淺析配電房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主機研究與設計

摘要:配電房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)大多存在設備離線造成實時性變差，容易早接線復雜、易出故障、維護麻煩等問題，設計一種易于接線和維護的統(tǒng)一接口十分必要。本文以STC12C5A60S2單片機為核心研制了一種配電房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主機，以I/O和RS485通信等形式采集配電房各種開關量模擬量輸入，控制各種對象，同時采用標準RJ45接口設計了統(tǒng)一接口。應用結果表明，采用單片機進行主機設計并采用RJ45接口解決了上述配電房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題，具有很好的推廣價值。

關鍵詞:配電房；環(huán)境監(jiān)控；主機

1引言

各行各業(yè)的配電房安全穩(wěn)定運行直接關系到用戶用電可靠性和穩(wěn)定性。配電房分布面廣、設備量大、運行環(huán)境復雜、運維管理困難，人工巡檢耗時且存在監(jiān)控盲區(qū)容易漏巡和誤巡。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷成熟和發(fā)展，信息化技術在電力配電房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應用。通過IEC104規(guī)約遠程實時監(jiān)控配電房各種環(huán)境參數(shù)，高效排查解決隱患并形成記錄，無需人工定期巡檢，運維效率高[3]。

目前許多環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)采用工控機或者觸摸屏作為上位機。其RS485通信口通過485隔離器與帶有通信功能的開關量輸入輸出模塊通信，采集開關量輸入、控制開關量輸出。同時，通過RS485通信線與帶有通信功能的六氟化硫氧氣模塊、溫濕度模塊通信采集相關環(huán)境參數(shù)。所有采集數(shù)據(jù)在本地顯示或者通過聯(lián)網(wǎng)上傳到平臺供運維人員使用。此類系統(tǒng)存在兩個主要問題：（1）當相關485設備模塊離線時，上位機輪詢會造成采集實時性變差。（2）接口未規(guī)范統(tǒng)一：采用接線端子外接各種開關量輸入輸出以及485外設，安裝調試也較容易造成線路接錯，容易出故障，并且維護麻煩。

為解決上述問題，本文提出一種采用單片機的環(huán)境監(jiān)控主機，通過單片機采集外部設備數(shù)據(jù)，工控機與單片機通信進行監(jiān)控，同時，主機采用統(tǒng)一的RJ45網(wǎng)絡接口，解決了因外設掉線引起采集延遲，接線復雜易錯、維護困難等問題。

2環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)組成

配電房環(huán)境監(jiān)控主要完成如表1所示的環(huán)境參數(shù)采集（模擬量和開關量）及輸出控制。

表1配電房常見環(huán)境監(jiān)控參數(shù)及控制對象

圖1配電房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)框圖

配電房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)組成如圖1所示。根據(jù)表1所示的采集參數(shù)和控制對象，結合實際配電房環(huán)境監(jiān)控需求，采用單片機設計配電房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主機，通過I/O口采集煙霧、水浸、紅外入侵等開關量輸入并控制風機、照明、水泵、空調等對象，通過485通信采集六氟化硫氧氣、溫濕度等模擬量輸入，并將參數(shù)通過485通信傳給LED屏顯示，通過485通信實現(xiàn)觸摸屏上參數(shù)顯示、對象控制和報警記錄。同時，通過485通信與工控機連接，工控機與遠程平臺聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)的上傳，以及控制命令的下發(fā)。工控機可實現(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)的遠程監(jiān)控。

3監(jiān)控主機硬件設計

配電房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主機以單片機為核心，根據(jù)采集參數(shù)和控制對象，設計了12路光耦隔離輸入，8路光耦隔離繼電輸出，2個RS485通信電路。

圖2配電房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主機

3.1開關量輸入輸出電路

主機采用STC12C5A60S2單片機作為處理器。該單片機共有32個I/O口。基于STC12C5A60S2單片機的主機集成光耦隔離輸入、光耦隔離繼電器輸出電路，無另行購買，節(jié)約成本，采集和控制的實時性更好。主機共設計了12路開關量光耦隔離輸入，8路開關量隔離繼電器輸出（其中4路采用RJ45接口用于直接控制空調控制器，4路通過接線端子外接接觸器控制照明、水泵、風機等）。

開關量隔離輸入電路及對應RJ45接口如圖3所示。煙霧、水浸、入侵等開關量輸入傳感器的共同點是有四根線：供電12VDC的正極、供電12VDC的負極、公共端（一般接12VDC正極）、常閉觸點，統(tǒng)一采用RJ45的568B線序。兩兩雙絞的作為一個功能，預防其中一根斷路造成故障，具體功能分配如圖3左側所示。

圖3開關量隔離輸入電路及對應RJ45接口

4路采用RJ45輸出的繼電器隔離輸出的電路圖如圖4所示.采用RJ45的568B線序與空調控制器連接，用于控制空調開關；另外4路采用接線端子，方便外接接觸器，用于控制照明、水泵、風機等。

圖4開關量隔離繼電輸出電路及對應RJ45接口

3.2RS485通信電路

監(jiān)控系統(tǒng)主機共有兩個485通信電路，一個與上位機（工控機）通信，另一個通過八路485隔離中繼器與從機通信。STC12C5A60S2單片機共有2個串口，符合系統(tǒng)兩個485的通信需求。圖5為監(jiān)控系統(tǒng)主機的485通信電路1電路圖。該通信電路采用STC12C5A60S2單片機的串口1（RXD、TXD），隔離中繼器的485通信電路2電路圖類似，不同點在于采用單片機的串口2（RXD2、TXD2）。

圖5監(jiān)控系統(tǒng)主機485通信電路1電路圖3.3RS485通信接口

六氟化硫氧氣模塊、溫濕度模塊、上位機USB轉485轉換器、觸摸屏、LED屏等均采用RS485通信。為了統(tǒng)一采用RS45接口，線序采用568B標準。具體功能對應的線序定義如下：供電12VDC的正極采用藍白/藍、12VDC的負極采用棕白/棕、通信線A采用橙白/綠白、通信線B采用橙/綠，共形成橙白/橙、綠白/綠2對A、B雙絞線，抗干擾能力有效提升。

4監(jiān)控主機軟件設計

4.1軟件設計總體思路

配電房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主機軟件設計采用模塊化設計思路，主要分為：開關量輸入采集任務、開關量輸出控制任務、環(huán)境監(jiān)控聯(lián)動控制任務和基于Modbus-RTU協(xié)議的四個通信任務：模擬量輸入采集、LED屏顯示、觸摸屏從機通信、工控機主機通信。多任務各自獨立又相互協(xié)同，確保輸入采集的正確性和輸出控制的可靠性。

所有開關量輸入輸出和模擬量輸入等均由單片機進行采集或者控制。上位機是與單片機直接通信，因此，即使六氟化硫氧氣模塊等485設備離線或損壞，也不會造成采集參數(shù)實時性下降。

4.2開關量輸入任務

在硬件上采用光耦隔離抗干擾的設計基礎上，開關量輸入采集任務在軟件上設計采用軟件防抖、濾波等技術，能夠有效防止線路干擾引起煙霧、水浸、紅外入侵等輸入的誤報警和輸出控制的誤動作，提高系統(tǒng)工作的可靠性。

4.3開關量輸出控制任務

開關量輸出控制任務是單片機根據(jù)工控機接收的遠程控制命令或觸摸屏下發(fā)的本地控制命令，進行照明、風機、水泵等開關輸出控制。為了保證遠程控制的安全性，在單片機控制輸出任務加入約定的加密校驗碼（“控制密鑰”），確保不因網(wǎng)絡入侵而造成配電房的誤動作。

4.4Modbus-RTU通信任務

模擬量輸入采集、LED屏顯示、觸摸屏從機通信、工控機主機通信均采用標準Modbus-RTU通信協(xié)議。程序設計時，分為四個通信任務。

模擬量輸入采集任務通過與六氟化硫氧氣模塊、溫濕度模塊的485通信，根據(jù)傳感器通信協(xié)議，讀取相應寄存器內(nèi)的SF6、O2、溫度、濕度等配電房模擬量環(huán)境參數(shù)。為了采集數(shù)據(jù)的可靠性，采用軟件濾波方式進行抗干擾軟件設計：每次采集15個數(shù)據(jù)，冒泡排序后取中間三個數(shù)據(jù)的平均值。此外，六氟化硫氧氣模塊需要定期進行校正。因此，需要在該任務添加校正程序，根據(jù)上位機發(fā)送的校正命令，根據(jù)六氟化硫氧氣模塊的校正協(xié)議進行通信校正。

LED屏顯示任務是采用單片機將采集的SF6、O2、溫度、濕度等參數(shù)通過Modbus-RTU協(xié)議，寫入LED顯示屏。為了提高通信效率，采用批量寫入LED顯示屏對應寄存器，從而實現(xiàn)在LED顯示屏上滾動顯示相關環(huán)境監(jiān)控參數(shù)，正常數(shù)據(jù)采用綠色顯示，異常數(shù)據(jù)采用紅色顯示。

觸摸屏從機通信任務中，單片機作為主機，觸摸屏作為從機，單片機通過Modbus-RTU協(xié)議批量將數(shù)據(jù)轉發(fā)給觸摸屏顯示。同時定期讀取觸摸屏上照明、風機、水泵等控制按鈕的狀態(tài)，控制相關輸出的標志位，從而在開關量輸出控制任務中執(zhí)行相關控制。

在工控機主機通信中，單片機作為從機，工控機作為主機通過Modbus-RTU協(xié)議采集單片機中已經(jīng)采集的各種開關量、模擬量環(huán)境參數(shù)，通過IEC104電力規(guī)約上報電力公司物聯(lián)網(wǎng)平臺。同時，電力運維人員在APP或者PC端控制命令通過物聯(lián)網(wǎng)平臺下發(fā)到工控機，工控機通過Modbus-RTU協(xié)議向單片機下發(fā)控制命令，單片機根據(jù)命令控制相關輸出的標志位，執(zhí)行相關控制任務。

4.5聯(lián)動控制任務

為了實現(xiàn)配電房環(huán)境參數(shù)和輸出控制對象的聯(lián)動，編寫聯(lián)動程序。聯(lián)動程序可以與上位機或者觸摸屏進行閾值等參數(shù)設置的交互，從而在原有遠程測控的基礎上，實現(xiàn)配電房環(huán)境參數(shù)的本地智能化聯(lián)動控制。

當六氟化硫濃度到達某個閾值，自動開啟風機排出六氟化硫氣體；當溫度濕度達到某個閾值，空調自動打開調節(jié)溫度濕度；當水浸傳感器監(jiān)測到有淹水時，自動打開水泵進行排水。

以上相關報警信息也可以在配電室門上LED屏上實現(xiàn)實時報警顯示，以防配電運維人員進入造成六氟化硫中毒等。

5安科瑞配電室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

5.1概述

配電室綜合監(jiān)控系統(tǒng)包括智能監(jiān)控系統(tǒng)屏、通訊管理機、UPS電源、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)（云臺球機、槍機）、環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)（溫度、濕度、水浸、煙感）、控制子系統(tǒng)（燈光、空調、除濕機、風機、水泵）、門禁監(jiān)控子系統(tǒng)（讀卡器、開門按鈕、磁力鎖）、安防監(jiān)控子系統(tǒng)（雙鑒檢測器）。

5.2應用場所

適用于軌道交通，工業(yè)，建筑，學校，商業(yè)綜合體等35kV及以下用戶端供配電自動化系統(tǒng)工程設計、施工和運行維護。

5.3系統(tǒng)結構

5.4系統(tǒng)功能

5.4.1實時監(jiān)測

能夠顯示配電室設備的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測配電室環(huán)境參數(shù)信息，實時顯示有關故障、告警等信息。

5.4.2數(shù)據(jù)查詢

在人機界面中，可以直接查看配電室中各個設備的運行數(shù)據(jù)。

5.4.3曲線查詢

可以直接查看各電參量曲線。

5.4.4運行報表

查詢配電室內(nèi)設備的運行數(shù)據(jù)報表。

5.4.5實時告警

具有實時告警功能，系統(tǒng)能夠對配電室溫度、濕度、有害氣體、設備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。

5.4.6歷史事件查詢

能夠對產(chǎn)生的所有事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和進行歷史追溯、查詢統(tǒng)計、事故分析。 

5.4.7用戶權限管理

設置了用戶權限管理功能，可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限。

5.4.8網(wǎng)絡拓撲圖

支持實時監(jiān)視并診斷各設備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡結構。

5.4.9遙控功能

可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的設備進行遠程遙控操作。

5.5系統(tǒng)硬件配置

6應用與總結

配電房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主機采用STC12C5A60S2單片機進行設計，接口統(tǒng)一，采用1U機柜，接線美觀整齊，如圖6中間所示。

圖6配電房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主機應用實物圖

本文所設計的配電房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主機共有12路開關量隔離輸入RJ45接口（可任意接入煙霧、水浸、紅外入侵等傳感器），8路開關量輸出控制（其中4路為空調控制RJ45接口，另外4路為風機、照明、水泵等控制接線端子接口），6路485通信RJ45接口（六氟化硫氧氣模塊、溫濕度模塊、LED模塊各2個），1路觸摸屏從機485通信RJ45接口，以及1個工控機主機485通信RJ45接口。主機真正實現(xiàn)了電路和接口的模塊化、標準化設計，可靠性大大提升，故障率大大降低，接線整齊美觀容易維護。

此外，工控機作為上位機與監(jiān)控主機通信，通過網(wǎng)絡或者4G數(shù)據(jù)流量，采用IEC104電力規(guī)約與物聯(lián)網(wǎng)平臺通信，實現(xiàn)遠程測控。

參考文獻

[1]袁路路.基于電力物聯(lián)網(wǎng)的智能配電房狀態(tài)監(jiān)測與故障預警研究[碩士學位論文].華南理工大學,廣州,2020

[2]楊士昉,楊仕友,費章君.基于IEC104規(guī)約的配電房運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā).電工技術,2020(13):110-112,119

[3]張恒,陳軍球,方振.智能電房環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究.機電信息,2019(36):31,34

[4]國網(wǎng)浙江省電力有限公司嘉興供電公司.一種基于電力物聯(lián)網(wǎng)的分布式配電房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng):CN201911282250.8[P].2021-11-26.

[5]陳菊紅,遲海,孟慶敏.智能配電臺區(qū)配電房環(huán)境變量監(jiān)測及關鍵技術.科學與財富,2018(19):189

[6]徐志保,羅建官,陳夢琴,鄭錦峰,吳金斌.配電房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主機研究與設計

[7]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022.5版