浅谈配电房环境监控系统主机研究与设计
1引言
各行各业的配电房安全稳定运行直接关系到用户用电可靠性和稳定性配电房分布面广设备量大运行环境复杂运维管理困难人工巡检耗时且存在监控盲区容易漏巡和误巡随着物联网技术的不断成熟和发展信息化技术在电力配电房环境监控系统中得到越来越广泛的应用通过IEC104规约远程实时监控配电房各种环境参数高效排查解决隐患并形成记录无需人工定期巡检运维效率高[3]
目前许多环境监控系统采用工控机或者触摸屏作为上位机其RS485通信口通过485隔离器与带有通信功能的开关量输入输出模块通信采集开关量输入控制开关量输出同时通过RS485通信线与带有通信功能的六氟化硫氧气模块温湿度模块通信采集相关环境参数所有采集数据在本地显示或者通过联网上传到平台供运维人员使用此类系统存在两个主要问题（1）当相关485设备模块离线时上位机轮询会造成采集实时性变差（2）接口未规范统一采用接线端子外接各种开关量输入输出以及485外设安装调试也较容易造成线路接错容易出故障并且维护麻烦
为解决上述问题本文提出一种采用单片机的环境监控主机通过单片机采集外部设备数据工控机与单片机通信进行监控同时主机采用统一的RJ45网络接口解决了因外设掉线引起采集延迟接线复杂易错维护困难等问题
2环境监控系统组成
配电房环境监控主要完成如表1所示的环境参数采集（模拟量和开关量）及输出控制
表1配电房常见环境监控参数及控制对象
图1配电房环境监控系统框图
配电房环境监控系统组成如图1所示根据表1所示的采集参数和控制对象结合实际配电房环境监控需求采用单片机设计配电房环境监控系统主机通过I/O口采集烟雾水浸红外入侵等开关量输入并控制风机照明水泵空调等对象通过485通信采集六氟化硫氧气温湿度等模拟量输入并将参数通过485通信传给LED屏显示通过485通信实现触摸屏上参数显示对象控制和报警记录同时通过485通信与工控机连接工控机与远程平台联网实现环境参数数据的上传以及控制命令的下发工控机可实现视频监控系统门禁系统的远程监控
3监控主机硬件设计
配电房环境监控系统主机以单片机为核心根据采集参数和控制对象设计了12路光耦隔离输入8路光耦隔离继电输出2个RS485通信电路
图2配电房环境监控系统主机
3.1开关量输入输出电路
主机采用STC12C5A60S2单片机作为处理器该单片机共有32个I/O口基于STC12C5A60S2单片机的主机集成光耦隔离输入光耦隔离继电器输出电路无另行购买节约成本采集和控制的实时性更好主机共设计了12路开关量光耦隔离输入8路开关量隔离继电器输出（其中4路采用RJ45接口用于直接控制空调控制器4路通过接线端子外接接触器控制照明水泵风机等）
开关量隔离输入电路及对应RJ45接口如图3所示烟雾水浸入侵等开关量输入传感器的共同点是有四根线供电12VDC的正极供电12VDC的负极公共端（一般接12VDC正极）常闭触点统一采用RJ45的568B线序两两双绞的作为一个功能预防其中一根断路造成故障具体功能分配如图3左侧所示
图3开关量隔离输入电路及对应RJ45接口
4路采用RJ45输出的继电器隔离输出的电路图如图4所示.采用RJ45的568B线序与空调控制器连接用于控制空调开关另外4路采用接线端子方便外接接触器用于控制照明水泵风机等
图4开关量隔离继电输出电路及对应RJ45接口
3.2RS485通信电路
监控系统主机共有两个485通信电路一个与上位机（工控机）通信另一个通过八路485隔离中继器与从机通信STC12C5A60S2单片机共有2个串口符合系统两个485的通信需求图5为监控系统主机的485通信电路1电路图该通信电路采用STC12C5A60S2单片机的串口1（RXDTXD）隔离中继器的485通信电路2电路图类似不同点在于采用单片机的串口2（RXD2TXD2）
图5监控系统主机485通信电路1电路图3.3RS485通信接口
六氟化硫氧气模块温湿度模块上位机USB转485转换器触摸屏LED屏等均采用RS485通信为了统一采用RS45接口线序采用568B标准具体功能对应的线序定义如下供电12VDC的正极采用蓝白/蓝12VDC的负极采用棕白/棕通信线A采用橙白/绿白通信线B采用橙/绿共形成橙白/橙绿白/绿2对AB双绞线抗干扰能力有效提升
4监控主机软件设计
4.1软件设计总体思路
配电房环境监控系统主机软件设计采用模块化设计思路主要分为开关量输入采集任务开关量输出控制任务环境监控联动控制任务和基于Modbus-RTU协议的四个通信任务模拟量输入采集LED屏显示触摸屏从机通信工控机主机通信多任务各自独立又相互协同确保输入采集的正确性和输出控制的可靠性
所有开关量输入输出和模拟量输入等均由单片机进行采集或者控制上位机是与单片机直接通信因此即使六氟化硫氧气模块等485设备离线或损坏也不会造成采集参数实时性下降
4.2开关量输入任务
在硬件上采用光耦隔离抗干扰的设计基础上开关量输入采集任务在软件上设计采用软件防抖滤波等技术能够有效防止线路干扰引起烟雾水浸红外入侵等输入的误报警和输出控制的误动作提高系统工作的可靠性
4.3开关量输出控制任务
开关量输出控制任务是单片机根据工控机接收的远程控制命令或触摸屏下发的本地控制命令进行照明风机水泵等开关输出控制为了保证远程控制的安全性在单片机控制输出任务加入约定的加密校验码（控制密钥）确保不因网络入侵而造成配电房的误动作
4.4Modbus-RTU通信任务
模拟量输入采集LED屏显示触摸屏从机通信工控机主机通信均采用标准Modbus-RTU通信协议程序设计时分为四个通信任务
模拟量输入采集任务通过与六氟化硫氧气模块温湿度模块的485通信根据传感器通信协议读取相应寄存器内的SF6O2温度湿度等配电房模拟量环境参数为了采集数据的可靠性采用软件滤波方式进行抗干扰软件设计每次采集15个数据冒泡排序后取中间三个数据的平均值此外六氟化硫氧气模块需要定期进行校正因此需要在该任务添加校正程序根据上位机发送的校正命令根据六氟化硫氧气模块的校正协议进行通信校正
LED屏显示任务是采用单片机将采集的SF6O2温度湿度等参数通过Modbus-RTU协议写入LED显示屏为了提高通信效率采用批量写入LED显示屏对应寄存器从而实现在LED显示屏上滚动显示相关环境监控参数正常数据采用绿色显示异常数据采用红色显示
触摸屏从机通信任务中单片机作为主机触摸屏作为从机单片机通过Modbus-RTU协议批量将数据转发给触摸屏显示同时定期读取触摸屏上照明风机水泵等控制按钮的状态控制相关输出的标志位从而在开关量输出控制任务中执行相关控制
在工控机主机通信中单片机作为从机工控机作为主机通过Modbus-RTU协议采集单片机中已经采集的各种开关量模拟量环境参数通过IEC104电力规约上报电力公司物联网平台同时电力运维人员在APP或者PC端控制命令通过物联网平台下发到工控机工控机通过Modbus-RTU协议向单片机下发控制命令单片机根据命令控制相关输出的标志位执行相关控制任务
4.5联动控制任务
为了实现配电房环境参数和输出控制对象的联动编写联动程序联动程序可以与上位机或者触摸屏进行阈值等参数设置的交互从而在原有远程测控的基础上实现配电房环境参数的本地智能化联动控制
当六氟化硫浓度到达某个阈值自动开启风机排出六氟化硫气体当温度湿度达到某个阈值空调自动打开调节温度湿度当水浸传感器监测到有淹水时自动打开水泵进行排水
以上相关报警信息也可以在配电室门上LED屏上实现实时报警显示以防配电运维人员进入造成六氟化硫中毒等
5安科瑞配电室环境监控系统
5.1概述
配电室综合监控系统包括智能监控系统屏通讯管理机UPS电源视频监控子系统（云台球机枪机）环境监测子系统（温度湿度水浸烟感）控制子系统（灯光空调除湿机风机水泵）门禁监控子系统（读卡器开门按钮磁力锁）安防监控子系统（双鉴检测器）
5.2应用场所
适用于轨道交通工业建筑学校商业综合体等35kV及以下用户端供配电自动化系统工程设计施工和运行维护
5.3系统结构
5.4系统功能
5.4.1实时监测
能够显示配电室设备的运行状态实时监测配电室环境参数信息实时显示有关故障告警等信息
5.4.2数据查询
在人机界面中可以直接查看配电室中各个设备的运行数据
5.4.3曲线查询
可以直接查看各电参量曲线
5.4.4运行报表
查询配电室内设备的运行数据报表
5.4.5实时告警
具有实时告警功能系统能够对配电室温度湿度有害气体设备故障或通信故障等事件发出告警
5.4.6历史事件查询
能够对产生的所有事件记录进行存储和管理方便用户对系统事件和进行历史追溯查询统计事故分析
5.4.7用户权限管理
设置了用户权限管理功能可以定义不同级别用户的登录名密码及操作权限
5.4.8网络拓扑图
支持实时监视并诊断各设备的通讯状态能够完整的显示整个系统网络结构
5.4.9遥控功能
可以对整个配电系统范围内的设备进行远程遥控操作
5.5系统硬件配置
名称 | 型号 | 图片 | 功能 |
系统 | ACREL-2000E | Acrel-2000E配电室综合监控系统可实现开关柜运行监控高压开关柜带电显示母线及电缆测温监测环境温湿度监测有害气体监测安防监控可对灯光风机除湿机空调控制等设备进行联动控制实现动力环境各数据的检测与设备控制优化动力环境避免运行环境的失控导致配电设备运行故障保证维护人员安全延长设备使用寿命实现配电动力环境的分布式远程管理 | |
智能通信管理机 | Anet-2E4SM | 通用网关2路网口4路RS485可选配1路LORA带电告警功能支持4854G从模块扩展 | |
主机 | Acrel-2000E/A | 数据采集状态监测设备控制报警事件记录查询可以根据采集到的设备数据或状态联动启动风机声光报警器空调水泵等设备 | |
Acrel-2000E/B | 参数设置通信管理图形绘制状态监测设备控制视频监控和回放报警事件记录查询报警图片和视频查询功能 | ||
Acrel-2000E/M | 参数设置通信管理图形绘制状态监测设备控制视频监控和回放报警事件记录查询报警图片和视频查询功能立柜式安装 | ||
Acrel-2000E/G | 参数设置通信管理图形绘制状态监测设备控制视频监控和回放报警事件记录查询报警图片和视频查询功能立柜式安装 | ||
环境监测硬件 | RS-WS-NO1-8 | 用于配电房温度和湿度工作电源AC/DC85～265V工作温度-40.0℃～99.9℃工作湿度0%RH～99%RH | |
BRJ-307 | 光电式烟雾传感;电源正极（DC12V）+12V继电器输出常开触点 | ||
RS-SJ-N01R01-2 | 接触式水浸传感器监测变电所电缆沟控制室等场所积水情况工作电源DC10-30V工作温度-20℃~+60℃工作湿度0%RH~80%RH响应时间1s继电器输出常开触点 | ||
环境监测硬件 | T35-II-5.6 | 风量4800带温控器带消声段电机变频 | |
AT8002 | 常开型感应距离30-50mm材质锌合金银灰色电度干接点输出 | ||
DS-2DC6120BY-A | 视频监控 | ||
ARTU-KJ8 | 8路开关量输入,8路继电器输出 |
6应用与总结
配电房环境监控系统主机采用STC12C5A60S2单片机进行设计接口统一采用1U机柜接线美观整齐如图6中间所示
图6配电房环境监控系统主机应用实物图
本文所设计的配电房环境监控系统主机共有12路开关量隔离输入RJ45接口（可任意接入烟雾水浸红外入侵等传感器）8路开关量输出控制（其中4路为空调控制RJ45接口另外4路为风机照明水泵等控制接线端子接口）6路485通信RJ45接口（六氟化硫氧气模块温湿度模块LED模块各2个）1路触摸屏从机485通信RJ45接口以及1个工控机主机485通信RJ45接口主机真正实现了电路和接口的模块化标准化设计可靠性大大提升故障率大大降低接线整齐美观容易维护
此外工控机作为上位机与监控主机通信通过网络或者4G数据流量采用IEC104电力规约与物联网平台通信实现远程测控
参考文献
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[2]杨士昉,杨仕友,费章君.基于IEC104规约的配电房运行状态监控系统开发.电工技术,202013:110-112,119
[3]张恒,陈军球,方振.智能电房环境监测系统研究.机电信息,201936:31,34
[4]国网浙江省电力有限公司嘉兴供电公司.一种基于电力物联网的分布式配电房环境监控系统:CN201911282250.8[P].2021-11-26.
[5]陈菊红,迟海,孟庆敏.智能配电台区配电房环境变量监测及关键技术.科学与财富,201819:189
[6]徐志保,罗建官,陈梦琴,郑锦峰,吴金斌.配电房环境监控系统主机研究与设计
[7]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.5版
