè)溫模塊直接接觸物體，實(shí)現(xiàn)溫度信息的直接獲取。溫度在線監(jiān)測(cè)終端選擇STM32F030、無(wú)線射頻芯片NRF24L01作為嵌入控制層的硬件平臺(tái)。

受安裝位置的要求，本文采用電池與互感取電相結(jié)合的方法進(jìn)行供電，在母線、變壓器等空間較大的地方采用電池供電，在斷路器、電力電纜等狹小的地方，采用互感器取電。無(wú)線測(cè)溫模塊采用分布式測(cè)量結(jié)構(gòu)，每6個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)小范圍的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳送至中心節(jié)點(diǎn)NRF24L01，可采用地址和頻率的方式區(qū)分不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)，本文采用地址的方式進(jìn)行區(qū)分。中心節(jié)點(diǎn)處STM32F030負(fù)責(zé)接收溫度和地址的發(fā)送，并通過(guò)RS485將信息傳送至主控CPU。

二、通訊協(xié)議

（一）Modbus簡(jiǎn)介

本文采用基于RTU傳輸模式的RS485串口Modbus協(xié)議。該協(xié)議實(shí)現(xiàn)了一個(gè)主站和一個(gè)或多個(gè)從站之間的信息交互，同時(shí)提供了現(xiàn)場(chǎng)總線上設(shè)備之間的客戶端/服務(wù)器模型。

該協(xié)議規(guī)定所有的通信過(guò)程由主站發(fā)起，子站不主動(dòng)上傳數(shù)據(jù)，且子站之間也不進(jìn)行通信。雙方通信時(shí)，地址域內(nèi)放置從機(jī)設(shè)備地址，有效范圍為1～247。0不能作為從機(jī)地址，因?yàn)樗袕臋C(jī)都可以識(shí)別。通信原理也比較簡(jiǎn)單，主機(jī)發(fā)起通信時(shí)將地址域放叢機(jī)的地址，叢機(jī)響應(yīng)時(shí)地址域放自身地址。若從機(jī)正常響應(yīng)，則從機(jī)上傳原功能代碼，但是若通信異常，需將功能碼置1發(fā)送。數(shù)據(jù)域指明寄存器開始的地址、讀取字節(jié)數(shù)和從機(jī)返回的寄存器數(shù)據(jù)。校驗(yàn)碼是CRC循環(huán)冗余碼。

功能碼分為位操作和字操作兩類，本文使用位操作指令中功能碼為0x01的讀線圈狀態(tài)控制電磁閥、MOS管輸出；功能碼是0x02的輸入離散量DI讀取開關(guān)狀態(tài)。字操作指令中使用0x03、0x04分別用來(lái)設(shè)置閾值及電壓、電流、溫度等模擬量的讀取。

（二）Modbus實(shí)現(xiàn)

FreeModbus協(xié)議是一個(gè)針對(duì)嵌入式應(yīng)用的免費(fèi)通用Modbus協(xié)議，且其可以被用于商業(yè)中。因此本文使用FreeModbus完成Modbus協(xié)議的移植，進(jìn)而避免自己制定協(xié)議擴(kuò)展困難的問題。

本文采用RTU傳輸模式的RS485串口Modbus協(xié)議。該協(xié)議是一種客戶端和服務(wù)器模型，即所有的通信過(guò)程都由客戶端發(fā)起，通過(guò)串口中斷的方式完成數(shù)據(jù)的接收及發(fā)送，而服務(wù)器不能主動(dòng)上傳。該協(xié)議不包含顯著的開始字符及結(jié)束字符，主要是借助幀與幀之間的時(shí)間間隔來(lái)區(qū)分傳送是否完成。因此，當(dāng)客戶端完成串口、定時(shí)器初始化、RTU傳輸模式選擇，并借助eMBEnable（ ）函數(shù)實(shí)現(xiàn)串口、定時(shí)器和協(xié)議棧使能之后，整個(gè)Modbus協(xié)議就開始運(yùn)作起來(lái)。之后，通過(guò)eMBPoll（ ）函數(shù)可查詢協(xié)議棧的狀態(tài)，進(jìn)而處理相應(yīng)的消息事件。

三、實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證本文的數(shù)據(jù)處理精度以及通信協(xié)議的合理移植，本文通過(guò)Modbus poll軟件模擬監(jiān)控中心與監(jiān)測(cè)終端之間的通訊。該軟件可以同時(shí)監(jiān)視多個(gè)從設(shè)備/數(shù)據(jù)域，支持浮點(diǎn)、雙精度、長(zhǎng)整型等多種格式。使用也比較簡(jiǎn)單，只要設(shè)定從設(shè)備ID、功能、地址、大小和輪詢間隔，就可以實(shí)現(xiàn)與從機(jī)之間的通信。

經(jīng)試驗(yàn)證明，本文可以完成數(shù)據(jù)的正常通信。

四、結(jié)語(yǔ)

箱式變電站是近幾年興起的，鑒于其安裝方便、占地面積小及移動(dòng)方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于配電網(wǎng)中。但是其電力設(shè)備在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)各種各樣的故障，其中過(guò)熱性故障占的比例最大。為此本文提出了溫度監(jiān)測(cè)部分、通信及人機(jī)交互部分、數(shù)據(jù)處理等部分組成的在線監(jiān)測(cè)方案。

本文首先分析了箱式變電站熱故障的研究背景和意義；緊接著介紹箱式變電站熱故障軟硬件設(shè)計(jì)；最后進(jìn)行了可靠性和可行性的功能測(cè)試。

整體上本文的設(shè)計(jì)方案，基本實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通信的功能，但是由于時(shí)間和經(jīng)驗(yàn)不夠，設(shè)計(jì)上還有很多問題值得推敲、改進(jìn)和優(yōu)化。比如，IEC104及Modbus協(xié)議的學(xué)習(xí)是一個(gè)漫長(zhǎng)的學(xué)習(xí)過(guò)程，目前自己僅僅停留在簡(jiǎn)單應(yīng)用和初步理解階段，后續(xù)還需要更深層次的學(xué)習(xí)。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃新波.變電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)與故障診斷[M].北京：中國(guó)電力出版社，2010.

[2]馮利民，孫昕.箱式變電站智能綜合管理的原理與實(shí)現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2003，23（5）：83-86.

[3]LIANG Wei，WANG Nan，WANG Zhen.Research on Source Maintenance Key Technology of the Smart Substation[J].Journal of Power and Energy Engineerg，2014，2（4）：239-243.

[4]Vadiati M，Shariati M.R，F(xiàn)arzalizadeh S.Buses Architecture of Substation Automation System Based on Significance Level of Substation[J].Journal of Applied sciences，2010，10（20）：2464-2468.

[5]LI Hongwei，WANG Lixin.Research on Technologies in Smart Substation[J].energy Procedia， 2011，12（39）：113-119.

責(zé)任編輯：孫瑤