基于云平台的配电网基础设备环境监控系统

谭 睿，石垒垒，冯月芹，吴 楠

（南京工程学院，江苏 南京 211800）

0 引 言

随着城市的经济发展，10 kV电缆线路在城市配网中的应用越来越广泛，环网柜和开闭所也随之广泛地应用到配电网电缆线路中，其智能化水平是配电网络自动化的基础，是我国智能电网建设的重要一环[1]。这些基础装备的安全运行对我国电网具有重要意义，因此实时监控环网柜和开闭所的工作环境和状态，对于配电网实时运行状态非常重要[2]。目前的环网柜数据采集单元大多只关注电压、电流以及功率等电量数据的通信传输，缺少对工作环境和自身状态的监测，而且配电网自动化系统中也没有对环网柜和开闭所等终端设备的环境与状态信息整理管理机制。随着传感器与检测技术、通信与网络技术的发展，特别是互联网+的发展，为开发构建一套具有整体信息化思想的电力基础装备环境监控系统提供了技术支撑[3]。同时云平台的发展，也推动了配电设备的智能化进程，它能够快速综合地处理大量的环境信息和状态信息，使工作人员可以更加方便获取设备的各种状态信息数据，并进行评估分析，有效规避各种安全事故。此外可以更加高效地制定工作计划和检修计划，减少不必要的人力物力浪费，从而提高电力企业的劳动效率，节约设备的运行维护成本。因此提出并设计了一种基于云平台的配电网基础设备环境监控系统（以下简称“监控系统”）设计方案，该系统能够实时监控环网柜的环境。

1 总体设计

系统总体结构如图1所示。本系统以STM32单片机为控制核心，设计一个环境监控系统，其组成主要包括STM32单片机模块、SHT30温湿度传感器模块、冷凝片、以太网模块以及数码管显示模块。

图1 系统总体结构图

数据采集与控制单元采用STM32F407微处理器，芯片内部有以太网控制器，适合做以太网的开发应用。终端及控制部分的主要工作包括以下4点，一是通过SHT30温湿度传感器采集数据，二是根据设定的阈值及采集来的数据控制风扇和冷凝片工作和停止，三是将采集到的温湿度数据显示在数码管上，四是通过以太网向服务器传输采集的温湿度数据和本机的一些状态等[4]。

通过SHT30温湿度传感器模块测量温湿度并显示在数码管上，并先设定一定湿度值作为冷凝片启动的阈值，根据季节变化按键可以改变冷凝片启动的阈值，通过GPRS模块传送给手机和以太网模块最后传送给服务器，实现远程实时数据查询和历史故障记录，也可以在服务器上修改终端温湿度的阈值，此外还可以远程控制冷凝片和风扇以实现手动环境除湿操作。

2 终端数据采集硬件电路设计

2.1 温湿度数据采集

SHT30数字温湿度传感器是Sensirion盛世瑞恩公司生产的，具有成本低、电压宽（2.4～5.5 V）、功耗低、精度高以及尺寸小等特点，采用IIC总线与CPU通信，最高支持1 000 kb/s的传输速率，通信时间较短。此外提供了一些新功能，如增强信号处理等。封装采用DFN，占位面积小，有利于集成到多种应用。

SHT30采用DFN 8脚封装，其中SDA为串行数据输入输出引脚，ADDR为地址输入引脚，ALERT为报警输出引脚，SCL为串行输入输出时钟引脚，VDD为电源电压输入引脚，RST为复位引脚，R没定义，使用时连接地，VSS为电源引脚。引脚SDA和SCL分别连接CPU的IO引脚即可，但由于SDA和SCL内部是开漏，所以要接上拉电阻。复位引脚和报警引脚没使用可以悬空，地址输入引脚ADDR接地，芯片的地址为0x44，该引脚不能悬空[5]。硬件连接如图2所示。

图2 SHT30与CPU的硬件连接

2.2 数码管显示电路设计

数码管MAX7219中，DIN为串行数据输入端引脚，DOUT为串行数据输出端引脚，用于级连扩展，LOAD为装载数据输入引脚，CLK为串行时钟输入引脚DIG0～DIG7为8位LED位选线，从共阴极LED中吸入电流，SEG A～SEG G为7段驱动引脚，SEG DP为小数点驱动引脚，ISET引脚通过一个10 k电阻和VCC相连，设置段电流[6]。MAX7219与LED屏硬件连接如图3所示。

图3 MAX7219与LED屏硬件连接图

3 监控系统软件设计

该测试系统的软件分为数据采集和通信两部分，利用Keil进行编程。Keil的开发平台运用C语言编程生成的目标代码效率非常高，很多语句通过编译环境生成的汇编代码逻辑严密并且结构简单，容易理解，并且与汇编相比，C语言在很多方面有明显优势，如具有可移植性，能够结构化编程，可读性高，可以在不同微机平台上移植，因此易学易用。为了日后的更新、维护与拓展，在设计过程中采用模块化的思想。而上位机服务器模块采用C++语言编写。C++是C语言的扩充，它既可以进行C语言的过程化程序设计，又可以进行以抽象数据类型为特点的基于对象的程序设计和以继承和多态为特点的面向对象的程序设计[8,9]。环境采集模块和通信模块以RS485通信方式相连接，目的是减小大电压情况下对数据的干扰，而通信板与上位机连接用WiFi模块，可以传递多路信息。系统软件设计的结构图如图4所示。

图4 系统软件设计结构图

在软件设计中，数据采集模块主要用来实现对测试数据的采集，通信模块通过以太网模块定时的向上位机传递数据，面板显示模块由数码管显示和按钮调节阈值。上位机界面由高级编程语言C++来设计，可以让数据通过以太网实时传输让使用者看到并且储存，供使用者查询，并且可以在上位机界面修改面板的阈值，检查硬件，如温湿度传感器和风扇等的运行状况[10]。软件设计流程图如图5所示。

图5 软件设计的流程图

4 实验应用

该监控系统用于配电网基础设施的环境监控。在进行测试时，首先运行该上位机软件，初始化相关模块后，完成上位机与目标面板通信等相关设置，然后通过点击主程序界面的相应模块测试按钮，等待相应数据的传输。当面板通上电后，SHT30将数据测量的得出给与数码管显示，并且通过以太网方式将数据传至上位机或者使用者的手机。程序面板的部分界面如图6所示，通过实际应用发现，该监控系统监控数据传输结果准确且稳定可靠。

图6 测试界面图

5 结 论

该测试系统采用具有高速数据采集优势的SHT30传感器为硬件基础，风扇和冷凝片等可以解决当网柜过湿的情况并且保证数据传递准时。软件设计采用模块化设计思想，提高了系统的可靠性和可维护性。该测试系统已用于南京工程学院多个网柜进行测试，实际应用表明该监控系统具有温湿度信息准确和通信数据稳定可靠等特点，达到了设计要求。