运用ARM技术实现的在线电力监测测控系统的研究

运用ARM技术实现的在线电力监测测控系统的研究

惠联涛,杨春林

中核兰州铀浓缩有限公司，甘肃兰州，730065

摘要：随着社会的发展,人类对能源的依赖性日益猛增，电能在现阶段扮演着不可或缺的角色。供电系统一旦发生故障瘫痪，将对人类的社会生活和生产活动产生巨大的影响。所以供电系统在保证供电质量的同时，如何实现低成本、高可靠性的运行维护问题日益突出。伴随着供电系统的技术迭代、用电设备的多样化，其体系越发庞杂，日常运行维护的劳动强度、工作难度骤升，使得通过人工来保障日常供电系统的运行维护越发困难，尤其在一些危害人类健康的供电场合。所以需要一种智能化、在线的供电监测系统，不仅能够实现供电系统日常耗能的监测、统计和存储，而且能够识别已有故障和可能出现的故障并定位，最终告知运行维护人员进行针对性检修。本论文以特定行业运行工厂的供电系统为对象，充分调研运行工厂供电系统的具体情况，根据实际需求，开展对在线供电监测系统的设计。

关键词：在线供电监测系统 站控层 前置层 现场层 串口服务器

一.系统总体设计方案

1. 系统功能需求分析

本文所设计的在线供电监测系统，其主要功能需求是对运行工厂内高低压配电设备、中频变频电源、排风设备、冷却水设备和辅助设备的状态和运行参数进行实时监测并传送、集中显示，同时完成对监测数据的存储和实时故障报警提示，提高厂房稳定运行系数，有效降低设备运维成本。

2. 系统总体设计

基于在线供电监测系统的需求，结合当前通讯技术现状，从工厂实际应用经验出发，在线供电监测系统设计原则如下：

（1）所监测的内容根据实际工厂运维需要和投资情况考虑其必要性，以可靠实用为原则。

(2)系统结构要求具有很好的稳定性：一是系统网络拓扑使得某一接点或某一设备的故障不影响其它设备和系统的正常运行；二是选型设备（使用设备都为工业级设备）本身具有较好的稳定性和良好的故障保护功能；三是采用多种通信方式和通信介质，以太网和串行总线构成综合在较远距离采用光纤通信介质，保证通信不受距离影响。

(3)系统结构要求具有先进性：设计的系统和设备应能满足现行发布的关于供电设备集中监控系统的全部技术规范和要求，软硬件能方便和可预见的进行扩容。能够满足系统长期建设和发展的需要。

(4)系统的设计要求充分考虑了系统平滑的扩容和升级的能力，以适应工厂未来发展和管理的需要。监控系统要求适应监控网络化趋势，不落后，不重复投资；采用内部局域网通信和管理，更稳定更安全。对于采集点较多的底层设备，采用分布式IO系统，对监控区域的动力设备、辅助设备等信息实施统一平台下的监控。

在线供电监测系统是基于现场总线的分布式电气监测系统，采用了软件技术、网络技术、现场总线技术、分布式技术。该系统是一种网络化、开放式的电气综合监控系统，并且符合相关行业标准。

3.在线供电监测系统组成模块

根据本在线供电监测系统所监测电气设备在工厂内的分布、所监测电气设备使用的通信协议将本在线供电监测系统采用分层设计、分模块设计。

本在线供电监测系统由站控层、前置层和现场层构成。监控系统的网络拓扑采用星型拓扑，其优点是各个现场监控单元互相不影响，某一监控单元的故障不会影响其它监控单元的正常工作。

其中站控层硬件上主要包含电脑、交换机和打印机。其中电脑安装有在线供电监测系统的上位机程序，作为人机交互界面，不仅可以实现实时供电系统运行数据的只读，并可以将运行历史数据以柱状图等形式显示，存储历史数据。交换机与下级前置层中的多台前置柜进行通信，主要用作扩展计算机的以太网接口。而打印机作为第二输出设备使用。

其中前置层在系统中起到承上启下的作用，一方面针对现场层中的不同通信协议的设备进行通信，另一方面将现场层的通信数据进行打包处理与站控层的交换机进行通信。

其中现场层最为庞杂，由不同厂家提供的多种多样的供电设备构成，通信协议也不尽相同。且散落在工厂的角角落落，受限于通信波特率与通信距离的矛盾，难以实现一台前置柜对全部现场层的设备进行通信，所有决定了前置层由多台前置柜构成。

二．硬件设计与实现

1.系统硬件

本在线供电监测系统结构上划分出了站控层、前置层和现场层。其中站控层使用的电脑、交换机和打印机，均可使用成熟的工业产品直接使用，其中针对电脑开发在线供电监测系统上位机程序即可；但前置层中的前置柜起着承上启下的作用，其中串口服务器不仅直接与现场层中的多种多样的监测设备通信，需要兼容不同监测设备的通信协议，难以选用成熟产品满足全部需求，而且与站控层的交换进行以太网通信。故在本在线供电监测系统的开发中，针对串口服务器进行了设计与开发。

2.串口服务器

前置柜中串口服务器不仅需要与现场层的8个监测设备进行串口通讯，而且需要与站控层中的交换机进行以太网通讯，可见其核心任务是通讯，并将现场层的8个监测设备数据进行打包，通过以太网接口上传至站控层的交换机。

硬件是整个基于STM32技术的基础,怎样选择合适的器件来组成整个硬件电路十分关键,也是本章叙述的重点。除此之外,以下部分还会分别阐述本设计运用到的各个模块的特性和原理,以及它们所能实现的功能。功能上将串口服务器硬件上划分为核心控制器部分、以太网接口部分、通讯模块接口部分、指示灯部分和电源部分。并将串口服务器电路板封装在铁盒中，一方面提供足够的结构支撑防护，避免安装使用过程中对电路板的破坏；另一方面进行电磁屏蔽，防止工厂中的电磁干扰对串口服务器造成影响。

3.硬件调试问题及处理

在串口服务器的硬件调试过程中遇到了一些问题，首先检查连线是否正确，然后检查供电是否异常，在各器件均正常工作的条件下，通过硬件仿真的手段分析问题、解决问题，遇到的典型问题如下：

（1） 串口通信异常问题

串口服务器与监测设备的数据通信调试过程中，发现与个别监测设备的通信异常，且通信不稳定的情况，频发通信故障。经过排查发现该路监测设备的终端电阻未连接，即总线中阻抗匹配不合适导致通信故障。增加终端电阻后问题得以解决。

（2） 以太网通讯异常问题

串口服务器的以太网通信调试过程中，发现将正在通讯的以太网网线拔下再插上，以太网通信无法恢复。通过在开发环境中的硬件仿真，发现以太网网线拔下后触发了网卡状态机，将网卡状态设置为未连接；而重新插上网线后，网卡状态机未及时将网卡状态设置为已连接。而处于未连接状态的网卡是不允许发送数据，导致以太网通信失败。

（3） LED通信指示灯异常

串口服务器与Modbus slave通信测试过程中，发现个别串口通信故障指示灯偶尔出现状态异常。通过程序走读，发现该串口通信故障指示灯状态被其他函数复位，导致指示状态异常。

三.总结

随着供电系统的更新迭代，人工周期性检修难以保障供电系统的可靠性，故需要智能化、在线化的供电监测系统投入，不仅能够实现供电系统日常耗能的监测、统计和存储，而且能够识别已有故障和可能出现的故障并定位，告知运维人员进行针对性检修。由传统的周期性检修和故障后检修升级为预判性检修。针对特定行业工厂的供电系统监测需求，制定了本在线供电监测系统的功能需求，基于需求对本在线供电监测系统进行了总体方案设计，从结构上划分为站控层、前置层和现场层。站控层作为本在线供电监测系统的顶层，直接面对工厂运维人员，由电脑、交换机和打印机组成；前置层由多台前置柜组成，前置层在本在线供电监测系统中起着承上启下的作用，一方面与现场层中多种多样的监测设备进行通信，另一方面汇总打包上传至站控层；现场层则由形形色色的监测设备组成。

随后从硬件层面分析了本在线供电监测系统中站控层内的电脑、交换机和打印机均可使用成熟产品直接使用，只针对电脑开发相应的上位机程序即可；而前置层中的串口服务器由于面对形形色色的监测设备，通信协议不尽相同，难以从选型成熟产业应用，故针对性进行了硬件设计与实现。分别选型设计了核心处理器、485数据采集模块、以太网数据交互模块、网口驱动模块和外围辅助模块。

参考文献

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[3]马腾飞. 基于电流分布规律的接触网在线监测研究[D].北京交通大学,2017.04