國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司萬(wàn)州供電分公司 張 偉 宋昌舉 胡偉楠 劉 偉 王劍飛 項(xiàng) 波 柏福生 蔣新川

社會(huì)的進(jìn)步和科技技術(shù)的飛速發(fā)展使民眾對(duì)日常環(huán)境更加注重，對(duì)實(shí)時(shí)基本監(jiān)測(cè)也有更高的要求。本文提出了一種基于STM32的低功耗，高性能的自動(dòng)基本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,并詳細(xì)說(shuō)明系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)方法，以確保數(shù)據(jù)的收集、控制和處理，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)基本站數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和LCD液晶顯示功能，這使得能實(shí)時(shí)收集和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

1 相關(guān)情況

1.1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)，國(guó)外計(jì)算機(jī)和電子信息技術(shù)在基本數(shù)據(jù)采集方面日趨成熟，以色列等國(guó)家開(kāi)發(fā)研制的基本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)取得了良好的效果。這些系統(tǒng)的終端通常都裝有太陽(yáng)能電池，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍也很廣，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的基本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的基本要素傳感器大多是由我國(guó)國(guó)內(nèi)的廠(chǎng)家生產(chǎn)，但由于技術(shù)水平的限制，傳感器的可靠性和準(zhǔn)確性都不是很好，同時(shí)需要觀測(cè)的基本信息僅限于溫度、濕度、門(mén)禁、水位和降水這六種傳統(tǒng)基本要素，種類(lèi)不夠豐富。

基本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)部位需要納入能見(jiàn)度、太陽(yáng)輻射、云、土壤和水的溫度、土壤濕度等基本要素，應(yīng)當(dāng)從國(guó)外進(jìn)口或者在國(guó)內(nèi)研制相關(guān)基本設(shè)備。同時(shí)這種設(shè)備現(xiàn)在能根據(jù)開(kāi)發(fā)人員的不同要求確定基本站傳感器的類(lèi)型和數(shù)量，并能進(jìn)行設(shè)計(jì)相關(guān)的基本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)在實(shí)踐中很容易操作。目前，大多數(shù)基本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通常是使用通用的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，使用戶(hù)能靈活地調(diào)整數(shù)據(jù)的輸出格式，在復(fù)雜的自然條件下，基本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只能在具有一定的防護(hù)條件下使用。該設(shè)備操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，能適應(yīng)各種不利的自然條件。

1.2 現(xiàn)有變壓器監(jiān)測(cè)的痛點(diǎn)

大部分無(wú)法實(shí)時(shí)快速監(jiān)測(cè)：以往傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)都是人工按月份、季度、年度等巡檢的辦法來(lái)進(jìn)行對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，無(wú)法對(duì)變壓器的溫度等運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；人工成本高：需要安排特定的人員隊(duì)伍對(duì)設(shè)備進(jìn)行按時(shí)巡檢，人員工資、車(chē)輛費(fèi)用、差旅費(fèi)用等都需要開(kāi)支不小的費(fèi)用；排查難度高：無(wú)法對(duì)具體哪個(gè)位置的變壓器問(wèn)題進(jìn)行精準(zhǔn)定位；不能提前發(fā)現(xiàn)故障：由于無(wú)法實(shí)時(shí)對(duì)變壓器運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，也就無(wú)法提前判斷變壓器存在的潛在問(wèn)題。

1.3 產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)

供電電源7.5～40V、DC300mA；變壓器測(cè)試指標(biāo)：工作電流測(cè)試。測(cè)試范圍2A～500A、分辨率0.5A、顯示范圍0～800A、精度±2%；工作電壓測(cè)試。測(cè)試范圍100V～225kV、分辨率100V、顯示范圍100～360kV、精度±2%。接地電阻測(cè)試指標(biāo)：測(cè)量誤差方法為全波整流、測(cè)量范圍0～20Ω、顯示范圍0～20Ω分辨率0.1Ω頻率范圍。交流/直流45～400Hz正弦波、精度?！雷x數(shù)的5%、測(cè)量序列。約4次測(cè)量/秒、內(nèi)阻約1.5MΩ。測(cè)試溫度：貼片測(cè)試-50～120℃。

1.4 智能監(jiān)測(cè)預(yù)警運(yùn)用背景

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電網(wǎng)的容量、電壓等級(jí)不斷提高，變壓器作為供電系統(tǒng)中最重要的電氣設(shè)備，其安全運(yùn)行與否直接關(guān)系到電力系統(tǒng)能否連續(xù)穩(wěn)定地工作。特別是在設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中,會(huì)因制造、運(yùn)輸、安裝不良、過(guò)載及老化引起接觸電阻過(guò)大而發(fā)熱，且大型變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴，如果這些發(fā)熱部位的溫度無(wú)法監(jiān)測(cè)、得不到及時(shí)檢修，一旦發(fā)生嚴(yán)重故障而損壞將給維修工作帶來(lái)很大困難，造成經(jīng)濟(jì)上的重大損失。

近年來(lái)，在發(fā)電廠(chǎng)和變電站已發(fā)生過(guò)多起變壓器過(guò)熱、造成火災(zāi)和大面積的停電事故，且影響極大。由于電力變壓器是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備，它在整個(gè)電力系統(tǒng)中起著能量和電壓轉(zhuǎn)換的作用，其安全運(yùn)行關(guān)系到整個(gè)電力系統(tǒng)能否連續(xù)穩(wěn)定的工作。鑒于電力變壓器在系統(tǒng)中的重要性，電力變壓器的保護(hù)一直受到世人的重視和關(guān)注。為避免此類(lèi)事故的發(fā)生，基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變壓器在線(xiàn)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變壓器的電流、電壓、溫度、接地電阻等信息，在數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常波動(dòng)時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警，提醒維護(hù)或安全監(jiān)管人員即時(shí)處置，將故障消滅在萌芽狀態(tài)，避免事故發(fā)生。

2 智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

2.1 智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的功能

地圖導(dǎo)航。綜合電子地圖顯示變壓器的分布情況并匯總變壓器數(shù)量，通過(guò)點(diǎn)擊圖標(biāo)可跳至變壓器的詳細(xì)信息；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)?？刹榭茨超F(xiàn)場(chǎng)變壓器的電流、電壓、溫度、接地電阻等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并可以實(shí)時(shí)曲線(xiàn)的方式表現(xiàn)出來(lái)；事件報(bào)警。本系統(tǒng)可遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)變壓器的電流、電壓、溫度、接地電阻等數(shù)據(jù)，并針對(duì)各數(shù)據(jù)設(shè)置報(bào)警閾值，如超標(biāo)可自動(dòng)平臺(tái)推送報(bào)警提示并觸發(fā)聲光報(bào)警，同時(shí)把報(bào)警時(shí)間同步推送到管理人員的手機(jī)上，提醒管理人員及時(shí)處理；歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)。系統(tǒng)包含豐富的歷史數(shù)據(jù)查看與管理功能，可隨時(shí)調(diào)取查看變壓器運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)，可根據(jù)時(shí)間、設(shè)備名稱(chēng)、安裝地點(diǎn)等參數(shù)，快速查詢(xún)對(duì)應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)信息，并支持導(dǎo)出與打印以便存檔[1]。

2.2 智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的組成

電流采集模塊。采用的芯片有一個(gè)電流輸出端，可用一個(gè)電阻來(lái)簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)以大地為參考點(diǎn)的電流轉(zhuǎn)換，并可工作在較寬的電壓范圍內(nèi)。擁有完美的高端電流監(jiān)測(cè)功能，內(nèi)部含有精密的內(nèi)部監(jiān)測(cè)電阻，在工作范圍內(nèi)精度誤差不超過(guò)±2%。

電壓信號(hào)處理模塊。采用的芯片進(jìn)行對(duì)電壓的采集與A/D轉(zhuǎn)換，芯片是經(jīng)過(guò)激光修正的單片精密真有效值A(chǔ)C/DC轉(zhuǎn)換器。其主要特點(diǎn)是準(zhǔn)確度高、靈敏性好（滿(mǎn)量程為200mVRMS）、測(cè)量速率快、頻率特性好（工作頻率范圍可達(dá)0～460kHz）、輸入阻抗高、輸出阻抗低、電源范圍寬且功耗低最大的電源工作電流為200μA，用它來(lái)測(cè)量正弦波電壓的綜合誤差不超過(guò)±3%。在測(cè)量電壓時(shí)，由于變壓器的電壓量值較大，需先通過(guò)電壓互感器將交流高電壓降低為交流低壓，以便于所設(shè)計(jì)的電壓監(jiān)測(cè)控制模塊的安全與有效處理。

溫度采集模塊。芯片采用冷端溫度補(bǔ)償、熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器可進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償，并將K型熱電偶信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。數(shù)據(jù)輸出為12位分辨率、SPI兼容、只讀格式。轉(zhuǎn)換器溫度分辨率為0.25℃，可讀取溫度達(dá)+1024℃，熱電偶在0℃至+700℃。DHT11的PCB封裝圖如圖1；接地電阻狀態(tài)采集模塊。根據(jù)三點(diǎn)測(cè)試原理，利用恒電流做激勵(lì)，激勵(lì)源采用將2.5～10mA自適應(yīng)恒流交流方波，采集點(diǎn)采用3級(jí)濾波，干擾源補(bǔ)充，300～1500Hz變頻等濾波。通過(guò)計(jì)算機(jī)RE軟件控制技術(shù)，抑制地網(wǎng)電壓雜波，使其測(cè)量準(zhǔn)確。

圖1 溫濕度傳感器PCB圖

警報(bào)安全模塊。當(dāng)電力變壓器的溫度、電流、電壓及接地電阻超出額定值時(shí)，系統(tǒng)警報(bào)系統(tǒng)將會(huì)亮燈、鳴笛給與警示；數(shù)據(jù)的傳輸系統(tǒng)。采用GPRS無(wú)線(xiàn)傳輸設(shè)備，它是一款內(nèi)嵌GSM/GPRS核心單元的無(wú)線(xiàn)Modem，采用GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)為傳輸媒介，它利用GSM移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的短信息和GPRS業(yè)務(wù)為用戶(hù)搭建了一個(gè)超遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)，具有完備的電源管理系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)的串行數(shù)據(jù)接口。外觀小巧，軟件接口簡(jiǎn)單易用，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸[2]。

3 測(cè)試與分析

在本系統(tǒng)硬件線(xiàn)路和軟件全部開(kāi)發(fā)完成后，該系統(tǒng)將進(jìn)行測(cè)試。首先將電腦連接串口的加載器，連接單片機(jī)的JTAG口并將STM32單片機(jī)上電。然后打開(kāi)總程序并選擇相應(yīng)的調(diào)試工具，使用STLINK調(diào)試。在連接完畢后查看是否找到單片機(jī)，如成功找到就將程序編譯調(diào)試一遍后下載入單片機(jī)。

圖2 硬件設(shè)計(jì)圖

在調(diào)試過(guò)程中偶爾會(huì)遇到加載失敗的情況，這時(shí)一般通過(guò)對(duì)單片機(jī)的斷電再上電復(fù)位就能下載成功。調(diào)試器啟動(dòng)后，串口設(shè)定相應(yīng)的通訊格式并輸出數(shù)據(jù)。溫度、濕度、水位、門(mén)禁和噪音強(qiáng)度在1秒的時(shí)間間隔能實(shí)時(shí)顯示。這里1秒周期是人為設(shè)定的，可根據(jù)實(shí)際情況改變其采集頻率。在經(jīng)過(guò)串口調(diào)試正常后再將串口通信得到的數(shù)據(jù)通過(guò)LCD12864液晶顯示屏打印出來(lái)顯示。由于液晶顯示器的管腳較多且各個(gè)功能較繁瑣，所以將顯示器的所有管腳統(tǒng)一接在GPIOB口上，而水位和門(mén)禁傳感器由于采用ADC采集，所以接在GPIOA上，而溫濕度傳感器和光照傳感器就接在GPIOC上。其中需要注意傳感器的VCC與GND不能接反，不然傳感器會(huì)燒壞。

該系統(tǒng)以STM32的最小系統(tǒng)為基礎(chǔ)，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)基本要素，充分利用單片機(jī)的功能，高速I(mǎi)/O和存儲(chǔ)容量，通過(guò)詳細(xì)研究傳感器的原則和電氣特性，對(duì)于基本數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)沒(méi)有任何連接方面的問(wèn)題，且測(cè)量參數(shù)能保持高度穩(wěn)定性，各通道的采樣性能和基本要素的測(cè)量性能能滿(mǎn)足基本數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需要。同時(shí)該基本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能滿(mǎn)足以下要求：能實(shí)時(shí)測(cè)量出溫度、濕度、噪音強(qiáng)度、門(mén)禁、水位等基本要素；能在LCD液晶屏上實(shí)現(xiàn)本地顯示采集到的數(shù)據(jù)；能實(shí)現(xiàn)通過(guò)串口通信輸出數(shù)據(jù)并能發(fā)送給上位機(jī)?；緮?shù)據(jù)硬件采集系統(tǒng)主要包括STM32控制系統(tǒng)、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊及LCD顯示屏的本地顯示。該系統(tǒng)通過(guò)傳感器壓信號(hào)產(chǎn)生的變化來(lái)向單片機(jī)傳遞基本數(shù)據(jù)的變化，并由串口通信發(fā)送給電腦， LCD液晶顯示屏完成顯示[3]。