本文介紹的10kV智能箱式變電站遠程控制系統是由西安科技大學田輝設計開發完成。該系統以某高校學生公寓 10kV 智能箱變設計為工程背景，設計了基于物聯網的 10kV 智能箱變系統。系統由感知層、通訊層和應用層3部分組成。感知層負責傳感器數據采集并傳送至現場控制器。包括微機保護裝置、智能網絡電表和智能無功補償控制器等二次系統設備，以及溫濕度、煙霧、水浸傳感器等環境檢測設備。現場控制器選用 STM32 嵌入式微處理器，包括 LCD 顯示屏.語音報警模塊、繼電器和 GPRS 通信模塊等；通信層選用 GPRS 無線通信，負責現場控制器與云平臺之間數據的雙向傳輸；應用層在機智云平臺開發箱變遠程監控系統和手機 APP，負責箱變運行數據的存儲、分析和處理等。本系統最終實現了用戶通過電腦 WEB 或手機 APP 遠程監控箱變溫濕度、煙霧報警和基坑積水等環境參數，以及電流、電壓、頻率和功率因數等電氣參數和設備工作狀態等功能。當箱變運行出現異常或故障，監控系統自動判斷故障等級，并通過箱變現場整鈴、手機 APP、短信和電話等不同組合方式報警，通知相關工作人員及時排除故障隱患，預防電氣事故的發生。適用于箱變和配電室的遠程監控和集中管理，可以大幅度提高于學校、企業、小區的配電設備的智能化水平和供電安全可靠性。

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引 言

隨著社會經濟和配電網的建設發展，10kV箱變越來越多。傳統的10kV箱變一般采用無人值守，人工定期巡檢的運行方式，智能化程度低，缺少環境和設備的遠程監控與故障報警系統。目前，智能傳感器技術、嵌入式技術、通信技術和云計算技術的快速發展和成本的降低，基于物聯網的10kV智能箱式變電站成為傳統箱變升級改造的最優選擇。

基于物聯網的智能箱式變電站遠程監控系統可以實時遠程監控箱變環境、設備的運行參數和狀態。如圖1所示。用戶可以隨時通過電腦或手機APP遠程監控箱變溫濕度、煙霧報警、基坑積水等環境參數，以及電流、電壓、頻率、功率因數等電氣參數和設備狀態。當箱變運行出現異常或故障，監控系統將會自動根據故障等級，通過手機APP、短信和電話的不同方式報警通知相關工作人員，以便及時排除故障隱患，預防電氣事故的發生。

圖 1 基于物聯網的 10kV 智能箱式變電站

該智能箱式變電站遠程監控系統由箱變內的“現場總線局域網”和箱變外的“云平臺廣域網”組成。其結構模式可應用于二次供水設備遠程監控系統、居民用電收費管理系統和電梯遠程監控系統等設備遠程監控系統的開發，提高傳統設備的智能化水平和管理水平，促進傳統產業升級，具有良好的應用價值。

02

系統總體方案設計

基于物聯網的智能箱式變電站設計以某高校學生公寓 10kV 智能箱變設計為工程背景。10kV 智能箱變一次系統設計與傳統 10kV 箱變相同，且趨于成熟。本文側重于 10kV 智能箱變智能化設計，下面簡單概述10kV 智能箱變一次系統的設計內容。

2.1 10kV 智能箱式變電站一次系統設計

某高校 5 號學生公寓樓用電負荷主要為照明、電腦和新增空調負荷，其中每間宿舍按照 8 人計算，照明負荷 100W，每臺學生電腦負荷 200W，每臺 1.5P 分體式掛機新裝空調功率1.3kW，單間宿舍負荷 3.0kW。根據《工業與民用供配電設計手冊》，集體宿舍用電負荷需要系數取 0.7，功率因數取 0.8。5 號學生公寓用電負荷計算表如表1 所示。

表 1 某高校 5 號學生公寓樓負荷統計計算表

考慮未來學生公寓用電負載的增加，變壓器需要預留一定的裕度，選擇容量為1000kVA 的變壓器。綜合考慮到變壓器的初期投資成本和運行成本，以及國家節能減排政策要求，為此選用低損耗全密封油浸式變壓器S13-M-1000/10-0.4，它的主要技術參數如表 2 所示。

表 2 油浸式變壓器 S13-M-1000/10-0.4 型主要技術參數

在負荷統計計算、短路計算、動穩定性校驗和熱穩定性校驗的基礎上，進行箱變一次系統主要設備的選型。一次系統主要設備的具體型號和技術參數如表 3，表4，表5 和表6 所示。

表3 某高校學生公寓樓箱變電流互感器參數

表4 戶內交流高壓真空斷路器 ZN63-12 型主要參數表5 低壓總開關 DW15-1600 主要技術參數表6 高低壓各回路隔離開關型號一覽表根據 5 號學生公寓工程箱變設計要求和一次系統設計計算，設計的 5 號學生公寓箱變一次系統主接線圖如圖2所示。圖2某高校學生公寓箱變一次系統主接線圖

2.2 10kV 箱變智能化設計方案針對 10kV 傳統箱變的設計缺陷和運行管理中存在的問題，解決問題的關鍵在于構建了智能化箱變環境與設備的檢測、遠程監控和報警的閉環系統，設計具有運行環境和電氣設備遠程監控功能的智能箱變系統，能夠采集和監控箱變門禁、環境溫濕度、煙霧報警、電纜溝積水等環境參數，以及電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、電纜溫度、變壓器器身溫度和瓦斯報警信號等設備運行參數，遠程控制排風扇、微機保護裝置和斷路器開關。系統采用工業現場普遍使用的具有通信功能的智能儀表和智能傳感器，通過現場總線通信將采集的數據傳送至現場控制器，現場控制器通過無線或有線通訊模塊將數據傳給服務器或云端上位機，實現遙測、遙信和遙控等功能。基于物聯網的智能箱變遠程監控系統圖如圖3 所示。圖3 基于物聯網的智能箱變遠程監控系統圖

基于物聯網的 10kV 智能箱變遠程監控系統，選用具有數字雙向通訊功能的智能儀表和傳感器，并統一采用標準 RS485 總線接口和 Modbus-RTU 通信協議。基于物聯網的智能箱變遠程監控系統由感知層、通訊層和應用層 3 部分組成。

*感知層：通過各種智能儀表、智能傳感器采集箱變的各項環境、設備運行參數和設備工作狀態，通過 RS485 總線將數據傳送至現場控制器，現場控制器內置操作系統，具有數據采集、運算、處理和控制等功能。

*通訊層：該層是數據傳遞與交換的銜接和紐帶，負責云平臺與現場控制器之間數據的雙向傳輸。根據箱變實際通訊條件，可選擇有線光纜、以太網或無線 GPRS 等多種通信方式將數據傳送至云平臺。

*應用層：在云平臺設計開發箱變遠程監控系統，負責歷史數據的收發和處理、箱變運行參數的遠程監測和事件運行數據的記錄存儲、分析等工作。并在云平臺開發 WEB和手機 APP，值班電工可以通過電腦或手機 APP 隨時監控箱變運行數據和設備工作狀態。

03

系統硬件設計

3.1 箱變現場 RS485 總線局域網

隨著嵌入式技術的發展進步和成本的降低，針對傳統箱變現場設備信息傳送的缺點和問題，許多檢測儀表、傳感器和執行機構都內置了微處理器，可以完成 ADDA 轉化、線性化和數字濾波等功能。這些數字化現場設備內部增加一個串行通信數據接口，使用統一標準的通信協議就能實現場設備間的串行雙向通信。目前主要使用的工業總線網絡如表 7 所示。

表7 工業總線網絡類型

本智能箱變遠程監控系統設計的關鍵之一是選用具有數字雙向通訊功能的智能儀表和傳感器，并采用標準統一的總線接口和通信協議。從 5 號學生公寓 10kV 智能箱變設計的工程實際出發，選擇智能傳感器普遍支持的 RS485 總線和 Modbus-RTU通信協議。

根據某高校學生公寓箱變一次系統主接線圖和 10kV 智能箱變遠程監控系統方案設計系統框圖，系統硬件設計以箱變現場控制器為核心，由微機綜合保護裝置、智能網絡電表和智能無功補償器等二次系統設備，以及溫濕度煙霧傳感器、PT100 溫度傳感器和水侵傳感器等環境檢測傳感器組成箱變現場 RS485 總線局域網。箱變 RS485 總線局域網系統圖如圖4所示。

圖4 箱變現場 RS485 總線局域網系統圖

（1）RS485 串行通信總線

RS485總線通訊模式為主從方式，由主設備輪詢各從設備進行通訊，可以一點對多點進行組網，構成分布式系統。RS485接口是廣泛應用的低速串行接口，RS485接口具有以下特點：

* RS485接口。RS485接口通信采用差分傳輸方式，以及具有平衡驅動器和差分接收器的組合，用纜線兩端的電壓差值傳遞信號，大大增強了抗共模干擾和抗噪聲干擾能力。

* RS485總線傳輸速率高且傳輸距離遠。最大傳輸距離約1200米，最大傳輸速率10Mbps；其的傳輸速率與傳輸距離成反比，20kbps速率以下時能達到最大傳輸距離。* 支持節點多。一般情況下，一個RS485總線回路理論上可支持247個設備節點。

（2）Modbus-RTU 串行通訊協議

Modbus 協議應用于工業總線網絡，通過協議控制器和現場設備之間可以進行數據通信，不同廠家生產的設備遵循統一的協議就可以組成工業總線網絡監控系統。該協議為主從結構，網絡中一個主節點，其他為從節點，每一個從節點有一個唯一的設備地址。在串行總線網絡中，主節點啟動一個命令，所有從設備都會收到該命令，Modbus 命令中包含了執行該命令的從設備地址，主設備指定的從設備先回應再執行指令。Modbus 命令中有檢查碼，以確定到達的命令沒有被破壞。Modbus 命令可以指令 RTU 改變它的寄存器數值，讀取或控制 I/O 端口，命令設備回傳一個或多個寄存器數據。

Modbus 包括 ASCII、RTU 和 TCP 三種報文類型。ASCII傳輸模式，，LRC 校驗，傳輸效率低，但是直觀、簡單、易調試。RTU傳輸模式，采用 CRC 校驗，傳輸效率高，比 ASCII 稍微復雜。一般來說，如果所需要傳輸的數據量較小可以考慮使用 ASCII 協議；所需傳輸的數據量比較大，最好能使用 RT U 協議。為此，本系統的智能儀表和傳感器統一選用 Modbus-RTU 通信模式。

3.2箱變現場控制器硬件設計

箱變現場控制器由嵌入式系統構成。嵌入式系統是以應用為中心、軟硬件可裁剪，實現設備的自動化、智能化和遠程監控等功能，主要由嵌入式微處理器、相關硬件、嵌入式操作系統和應用軟件系統等組成。嵌入式系統的特點如表8所示。

表8 嵌入式系統的特點本智能箱變現場控制器就是嵌入式系統，其系統設計框圖如圖5所示

圖5 智能箱變現場控制器系統框圖

（1）STM32 微處理器最小系統

嵌入式微處理器最小系統包括嵌入式微處理器、復位電路和調試電路。時鐘電路提供所需的外部時鐘信號，復位電路提供統一的初始狀態，調試電路提供程序下載和調試的接口。

* 嵌入式微處理器。根據 10kV 智能箱變遠程監控系統對現場控制器性能的要求，本系統選擇 STM32F103ZET6 芯片作為現場控制器核心微處理器。STM32F103ZET6 嵌入式微處理器， MCU 集成度高、功耗低、性價比高，適用于工業醫療領域的各種應用需求，能夠滿足本系統數據采集和實時性處理的要求。

* 晶振電路。晶振電路給微處理器提供固定的頻率脈沖，使微處理器正常運行。STM32 微處理器有兩個晶振，8MHz 的晶振提供外部高速時鐘，32.768KHz 晶振提供外部低速時鐘。晶振電路圖如圖6所示。

圖6 晶振電路圖* 復位電路。微處理器復位電路的作用是重啟系統，當系統發生故障時按下復位健可以重啟設備，一般復位電路使用低電平信號重啟。本系統復位電路如圖 7所示。圖7 復位電路圖

（2）電源電路設計

本系統選用額定電壓為 12V（2A）的直流外部電源，選擇 USB 接口的直流 5V（2A）電源適配器為現場控制器供電。12V 直流電源接入控制板，通過 LM2596S 降壓模塊，將直流 12V 電源降壓得到直流 5V 電源。5V 電壓再通過 AMS1117-3.3V 穩壓芯片得到 3.3V 電壓給 STM32 芯片供電。LM2596S 及AMS1117-3.3V 電源穩壓電路圖如圖 8所示。

圖8 LM2596S 及 AMS1117-3.3V 穩壓電路圖

（3）RS485 接口轉 TTL 模塊

RS485 接口轉 TTL 模塊實現了 RS485 信號與 TTL 信號的雙向轉化和通信，但信號必須輪流交替執行，不能同時在兩個方向上進行。所有現場設備均使用該模塊與單片機連接，接線圖如圖 9所示。

圖9 RS485 轉 TTL 模塊接線圖

（4）LCD 顯示模塊

由于箱變遠程監控系統現場控制器需要顯示的數字和字符內容較多，因此選擇 2.8寸 TFT-LCD 液晶顯示屏作為顯示模塊，其內部有 ILI9341 控制器。考慮STM32 可通過 SPI 接口、8080 接口或 RGB 接口與 ILI9341 進行通信。為了實現較快的刷新速度，TFT-LCD 選用 8080 并行數據總線接口。STM32 通過可變靜態存儲器 FSMC 模塊輸出數據至 ILI9341 控制器顯存，TFT-LCD 與 STM32 芯片的接線圖如圖10所示。

圖10 TFT-LCD 與 STM32 單片機接線圖

（5）語音報警模塊

當STM32 微處理器檢測到箱變運行數據出現異常或故障，它就會向串口發送信息，啟動語音報警。語音報警模塊選擇常用的語音芯片 SYN6288，根據所編寫的程序自動廣播語音告警信息。系統選用 GB2312 編碼，GB2312 編碼適用于漢字處理、漢字通信等方面的信息交換。SYN6288 還可以準確識別數字、時間和日期以及常用的測量單位。該模塊和 STM32 的連接圖如圖 11 所示。

圖11 SYN6288 語音模塊接線圖

（6）繼電器模塊

現場控制器選用一組 2 路光耦隔離繼電器模塊，用來控制直流 12V 警鈴和風扇的開啟和關斷，可根據箱變排風扇電源類型和功率選擇 220V 交流固態繼電器。每個繼電器回路模塊都有常開和常閉觸點，以及 LED 狀態指示；每個繼電器回路均采用光耦隔離，且附帶續流二極管，釋放繼電器感應電壓，保護前級電路。當箱變環境溫度超過一定的范圍時，現場控制器輸出高電平，1 路光耦隔離繼電器動作打開風扇降溫；當發生煙霧濃度過高等嚴重故障時，控制器驅動另一路光耦隔離繼電器接通警鈴回路發出現場警報。繼電器工作原理圖、繼電器模塊與 STM32 芯片的連接圖如圖12、13 所示。圖12繼電器工作原理圖

圖13繼電器與 STM32 芯片接線圖

（7）通信模塊

針對10kV 智能箱變遠程監控系統的設計要求，智能箱變與云端的通信選擇流量費用較低的 GPRS 無線通信方式。

*機智云固件 GPRS 模塊（G510_GAgent 固件）。該模塊是運行在各種通訊模組上的一款應用程序，提供云端與產品設備數據的雙向傳輸、設備配置入網、發現綁定和程序升級等功能。GPRS 模塊和主控器之間的電路圖如圖14所示。

圖14 機智云固件 GPRS 模塊和 STM32 單片機之間的連線圖

*GPRS-GA6 模塊。該模塊可以低功耗實現語音、短信息和數據的傳輸。適用于 M2M 應用中的各類設計需求，尤其適用于緊湊型產品的設計。其次，通信協議采用 UART串口總線傳輸，使用標準的 AT 命令進行模塊控制、波特率選擇 115200bps。GPRS-GA6 模塊與 STM32 單片機的連接電路圖如圖15所示。

圖15GPRS-GA6 模塊和 STM32 單片機的連接圖

3.3 微機綜合保護裝置

根據電力變壓器保護設計規范（GB/T 50062-2008）規定，10kV 變壓器通常需要裝設帶時限的過電流保護。微機保護裝置具有變壓器和線路的保護、測量和控制功能，以及數據采集、監控和系統自檢等功能，并具有較高的靈敏度和可靠性。

根據學生公寓 10kV 智能箱變的設計要求，選擇具有 RS485 通訊功能的安科瑞AM3-I電流型微機綜合保護裝置，具有 IA、IB、IC、UA、UB、UC、P、Q、Fr 等電參量測量，8 路外部開關量信號采集，以及斷路器遙控分閘和合閘操作等功能。AM3-I 微機保護裝置接線端子圖如圖 16所示。

圖16 AM3-I 微機保護裝置接線端子圖

3.4 智能網絡電表

智能網絡電表用于檢測低壓配電回路三相電流、電壓和功率等電氣參數，以及隔離開關、斷路器的開合狀態等。根據10kV智能箱變二次系統設計要求選用具有RS485通訊功能的安科瑞ACR智能網絡電表，ACR智能網絡電表與低壓電流互感器接線圖和開關量輸入輸出接線圖如圖17所示。

圖17 ACR 智能網絡電表低壓電流互感器和開關量輸入輸出接線圖

ACR智能網絡電表采用Modbus-RTU協議，可以進行電力參數的測量和采集，開關量輸入功能可以檢測隔離開關和斷路器的開關狀態，繼電器輸出功能可以遠程開啟和關閉斷路器。ACR智能網絡電表對通訊地址表有統一規劃，可以實現遙測、遙信、遙控三遙功能。

（1）交流模擬量信號的 AD 轉換和計算

ACR 智能網絡電表直接采集的 3 個相電壓信號和 3 個電流信號（電流互感器輸出信號）都屬于模擬量，需要轉換成 CPU 能夠識別的數字量信號，才能進行數據處理。首先 3 個相電壓 220V 和 3 個電流模擬量經過變換器轉變為低電壓信號，經過電壓形成回路轉換為 AD 轉換器允許的電壓；然后經過低通濾波器輸入到采樣保持器和多路轉換開關，經過 AD 轉換為數字信號輸入到 CPU。交流模擬量的采樣和 AD 轉換過程示意圖如圖18所示。

圖18交流模擬量的采樣和 AD 轉換過程示意圖

*模擬量的電壓變換和低通濾波。電壓形成回路的作用是電氣隔離變換電量，一般 AD 轉換器要求輸入信號是±5V 和±10V，由此可以確定電壓變換器的變比。低通濾波器分為無源濾波器和有源濾波器。有源濾波器由電容、電阻和集成運算放大器組成，在濾波的同時對信號起放大作用，無源濾波只有濾波功能沒有信號放大功能。

*模擬量信號采樣。采樣過程要遵循香農采樣定理，即采樣頻率必須不小于 2 倍的輸入信號的最高頻率。采樣的過程非常快，當前的 AD 轉換器采樣已經達到納秒級別，而電力系統自動裝置的采樣周期是毫秒級別，所以 6 個回路的電壓和流信號可以共用 1 個 AD 轉換器，但是采樣電路須配備采樣保持器和多路轉換開關。

*AD轉換。AD轉換器有逐次逼近型、積分型、計數型、并行比較型，以及VFC電壓頻率變換器。逐次逼近型AD轉換器是ADC中速度與精度兼顧的代表，它在較高轉換速率下具有較高的轉換分辨率。

（2）正弦電量的半周波絕對值積分算法

軟件算法的關鍵在于提高算法運算的精確和速度，智能電表的交流采樣算法的關鍵是解決如何根據正弦信號的瞬時值計算正弦采樣信號幅值或有效值。正弦量最常用的算法是半周波絕對值積分算法，半周波絕對值積分算法的原理是正弦量在任意半個周期內絕對值的積分為常數 S，而且積分值常數 S 與積分起始角無關。基于正弦函數模型的半周波絕對值積分算法如圖 19所示。

圖19 基于正弦函數模型的半周波絕對值積分算法

應用半周波絕對值積分算法計算電流有效值的表達式為：

式中，S 表示半個周期內絕對值的積分；I 表示電流有效值；i 表示電流瞬時值；w 表示角速度；T 表示交流電源周期；f 表示交流電源頻率；N 表示 1 個周期內采樣次數；Ts 表示采樣周期。

3.5 RS485 溫濕度煙霧傳感器

考慮箱變內供電線路可能出現漏電、過負荷、短路和接觸電阻過大等故障引起火災，可燃油油浸變壓器故障可能引起火災，因此箱變室內需要安裝煙霧傳感器用于箱變的火災檢測，以便早期發現故障隱患。為保證測量精度，同時降低成本，選用 RS485 溫濕度煙霧三合一傳感器用于箱變室內溫度、濕度和煙霧濃度檢測，溫濕度傳感器采用 SHT30 探頭，傳感器對 RS485 接口進行多重保護，能夠有效消除工業現場浪涌、脈沖的干擾。傳感器有紅、黑、黃、綠 4 根線，具體接線方法如下表9所示。

表 9RS485 溫濕度煙霧傳感器本系統設計的智能儀表、傳感器都采用 Modbus-RTU 協議，在全波特率 1200-115200 范圍內可靠通信，智能儀表、傳感器波特率統一設定為 9600bps。傳感器的數據傳輸格式和數據轉換格式如下：

傳感器數據問詢幀格式。傳感器遵循標準 Modbus-RTU 協議，傳感器讀數保存在保持寄存器中，功能碼為 04。上位機讀取傳感器數據問詢幀格式、下位機傳感器數據問詢幀格式如表 10、表11所示。表10上位機讀取傳感器數據問詢幀格式表 11下位機傳感器數據問詢幀格式

3.6 PT100 溫度變送器

PT100 溫度變送器用于檢測變壓器器身溫度、高壓和低壓電纜溫度，它適用于各種工業現場。變壓器運行時會產生損耗，主要是鐵損和銅損，也稱鐵芯損耗和負荷損耗。銅損大小隨負載電流而變化，與負載電流的平方成正比。變壓器損耗計算公式如下：

式中，P0 表示變壓器在額定電壓下空載運行的有功功率；I1和 I2 表示高壓線電流和低壓側線電流；R1和 R2 表示高壓側電阻和低壓側電阻。

PT100 溫度變送器內嵌 RS485 總線接口，每一個溫度變送器可接入 4 路 PT100 溫度傳感器。熱電阻 PT100 的工作原理如圖22所示。

圖22 PT100 溫度傳感器工作原理

3.7 水浸傳感器

由于箱變基坑水平面較低，大雨過后電纜溝、基坑常有積水，存在電纜漏電的安全隱患，因此需要不定期檢查和排水。本設計使用水浸傳感器檢測箱變基坑積水情況。水浸傳感器應用液體導電原理，用電極探測是否有積水存在。選用帶有 RS485 通信功能的接觸式水浸探測器。水浸探測器的工作原理如圖23所示。

圖23 水浸變送器工作原理

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系統軟件設計

該系統軟件設計包括箱變現場總線局域網軟件設計和基于機智云平臺的箱變遠程監控系統設計兩部分。箱變現場總線局域網中微機綜合保護裝置、智能網絡電表以及智能傳感器等設備已內嵌應用軟件，所以只需要進行箱變現場控制器的軟件程序設計。

4.1 箱變現場控制器開發環境

箱變現場控制器為嵌入式系統，其軟件系統由應用程序、API、嵌入式操作系統和BSP（板級支持包）組成。根據10kV智能箱變現場控制器采集的參數多、任務多、實時性要求高的特點，選擇廣泛應用于商業產品開發和教學研究的μC/OS-Ⅲ嵌入式實時操作系統。μC/OS-Ⅲ以任務為最小單元，任何任務不需要關心資源的具體管理方法，由操作系統來決定。μC/OS-Ⅲ默認有 5 個系統任務如表12所示；μC/OS-Ⅲ的任務可分為 5 種狀態如表13所示。

表12μC/OS-Ⅲ操作系統5個系統任務

表13μC/OS-Ⅲ操作系統的運行狀態4.2 箱變現場控制器軟件程序設計

整個軟件系統設計以智能儀表、傳感器、現場控制器和云平臺組成的分布式系統為基礎，進行應用軟件的設計開發，箱變現場總線設備利用串口通信協議進行現場控制器與傳感器模塊之間的數據傳輸和交換，現場控制器與機智云服務器利用 GPRS 固件中的機智云通信協議進行數據傳輸和交換。箱變現場控制器應用軟件的主程序流程圖如圖24 所示。

圖24箱變現場控制器軟件主程序的流程圖

*軟件主程序。首先，系統各部分進行初始化，比如 GPIO、串口、時鐘、內存管理等，并且在 μC/OS-Ⅲ中創建好任務。STM32 進行傳感器數據采集和處理，將正確的信息發送到LCD顯示。同時STM32給GPRS-G510模塊發送AT指令，交互數據，通過LwM2M 協議對接機智云平臺，并判斷 GPRS 通信模塊是否連接機智云服務器成功。若連接成功，則進行數據傳輸。然后判斷處理過的數據是否大于設定閾值。

若屬于箱變輕微故障，則通過云平臺發送數據信息至手機 APP；若屬于一般故障，則通過云平臺發送數據報警信息至手機 APP，并啟GPRS-GA6 通信模塊通過手機短信發送報警信息；若屬于嚴重故障，則通過云平臺發送數據報警信息至手機 APP，并啟動 GPRS-GA6 通信模塊通過手機短信發送報警信息和并撥打預設的相關人員電話。具體程序設計源代碼詳見機智云社區帖子：https://club.gizwits.com/forum.php?mod=viewthread&tid=169603&page=1&extra=#pid210120

*數據采集子程序設計。首先，主程序開啟串口數據通信功能，STM32 按照上位機讀取傳感器數據問詢幀格式向傳感器下發數據采集命令，傳感器按照下位機傳感器數據問詢幀格式上傳數據。STM32 收到傳感器上傳的數據幀后，按規定格式解包和 CRC校驗；如果 CRC 校驗結果錯誤，則重新采集傳感器數據。

理論上，一個 RS485 總線回路可以接 247 個傳感器設備，每個傳感器都提前定義了一個唯一的地址。STM32 下發的數據幀每個智能傳感器都能收到，并對其解包；當傳感器地址與 STM32 下發的數據幀的幀頭地址一致時，傳感器首先進行 CRC 校驗；若 CRC校驗結果正確，傳感器將指定寄存器的數值按照標準數據格式上傳至 STM32 單片機。單片機再調用相關程序讀取數據，計算出實際參數。STM32 單片機數據收發流程圖如圖 25 所示。

圖25STM32 單片機數據收發流程圖

*GPRS-GA6 子程序設計。STM32 可以通過向 GPRS-GA6 模塊發送 AT 指令撥打電話，撥打電話報警任務流程圖如圖 26 所示。

首先，初始化串口 4，開啟中斷接收；然后發送“AT”指令確認鏈路通斷情況；如果 GPRS-GA6 模塊返回“OK”則表示鏈路接通。接著發送“AT+CPIN?”確認 SIM 卡是否存在，以及發送“AT+CERG?”確定 GPRS 模塊注冊網絡是否成功。完成這兩步檢測后，可以發送“ATD+用戶手機號；”撥打電話到指定的用戶手機上，通過電話報警“箱變發生嚴重故障”。報警指令發送完成后，馬上掛起該任務，以防止短時間多次撥打電話。如果報警指令出錯或是發送失敗，STM32 的串口 4 沒有收到數據指令，則設置錯誤標志位并直接掛起任務，然后等待錯誤分析任務確認后重啟電話任務。圖26GPRS-GA6 撥打電話任務流程圖4.3 機智云平臺箱變遠程監控系統的設計開發

云平臺被喻為第四次信息革命的開端，它將應用部署在云端，充分利用互聯網的滲透性，與移動設備完美融合。云端硬件、軟件的維護和更新升級由專業云服務提供商負責，用戶根據應用系統的需要擴展云端資源，按照自身需求購買服務并支付相應的費用。

機智云為開發者提供了物聯網 PaaS 云服務平臺，通過多元化的應用 API 提供了完善的 SDK（軟件開發工具包），IDE 集成開發環境，MCU 代碼自動生成器以及 APP 代碼自動生成器等。機智云平臺還提供了基于云計算的大數據統計分析，人工智能和標準化 IoT 應用服務，開發者可以在云端進行物聯網應用和服務的二次開發。

為了實現端到端的研發，在設備端機智云提供了聯網模塊 GAgent 和標準串口通訊協議，支持 WiFi、GPRS、3G、4G、NB-IoT 等多種無線接入方式；在 APP 端機智云提供了 iOS 、Android 和微信等 SDK。針對設備開發和應用開發，機智云推出了 MCU 代碼自動生成工具和APP 代碼自動生成工具，幫助開發者低成本、快速的實現 IoT 設備的數據采集分析、設備管理和用戶管理等系統遠程監控功能。本系統選用機智云平臺作為云端服務器，使用機智云平臺提供的 G510 GAgent 組件進行設備與云端的通信。

*G510 Gagent 固件。G510GAgent 主要的作用是數據轉發，是設備數據和機智云數據交互的橋梁。該固件內置了《機智云平臺標準接入協議之MCU與WiFi模組通訊》、《機智云平臺標準接入協議之設備與云端通訊》和《機智云平臺標準接入協議之 APP與設備通訊》，用戶只需關注產品系統的業務邏輯開發，不用關心數據的通訊功能開發。G510 GAgent 提供了一套對嵌入式系統開發友好的封裝，開發工程師只需面向業務邏輯編程，不用考慮云端通信的細節。該模塊通過串口和微控制器進行通訊，采用 DC 5V供電方式。

* 云端創建產品和數據點。機智云基于自助式智能硬件開發工具與開放的云端服務，為開發者提供了自主開發接入流程。開發者按照流程注冊一個賬號，然后創建新產品，定義產品數據點，進行 MCU 開發和 APP 應用開發。首先在機智云云端創建“10kV智能箱變遠程監控系統”產品，機智云會自動為產品分配一組 Product Key 和 Product Secret，每個 G510 模組對應 1 個產品編號和密鑰。Product Key 由開發者寫入嵌入式系統的 MCU，并告知 GPRS 模塊；GPRS 模塊登錄機智云后，機智云會識別該 Product Key 的產品。本系統已建立了多個傳感器數據點，新建數據點界面如圖27所示。圖27 機智云平臺部分數據點建立圖

Product Secret 是 APP 開發和服務器對接時需要使用的參數。數據點用于描述產品屬性和功能，數據點創建后可確定云端與設備通訊的數據格式。數據點基本內容包括顯示名稱，標識名，讀寫類型，數據類型和備注。數據點的顯示名稱如：開關、溫度等。讀寫類型包括只讀、可寫、報警和報警。數據類型包括布爾值、數據類型、數值和擴展。備注用于說明當前數據點的功能和定義方法，提高數據點的易讀性。

* 生成 MCU 代碼。根據創建的數據點，在“MCU 開發”選項界面中選擇“獨立 MCU 方案”，以及“硬件平臺 STM32F103ZET6”選項，機智云直接生成適應 STM32F103ZET6 芯片的工程代碼。自動生成的 MCU SDK 代碼提供了機智云通信協議的封包和解析，傳感器數據和通信數據的轉換邏輯，并且封裝成了簡單的 API。當設備收到云端傳輸的數據后，程序將數據轉換成對應的事件并通知應用層，開發者只需在對應事件的處理邏輯中添加傳感器控制函數，便可完成產品開發。

* 生成手機 APP 代碼。為降低開發智能硬件 APP 的開發門檻，機智云在《APP開源框架》的基礎上推出了實現產品完整控制功能的 APP 開源代碼。在開發者完成產品和相關數據點后，在應用配置中選擇 Andriod 或 iOS 手機操作系統，生成對應手機系統的 APP 代碼。開發者下載源碼后，只需要優化界面設計和產品控制界面的控制邏輯設計，按照機智云 SDK 控制設備的標準流程進行相關代碼的優化即可完成智能箱變遠程監控系統手機 APP 的開發。

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系統調試與分析

系統調試與分析的主要任務是檢查硬件電路是否正常，啟動系統監測設備測量數據是否穩定正確；當達到設定的閾值時，系統是否啟動相應報警程序，是否可以發送短信以及撥打電話報警。

設備整體安裝完成后，經過調試，溫度、濕度、煙霧濃度、電流、電壓等數據可以正常在屏幕上顯示，并且數據顯示正確，更改環境參數后，屏幕顯示及時刷新，監測結果正常。設備整體調試如圖28 所示，現場控制器 LCD 屏上顯示的電氣和環境運行參數如圖 29所示。

圖28智能箱變遠程監控系統調試圖29現場控制器 LCD 屏顯示的箱變電氣、環境運行參數

通過機智云平臺，PC 端或手機 APP 可以隨時查看設備運行狀況，APP 顯示數據與設備屏幕上顯示數據一致，通過手機 APP 可以遠程控制風扇的開啟。手機 APP 顯示的部分監控數據如圖 30所示。

圖30 手機 APP 顯示的部分測試數據經過了一段時間的系統運行測試，遠程監控系統設備運行正常，各種傳感器測量參數準確，實現了用戶通過手機 APP 遠程監控箱變環境、電氣運行參數和設備工作狀態的目標。經過測試，手機 APP 部分經過調試實現了與箱變傳感器、執行設備的即時通信，在手機 APP 上可以隨時查看箱變的環境和電氣運行參數，可以在手機上遠程實現對風扇等設備的啟停操作。若發生因網絡故障導致設備掉線后，還可以實現設備的自動連接。

10kV 智能箱變遠程監控系統中設置了多個環境和電氣運行參數的閾值，當檢測數據超過設定閾值，現場控制器自動啟動相應報警程序。根據箱變故障等級，系統設計了不同的現場報警和遠程報警模式，以免小故障釀成大事故。具體故障等級和報警模式如表14所示。箱變設備故障短信報警如圖31所示。

表14 箱變故障報警模式圖31箱變設備發生故障時手機短信報警

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總 結

本文針對傳統 10kV 箱變缺少運行環境和設備的遠程監控，智能化程度低、供電安全、可靠性低等缺陷和問題，以某高校 5 號學生公寓 10kV 智能箱變設計為背景，設計了基于物聯網的 10kV 智能箱式變電站。通過側重于基于物聯網的 10kV 智能箱變環境和設備遠程監控系統的設計。該系統經過長時間的實驗室設計、制作和整體測試。其中，在機智云平臺設計開發了遠程監控系統。實現了用戶隨時通過電腦 WEB 或手機 APP 遠程監控箱變溫濕度、煙霧報警和電纜基坑積水等環境參數，電流、電壓、頻率和功率因數等電氣參數以及設備工作狀態等功能。當箱變運行出現異常或故障，監控系統自動判斷故障等級，并通過箱變現場警鈴、手機 APP、短信和電話等不同組合方式報警通知相關工作人員，及時排除故障隱患，預防電氣事故的發生。

基于物聯網的 10kV 智能箱式變電站遠程監控系統由箱變內的“現場總線局域 網”和箱變外的“云平臺廣域網”組成。這種系統結構模式可應用于電力遠程抄表、路燈 遠程監控管理、管網遠程監測、城市能耗監測、供水系統遠程監控、電梯遠程監控和大中型實驗設備遠程監控系統等多種設備遠程監控系統的設計開發，提升傳統設備的智能化水平和管理服務水平。

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