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摘要：本文基于电气工程学到的知识，论述了箱式变电站热故障监测预警的研究背景与意义，并详细介绍了本文所采用数字信号处理方法及通信方式。
关键词：箱式变电站 热故障 在线监测 Modbus
中圖分类号：TM63 文献标识码：A 文章编号：1009-5349（2018）12-0251-02
一、电气工程背景下箱式变电站热故障监测系统
（一）热故障监测整体架构
箱式变电站是将一次设备和二次设备按照一定方案连接而成的配电设备，被广泛用于配电网中。但是箱式变电站在运行过程中，经常会出现各种各样的故障。据相关部门统计，当电气设备运行异常时，首先表现为热故障。[1]
为此，本文整体分为温度监测部分和通信及人机交互部分。
温度监测部分主要完成隔离开关、变压器、电力电缆、母排等连接点处温度的测量；通信及人机交互部分主要借助Modbus/IEC104协议完成监控装置内部、监控装置与监控中心之间的通信及参数的实时显示和设置。装置采用STM32F1 STM32F4的双核结构，使其具有高效的传输能力和强大的数据处理能力。STM32F407作为主控CPU，主要完成温度信号的采集并借助开入电路完成开入量监测、开出电路完成保护功能。STM32F103作为从CPU，主要完成监控装置内部以及监控装置与监控中心之间的通信。[2]
温度测量部分，本文使用在一定范围内呈线性变化的PT100完成温度信号的采集。测温模块采用分布式测量结构，每6个测量节点采集的信息借助小范围的无线传感器网络传送至中心节点。中心测温模块借助RS485将信息传送至主控CPU。考虑到数据的实时性要求，主控板与通信板之间采用传输速率相对较高的RS232方式。[3]
（二）主控部分电路设计
本文使用基于ARM Cortex-M4内核的STM32F407ZGT6作为主控芯片。该芯片内核带有FPU（浮点运算单元）和DSP指令集，可进行浮点计算；最高工作频率高达168MHz。
（1）时钟电路。对主控CPU而言，HSE振荡器时钟、HSI振荡器时钟及PLL时钟都可以驱动系统时钟（SYSCLK）。本文的高速外部时钟信号（HSE）借助25MHz的外部晶振产生，其负载电容为22pF；外部低速时钟信号由32.768kHz的外部晶振产生。它主要为实时时钟（RTC）和独立看门狗（IWDG）提供时钟源。
（2）开入电路。开入信号经限流电阻、光电耦合器后电信号被转换为光信号。MCU通过OUT2端口的电平状态读取光电耦合器左侧的开关量状态。
（3）开出电路。微处理器发出信号使光电耦合器导通，继电器通电吸合，合闸动作完成。分闸情况，与此类似。
（三）电源管理电路
为满足各功能模块的供电需求，本装置采用直流24V、5V、3.3V三个电压等级进行供电。其中直流24V、5V由输出电压为DC24V、DC5V的金升阳LH40-10D0524-06电源模块转换而来。为了保证电源的稳定性，输入电压进入金升阳电源模块之前，电源信号首先进入由安规电容、压敏电阻及共模电感组成的EMC电源电路。
（四）温度测量模块
本文将测温模块直接接触物体，实现温度信息的直接获取。温度在线监测终端选择STM32F030、无线射频芯片NRF24L01作为嵌入控制层的硬件平台。
受安装位置的要求，本文采用电池与互感取电相结合的方法进行供电，在母线、变压器等空间较大的地方采用电池供电，在断路器、电力电缆等狭小的地方，采用互感器取电。无线测温模块采用分布式测量结构，每6个测量节点将采集的数据通过小范围的无线传感器网络传送至中心节点NRF24L01，可采用地址和频率的方式区分不同监测点，本文采用地址的方式进行区分。中心节点处STM32F030负责接收温度和地址的发送，并通过RS485将信息传送至主控CPU。
二、通讯协议
（一）Modbus简介
本文采用基于RTU传输模式的RS485串口Modbus协议。该协议实现了一个主站和一个或多个从站之间的信息交互，同时提供了现场总线上设备之间的客户端/服务器模型。
该协议规定所有的通信过程由主站发起，子站不主动上传数据，且子站之间也不进行通信。双方通信时，地址域内放置从机设备地址，有效范围为1～247。0不能作为从机地址，因为所有从机都可以识别。通信原理也比较简单，主机发起通信时将地址域放丛机的地址，丛机响应时地址域放自身地址。若从机正常响应，则从机上传原功能代码，但是若通信异常，需将功能码置1发送。数据域指明寄存器开始的地址、读取字节数和从机返回的寄存器数据。校验码是CRC循环冗余码。
功能码分为位操作和字操作两类，本文使用位操作指令中功能码为0x01的读线圈状态控制电磁阀、MOS管输出；功能码是0x02的输入离散量DI读取开关状态。字操作指令中使用0x03、0x04分别用来设置阈值及电压、电流、温度等模拟量的读取。
（二）Modbus实现
FreeModbus协议是一个针对嵌入式应用的免费通用Modbus协议，且其可以被用于商业中。因此本文使用FreeModbus完成Modbus协议的移植，进而避免自己制定协议扩展困难的问题。
本文采用RTU传输模式的RS485串口Modbus协议。该协议是一种客户端和服务器模型，即所有的通信过程都由客户端发起，通过串口中断的方式完成数据的接收及发送，而服务器不能主动上传。该协议不包含显著的开始字符及结束字符，主要是借助帧与帧之间的时间间隔来区分传送是否完成。因此，当客户端完成串口、定时器初始化、RTU传输模式选择，并借助eMBEnable（ ）函数实现串口、定时器和协议栈使能之后，整个Modbus协议就开始运作起来。之后，通过eMBPoll（ ）函数可查询协议栈的状态，进而处理相应的消息事件。 三、实验分析
为了验证本文的数据处理精度以及通信协议的合理移植，本文通过Modbus poll软件模拟监控中心与监测终端之间的通讯。该软件可以同时监视多个从设备/数据域，支持浮点、双精度、长整型等多种格式。使用也比较简单，只要设定从设备ID、功能、地址、大小和轮询间隔，就可以实现与从机之间的通信。
经试验证明，本文可以完成数据的正常通信。
四、结语
箱式变电站是近几年兴起的，鉴于其安装方便、占地面积小及移动方便等优點，被广泛用于配电网中。但是其电力设备在长期运行过程中会出现各种各样的故障，其中过热性故障占的比例最大。为此本文提出了温度监测部分、通信及人机交互部分、数据处理等部分组成的在线监测方案。
本文首先分析了箱式变电站热故障的研究背景和意义；紧接着介绍箱式变电站热故障软硬件设计；最后进行了可靠性和可行性的功能测试。
整体上本文的设计方案，基本实现了数据处理、数据通信的功能，但是由于时间和经验不够，设计上还有很多问题值得推敲、改进和优化。比如，IEC104及Modbus协议的学习是一个漫长的学习过程，目前自己仅仅停留在简单应用和初步理解阶段，后续还需要更深层次的学习。
参考文献：
[1]黄新波.变电设备在线监测与故障诊断[M].北京：中国电力出版社，2010.
[2]冯利民，孙昕.箱式变电站智能综合管理的原理与实现[J].电力系统及其自动化学报，2003，23（5）：83-86.
[3]LIANG Wei，WANG Nan，WANG Zhen.Research on Source Maintenance Key Technology of the Smart Substation[J].Journal of Power and Energy Engineerg，2014，2（4）：239-243.
[4]Vadiati M，Shariati M.R，Farzalizadeh S.Buses Architecture of Substation Automation System Based on Significance Level of Substation[J].Journal of Applied sciences，2010，10（20）：2464-2468.
[5]LI Hongwei，WANG Lixin.Research on Technologies in Smart Substation[J].energy Procedia， 2011，12（39）：113-119.
责任编辑：孙瑶
关键词：箱式变电站 热故障 在线监测 Modbus
中圖分类号：TM63 文献标识码：A 文章编号：1009-5349（2018）12-0251-02
一、电气工程背景下箱式变电站热故障监测系统
（一）热故障监测整体架构
箱式变电站是将一次设备和二次设备按照一定方案连接而成的配电设备，被广泛用于配电网中。但是箱式变电站在运行过程中，经常会出现各种各样的故障。据相关部门统计，当电气设备运行异常时，首先表现为热故障。[1]
为此，本文整体分为温度监测部分和通信及人机交互部分。
温度监测部分主要完成隔离开关、变压器、电力电缆、母排等连接点处温度的测量；通信及人机交互部分主要借助Modbus/IEC104协议完成监控装置内部、监控装置与监控中心之间的通信及参数的实时显示和设置。装置采用STM32F1 STM32F4的双核结构，使其具有高效的传输能力和强大的数据处理能力。STM32F407作为主控CPU，主要完成温度信号的采集并借助开入电路完成开入量监测、开出电路完成保护功能。STM32F103作为从CPU，主要完成监控装置内部以及监控装置与监控中心之间的通信。[2]
温度测量部分，本文使用在一定范围内呈线性变化的PT100完成温度信号的采集。测温模块采用分布式测量结构，每6个测量节点采集的信息借助小范围的无线传感器网络传送至中心节点。中心测温模块借助RS485将信息传送至主控CPU。考虑到数据的实时性要求，主控板与通信板之间采用传输速率相对较高的RS232方式。[3]
（二）主控部分电路设计
本文使用基于ARM Cortex-M4内核的STM32F407ZGT6作为主控芯片。该芯片内核带有FPU（浮点运算单元）和DSP指令集，可进行浮点计算；最高工作频率高达168MHz。
（1）时钟电路。对主控CPU而言，HSE振荡器时钟、HSI振荡器时钟及PLL时钟都可以驱动系统时钟（SYSCLK）。本文的高速外部时钟信号（HSE）借助25MHz的外部晶振产生，其负载电容为22pF；外部低速时钟信号由32.768kHz的外部晶振产生。它主要为实时时钟（RTC）和独立看门狗（IWDG）提供时钟源。
（2）开入电路。开入信号经限流电阻、光电耦合器后电信号被转换为光信号。MCU通过OUT2端口的电平状态读取光电耦合器左侧的开关量状态。
（3）开出电路。微处理器发出信号使光电耦合器导通，继电器通电吸合，合闸动作完成。分闸情况，与此类似。
（三）电源管理电路
为满足各功能模块的供电需求，本装置采用直流24V、5V、3.3V三个电压等级进行供电。其中直流24V、5V由输出电压为DC24V、DC5V的金升阳LH40-10D0524-06电源模块转换而来。为了保证电源的稳定性，输入电压进入金升阳电源模块之前，电源信号首先进入由安规电容、压敏电阻及共模电感组成的EMC电源电路。
（四）温度测量模块
本文将测温模块直接接触物体，实现温度信息的直接获取。温度在线监测终端选择STM32F030、无线射频芯片NRF24L01作为嵌入控制层的硬件平台。
受安装位置的要求，本文采用电池与互感取电相结合的方法进行供电，在母线、变压器等空间较大的地方采用电池供电，在断路器、电力电缆等狭小的地方，采用互感器取电。无线测温模块采用分布式测量结构，每6个测量节点将采集的数据通过小范围的无线传感器网络传送至中心节点NRF24L01，可采用地址和频率的方式区分不同监测点，本文采用地址的方式进行区分。中心节点处STM32F030负责接收温度和地址的发送，并通过RS485将信息传送至主控CPU。
二、通讯协议
（一）Modbus简介
本文采用基于RTU传输模式的RS485串口Modbus协议。该协议实现了一个主站和一个或多个从站之间的信息交互，同时提供了现场总线上设备之间的客户端/服务器模型。
该协议规定所有的通信过程由主站发起，子站不主动上传数据，且子站之间也不进行通信。双方通信时，地址域内放置从机设备地址，有效范围为1～247。0不能作为从机地址，因为所有从机都可以识别。通信原理也比较简单，主机发起通信时将地址域放丛机的地址，丛机响应时地址域放自身地址。若从机正常响应，则从机上传原功能代码，但是若通信异常，需将功能码置1发送。数据域指明寄存器开始的地址、读取字节数和从机返回的寄存器数据。校验码是CRC循环冗余码。
功能码分为位操作和字操作两类，本文使用位操作指令中功能码为0x01的读线圈状态控制电磁阀、MOS管输出；功能码是0x02的输入离散量DI读取开关状态。字操作指令中使用0x03、0x04分别用来设置阈值及电压、电流、温度等模拟量的读取。
（二）Modbus实现
FreeModbus协议是一个针对嵌入式应用的免费通用Modbus协议，且其可以被用于商业中。因此本文使用FreeModbus完成Modbus协议的移植，进而避免自己制定协议扩展困难的问题。
本文采用RTU传输模式的RS485串口Modbus协议。该协议是一种客户端和服务器模型，即所有的通信过程都由客户端发起，通过串口中断的方式完成数据的接收及发送，而服务器不能主动上传。该协议不包含显著的开始字符及结束字符，主要是借助帧与帧之间的时间间隔来区分传送是否完成。因此，当客户端完成串口、定时器初始化、RTU传输模式选择，并借助eMBEnable（ ）函数实现串口、定时器和协议栈使能之后，整个Modbus协议就开始运作起来。之后，通过eMBPoll（ ）函数可查询协议栈的状态，进而处理相应的消息事件。 三、实验分析
为了验证本文的数据处理精度以及通信协议的合理移植，本文通过Modbus poll软件模拟监控中心与监测终端之间的通讯。该软件可以同时监视多个从设备/数据域，支持浮点、双精度、长整型等多种格式。使用也比较简单，只要设定从设备ID、功能、地址、大小和轮询间隔，就可以实现与从机之间的通信。
经试验证明，本文可以完成数据的正常通信。
四、结语
箱式变电站是近几年兴起的，鉴于其安装方便、占地面积小及移动方便等优點，被广泛用于配电网中。但是其电力设备在长期运行过程中会出现各种各样的故障，其中过热性故障占的比例最大。为此本文提出了温度监测部分、通信及人机交互部分、数据处理等部分组成的在线监测方案。
本文首先分析了箱式变电站热故障的研究背景和意义；紧接着介绍箱式变电站热故障软硬件设计；最后进行了可靠性和可行性的功能测试。
整体上本文的设计方案，基本实现了数据处理、数据通信的功能，但是由于时间和经验不够，设计上还有很多问题值得推敲、改进和优化。比如，IEC104及Modbus协议的学习是一个漫长的学习过程，目前自己仅仅停留在简单应用和初步理解阶段，后续还需要更深层次的学习。
参考文献：
[1]黄新波.变电设备在线监测与故障诊断[M].北京：中国电力出版社，2010.
[2]冯利民，孙昕.箱式变电站智能综合管理的原理与实现[J].电力系统及其自动化学报，2003，23（5）：83-86.
[3]LIANG Wei，WANG Nan，WANG Zhen.Research on Source Maintenance Key Technology of the Smart Substation[J].Journal of Power and Energy Engineerg，2014，2（4）：239-243.
[4]Vadiati M，Shariati M.R，Farzalizadeh S.Buses Architecture of Substation Automation System Based on Significance Level of Substation[J].Journal of Applied sciences，2010，10（20）：2464-2468.
[5]LI Hongwei，WANG Lixin.Research on Technologies in Smart Substation[J].energy Procedia， 2011，12（39）：113-119.
责任编辑：孙瑶