技术︱变电站10kV开关柜运行环境监控系统设计

中国电工技术学会将于2016年12月23日（周五）在北京铁道大厦举办“2016第三届轨道交通供电系统技术大会”。

请感兴趣的读者扫描下方的二维码，或关注微信公众号“电气技术”，浏览会议详情和进行快速注册报名。注册时请准确填写相关信息，会议服务人员将及时与您确认参会事宜。

福州大学电气工程与自动化学院、国网福建连江县供电有限公司的研究人员陈伟凡、陈晓亮、高伟，在 2016 年第 9 期《电气技术》杂志上撰文，针对变电站 10kV 开关柜内部的防火泥封堵情况和温湿度等运行环境难以实时掌握和控制，存在安全隐患的问题，设计了一套变电站 10kV 开关柜运行环境监控系统。

该系统的网络架构基于无线传感器网络和以太网混合而成。各个监控终端通过无线传感器网络与通信管理机进行信息交互，通信管理机通过以太网与上位机软件进行通信。本文结合变电站 10kV 开关柜内特殊的运行环境阐述了该系统的软硬件设计、无线传感器参数配置、上位机软件设计等。

在无人值守变电站中，运行人员无法对10kV开关柜内部的防火泥封堵情况、温湿度情况进行实时的掌握和控制，在极端的条件下，可能发生防火泥封堵脱落、电缆接头温度骤升、柜内空气湿度骤升，此时若不及时采取有效的措施来监护，容易导致10kV开关柜的安全运行失常[1,2]。如因防火泥脱落，小动物钻入10kV开关柜可能引起相间或接地短路，造成电力事故；对于潮湿地区的变电站，虽然目前每台开关柜都配有加热器驱潮，但是运行人员在远方无法获知加热器的运行状态和柜内湿度情况，存在引发事故的隐患。

因此，针对变电站10kV开关柜内部的防火泥封堵情况、温湿度情况无法实时掌握和控制的现状，研制了一套具备实时监测变电站10kV开关柜防火泥封堵情况、温湿度情况及能智能防潮的系统，即变电站10kV开关柜安全运行智能监护系统。

1 系统总体设计

本套系统由五个部分组成：防火泥封堵监测终端、无线测温终端、智能除湿监控终端、通信管理机及上位机平台软件，如图1所示。

防火泥封堵监测终端、无线测温终端、智能除湿监控终端与通信管理机之间采用基于ZigBee协议栈的无线传感器网络进行通信，为2.4GHz Mesh 网络[3]，接口电路为XBee模块。通信管理机与上位机平台采用以太网通信，接口电路为RJ45模块，链路层通信协议为TCP。

图1 系统构成框图

其中，防火泥封堵监测终端用于监测动物入侵和防火泥破坏情况，一旦有异常情况立即通过ZigBee无线通信网络上报给通信管理机。无线测温终端通过将数字式测温元件附着在开关触头的发热位置，以热传导感知发热点的温度，定时采集发热点的温度数据并上报给通信管理机。智能除湿监控终端可实时监测开关柜内的温湿度情况，根据传感器的信息，通过凝露算法智能控制加热器、排气扇和半导体制冷装置进行驱潮，破坏发生凝露的条件。

与此同时，控制终端可将当前的温湿度值、露点值、除湿设备的运行状态通过2.4GHz ZigBee无线网络实时传输给通信管理机直到上位机监控平台，也可以远程接收上位机监控平台下发的命令。通信管理机承担数据中转和规约转换的角色，通过ZigBee模块从控制终端的接收数据并向其发送控制命令，采用以太网通信方式向上位机软件平台的应用服务器主动上传监测的工作环境和状态信息数据、向web服务器接收和发送命令。

上位机平台软件包括应用服务器、数据库服务器和本地客户机：应用服务器主动接收通信管理机发送的监测数据，并保存到数据库服务器；数据库服务器用于保存参数信息、实时数据、历史数据；本地客户机通过应用服务器呈现参数数据、实时数据、历史数据和向应用服务器发送接收监控命令。

2 终端设备设计

2.1 防火泥封堵监测终端设计

防火泥封堵监测终端主要由红外热释电感应模块、振动传感器模块、通信模块、控制模块和电源模块五个部分组成，如图2所示。CPU通过CCP捕捉模块采集红外热释电传感器的信息，用以判断是否有小动物穿过，同时CPU通过I/O端口采集植入防火泥的振动传感器的信息，判断防火泥位置状态。

结合两者得出防火泥封堵状态，若防火泥封堵出现异常则CPU通过ZigBee无线通信模块将报警信息上传通信管理机，进而告知上位机，通过上位机通知运行人员及时检修防火泥，以保证设备安全可靠运行。

热释电传感器对温度敏感，当入侵物体温度与环境温度有差别时，则有ΔT输出。在本设计中红外热释电传感器选择GH-718，其采用PIR热释电传感器、菲涅尔光学透镜设计，工作电压为DC4.5~20V，静态功耗50μA，感应距离7米，感应角度110°。

振动传感器选用MMA7455L，其为XYZ三轴低g加速传感器，2.4~3.6V低压操作；分辨率最高达到64LSB/g；可耐高强度冲击达5000g。选择Microchip公司的20引脚8位CMOS闪存单片机PIC16F690作为CPU，待机状态下电流为50nA，空闲状态可进入超低功耗休眠模式，工作温度范围为-40℃~125℃；选用低频晶振（4 MHz），进一步降低功耗；超低功耗唤醒，高灌/拉电流能力并且具有超低功耗的节能休眠模式。

ZigBee模块采用digi公司的XBee模块，通过串口通信与CPU通信，采用基于IEEE 802.15.4标准的ZigBee协议，网架结构采用Mesh架构，ZigBee通信采用免费的2.4GHz信道，模块配置成Router方式，不休眠，采用3.3V直流供电。

该终端的供电电源取自220V交流电压，经过YAW3S05T（AC/DC）电源转换模块将220V交流电压降为5V的直流电压供给人体红外感应模块使用；同时，通过SPX1117-3.3电源模块进一步将5V直流电源降为3.3V，供给CPU、ZigBee等模块使用。

图2 防火泥封堵监测终端

防火泥封堵监测终端程序由初始化、振动数据采集、热释电传感器状态监测以及数据主动上报三个部分组成。初始化主要完成I/O口设置、EEPROM数据读取、中断设置、定时器设置以及振动模块配置、自检等工作。由于PIC16F690单片机自带有EEPROM模块，故将监测终端的地址以及振动模块加速度监测阈值保存在EEPROM中，可以在烧写的时候写入，也可以通过通信进行修改。

振动模块配置主要是启动时对测量量程以及精度的选择，并判断是否接入，如果未接入或者断线，进行报警。为防止刚上电时候的振动，CPU在上电静置1分钟后，启动振动传感器，每隔100ms采集一次振动数据，根据自适应抗干扰过滤算法，判断防火泥是否发生脱落，并生成SOE事件报警。为了防止干扰信号引起误报，根据防火泥脱落的特点，若振动越限持续时间达到阈值（可设，默认2s），方认为是可靠的报警信号，并生成SOE事件报警。

当红外感应区域被入侵后，红外传感器会向CPU发送报警状态，当状态持续时间达到阈值，同样认为是可靠的报警信号，并生成SOE事件报警。CPU每隔30s通过ZigBee模块向上位机上报一次终端的状态，终端有三种状态：正常、入侵、脱落，若终端发生后两种状态，立刻作为SOE事件上报。

2.2 无线测温终端设计

无线测温传感器主要安装在开关柜的触头上，定时测量触头的温度并主动上传。工作原理很简单，CPU通过I2C接口与温度传感器进行数据交换，实现温度信息的采集。然后CPU再将采集而来的数据信息进行一系列条件判定以及按照规约设计处理，最后通过UART串行通信接口将数据发送给ZigBee模块。

由于工作环境特殊，取电不便，采用电池供电方案，因此在软硬件的设计上，都要最大程度的降低功耗，元器件均需选择能够在高温场合下以及低功耗模式下工作的器件[4]。

采用TI公司生产的TMP102数字式温度传感器，其具有体积极小、低功耗等特性。TMP102采用SOT563封装，高度只有0.6mm；最大工作电流只有10μA，休眠电流只有1μA。选择8位单片机PIC16F1823作为CPU，待机状态下电流为20nA，空闲状态可进入超低功耗休眠模式，工作温度范围为-40℃~125℃。

单片机工作于外部晶振模式可使工作功耗最小，也能提供精确度更高的时基，选用低频晶振（4MHz）。ZigBee无线模块通过串口与CPU进行通信，配置为终端，可休眠。CPU通过拉高或拉低SLEEP_RQ引脚电平即可控制XBee是否进入休眠状态，休眠时XBee最大工作电流仅为1μA。采用TLH4902 TADIRAN电池供电，高低温特性好，工作温度范围-55℃～85℃，一般寿命长达20年。

图3 测温终端系统框图

无线测温终端软件设计包括检测温度、发送温度数据和低功耗的管理等方面。考虑到一般环境下发热点的温度变化并不明显，为降低测温传感器的功耗，设计软件时采用温度数据短周期采集，长周期主动发送数据以及轮循休眠等方法。图4为无线测温传感器主要工作流程图。

CPU每隔15秒采集两次温度值，并将两次温度值进行校验，验证数据的有效性。TMP102转换温度需耗时26ms，因此为降低功耗，在其转换温度期间令CPU进入休眠状态26ms。将终端地址保存在EEPROM之中，并且只在CPU初始化时读取，存入到数据区以供使用，避免频繁读取EEPROM而增大功耗。

将当前读取的有效温度值与上一次保存的温度值进行比较，若温差超过一定阀值，直接上传数据，否则每隔5min发送一次数据。采用得当的方法延长发送间隔，可提高电池的使用寿命。当温度超过上限值75℃时，进入预警状态，直接上传温度数据，累计3次以后，转为每隔5min发送一次数据；当温度再次下降低于73℃时，解除预警状态。

正常工作时，无线数据收发模块处于休眠状态。只当需要发送数据时，通过拉低引脚电平唤醒XBee模块，数据发送完成后在拉高电平休眠XBee模块。在软件休眠之前，把所有空闲的I/O口配置为输入，还要保持使用中的I/O口的电平状态与相连接的器件相一致，避免引脚上出现电流流动，降低模块的功耗。

图4 无线测温传感器工作流程图

2.3 智能除湿监控终端设计

智能除湿监控终端采用分体设计方式，由控制模块和驱潮模块组成（如图5所示）。控制模块包括：电源转换模块、温湿度采集模块、微处理器模块、继电器输出模块、开关量采集模块、通信模块组成[5]。电源转换模块将220V交流电源转换成直流12V、直流5V、直流3.3V输出，供给其他模块使用。温湿度采集模块可以采集温湿度数据，并转换为数字信号输出。

微处理器用于控制温湿散热片、温湿度的采集，信息处理，控制命令的处理，并管理其他模块。继电器输出模块根据微处理器模块发出的指令，控制制冷装置和加热装置的工作。开关量采集模块可以通过门限开关采集柜门状态，或通过空开辅助模块采集空开的状态。通信模块主要负责将电信号转换为无线电波信号，实现信息的无线传输。驱潮模块由加热控温装置和制冷除湿装置组成。

图5 智能除湿监控结构终端图

MCU采用Microchip公司16位PIC24FJ64G -004，主要功能特性如下：最多26个可用外设引脚；2个 I2C模块；2个UART 模块；5个带可编程预分频器的16位定时器/计数器；4个外部中断源。电源转换模块的220V转12V部分采用台湾明纬的开关电源模块RPS-75-12，输出电流范围为0~6.3A，纹波和噪声是：100mVp-p，电压精度是±2.0%，输入电压范围是交流90~264V或直流70~127V。

温湿度传感器采用Sensirio公司的SHT11，其集成度高，功能全面，体积小，并且具有超快的响应速度、抗干扰能力强、性价比高的优点；温度采集范围：-40℃~+120℃，精度：25℃时±0.5℃，0~40℃时±0.9℃；湿度采集范围：0~100%RH，精度：±3.5%RH；传感器通过数据线DATA和时钟线SCK传输数据。

开关量以无源或有源的输入信号形式，经PC817光电隔离后，输入MCU。无线通信模块配置成Router方式，不休眠。驱潮模块中的加热控温装置延用了端子箱内已有加热板，供电电压220V。因其加热快、除湿效果不明显，故用于端子箱内环境温度的控制。制冷除湿装置是半导体制冷除湿器，由两组风扇、两组导热金属块、半导体制冷片以及接水盘组成；为了提高凝露控制过程的动态性能，采用闭环控制的BUCK电路实时调整除湿器的输出功率。

无线温湿度调节控制器作为端子箱防潮控温的核心，由温湿度采集与处理模块、ZigBee通信模块、红外通信模块和控制策略模块组成。主流程图见图6。

图6 控制器主流程图

CPU每隔1秒采集温湿度值并进行判断处理；每隔30秒通过无线通信模块上传温湿度值、露点值、除湿设备的运行状态等数据；CPU在接收到数据帧时根据控制码判断由ZigBee通信处理或红外模块处理，红外模块支持红外手持设备就近读取终端数据。

控制终端通过两种方法来决定是否启动除湿防潮设备进行除湿和控温。

第一种：根据温度和相对湿度而计算出露点值，以露点值和当前温度的差值作为除湿机的启动条件；根据温度与预设阈值作比较来自动启停加热器达到控制箱内温度的目的。

第二种，通过远方监控平台强制启动，除湿设备运行时间通过远方监控平台的软件窗口下发，时间到后恢复到原来状态。以上两种方法组成了对除湿防潮设备较为完善的控制手段。

3 通信管理机设计

通信管理机是基于RCM6760模块的嵌入式系统，功能是通信管理及规约转换。硬件结构可分为系统和接口两个部分。系统部分是通信管理机的核心硬件，主要包括CPU、存储器、复位及其外围电路。CPU选用RCM6760，具有体积小，内置时钟芯片，多串口，外设丰富等优点，适合于规约转换器这种多串口多任务的嵌入式系统。

此外，该模块的编译环境已经移植好μC/OS-II，可较大地缩短项目开发周期。RCM6760模块板载1MB Flash S29AL008D，作为程序存储器；板载4MBSerial Flash AT45DB041B，作为数据存储器，存储内容包括：历史故障信息、全部通信规约和串行通信接口的设置参数。通信管理机的接口电路包括以太网模块、ZigBee模块等。其中，ZigBee模块采用XBee PRO模块，配置为网络协调者，负责网络的建立与维护[6]。

通讯管理机的软件设计部分按功能将任务划分为定时管理、以太网通信、数据解析和ZigBee通信任务[7]。各任务间的关系如图7所示。

图7 通信管理机任务

定时管理任务主要负责计时和延迟，包括以太网重发延迟、以太网发送延迟和心跳包发送延迟功能，主动上传数据和心跳包上传时间间隔分别默认为5分钟和2分钟。数据解析任务主要负责与主站服务器间的数据交换，操作的对象为全局变量、以太网发送缓冲区和以太网接收缓冲区，物理层按照以太网协议进行数据传输，协议层根据主站规约进行解析和打包。

ZigBee通信任务负责与各个终端数据交换，通信协议为底层终端的串口通信协议，ZigBee通信任务的操作对象为全局变量、ZigBee数据接收缓冲区和ZigBee数据发送缓冲区，如图7所示。

ZigBee通信任务分为下发数据和接收数据两部分。下发数据又分为两类：第一类为下发的查询任务；第二类为变更任务，该部分变更内容包括阈值设置、手自动设置和启停控制。

在通信规约方面，本设计采用统一的帧格式，具体说明如表1所示。其中地址域代表终端设备的地址，命令码包含设置终端参数、读取终端数据、终端告警、通信应答等功能。利用校验和与应答机制来应对通信出错的情况，提高通信的稳定性和准确性。

正常通信时，接收方收到正确数据，校验一致，则会向发送方回传应答信号；当通信发生错误时，即校验不通过，则数据发送方无法在预设时限内收到对方的应答信号，因此需延时重发。

表1 帧格式说明

4 上位机软件设计

变电站10kV开关柜安全运行智能监护系统由系统管理、台账信息建立与维护、开关柜监控、历史数据呈现、SOE事件管理及系统帮助等六个模块组成[8]。

其中，系统管理模块包括用户管理、角色管理、模块管理、部门管理等功能，为系统提供灵活的权限配置，及可靠的安全性；台帐信息建立与维护模块可以进行建立、维护、更改和查询系统、通信管理机、电压等级和开关柜设备信息等功能；开关柜监控模块实时显示当前开关柜的温湿度和运行状态等数据并能够通过web控制开关柜的工作模式及工作状态；历史数据模块能查看开关柜监控的历史信息，提供历史数据报表生成及打印功能和开关柜历史数据对比曲线图；SOE事件模块用于查看各类设备数据异常情况，确认数据异常并填写原因；系统帮助模块提供系统使用说明。

5 结论

本系统采用无线传感器网络作为数据传输的通道，各个终端成为网络上的节点，可以组网运行，在数据传输过程中，以加密形式传输，提高了网络运行的稳定性。通信管理机作为通信网络与监测设备之间的接口设备，承担着数据汇总的任务，需要从下层众多的终端ZigBee模块接收数据包。

设计中采用基于RCM6760的嵌入式操作系统，网络通信上采用API操作模式，配合多对一路由方式，可有效提高ZigBee网络的路由效率，保证ZigBee网络的畅通，利用以太网的光纤通道，实现与上位机的互联互通。

主站人机界面友好，纯WEB技术与B/S架构，其功能模块按供电企业的职能部门的不同来设计，极易为用户所接受。因此，变电站10kV开关柜运行环境监控系统是一种优质的开关柜防潮控温的设备，可作为老式或新上的开关柜凝露控制器的替代品和首选设备。

诚邀杂志审稿专家

根据稿件评审工作需要，中国电工技术学会《电气技术》杂志编辑部拟请业内人士自荐审稿专家，阅读详情和报名请扫描二维码。

TMS320C6678 DSP + Xilinx Kintex-7 FPGA核心板参数资料规格书手册

核心板简介

创龙科技SOM-TL6678F是一款基于TI KeyStone架构C6000系列TMS320C6678八核C66x定点/浮点DSP以及Xilinx Kintex-7 FPGA处理器设计的高端异构多核工业级核心板。核心板内部DSP与FPGA通过SRIO、EMIF16、I2C通信总线连接，并通过工业级高速B2B连接器引出千兆网口、PCIe、HyperLink、EMIF16、GTX等高速通信接口。核心板经过专业的PCB Layout和高低温测试验证，稳定可靠，可满足各种工业应用环境。

用户使用核心板进行二次开发时，仅需专注上层运用，降低了开发难度和时间成本，可快速进行产品方案评估与技术预研。

图 1 核心板正面图

图 2 核心板背面图

图 3 核心板斜视图

图 4 核心板侧视图

典型应用领域

软硬件参数

硬件框图

图 5 核心板硬件框图

图 6 TMS320C6678处理器功能框图

图 7 Kintex-7特性

硬件参数

表 1 DSP端硬件参数

CPU

CPU：TI C6000 TMS320C6678

8x TMS320C66x定点/浮点DSP核，主频1/1.25GHz

1x Network Coprocessor网络协处理器

ROM

128MByte NAND FLASH

128Mbit SPI NOR FLASH

1Mbit EEPROM

RAM

1/2GByte DDR3

ECC

256/512MByte DDR3

SENSOR

1x TMP102AIDRLT温度传感器

LED

1x 电源指示灯

2x 用户可编程指示灯

B2B Connector

2x 180pin公座高速B2B连接器，2x 180pin母座高速B2B连接器，间距0.5mm，合高5mm，共720pin

硬件资源

1x SRIO，四端口，共四通道，在核心板内部与FPGA通过GTX连接，每通道最高通信速率5Gbps

1x PCIe Gen2，一个双通道端口，每通道最高通信速率5Gbps

2x Ethernet，10/100/1000M

1x EMIF16，在核心板内部与FPGA通过普通IO连接

1x HyperLink

2x TSIP

1x UART

1x I2C

1x SPI

1x JTAG

备注： B2B、电源、指示灯等部分硬件资源，DSP与FPGA共用。

表 2 FPGA端硬件参数

FPGA

Xilinx Kintex-7 XC7K325T-2FFG676I

RAM

512M/1GByte DDR3

ROM

256Mbit SPI NOR FLASH

SENSOR

1x TMP102AIDRLT温度传感器

Logic Cells

326080

DSP Slice

840

GTX

8

IO

单端（23个），差分对（114对），共251个IO

LED

1x Done指示灯

2x 用户可编程指示灯

软件参数

表 3

DSP端软件支持

裸机，SYS/BIOS

CCS版本号

CCS5.5

软件开发套件提供

MCSDK

Vivado版本号

2017.4

XSDK版本号

2017.4

开发资料

DSP端开发案例主要包括：

FPGA端开发案例主要包括：

DSP + FPGA开发案例主要包括：

电气特性

工作环境

表 4

环境参数

最小值

典型值

最大值

工作温度

-40°C

/

85°C

工作电压

/

9.0V

/

功耗测试

表 5

测试条件

电压典型值

电流典型值

功耗典型值

状态1

9.0V

0.86A

7.74W

状态2

9.0V

2.14A

19.26W

备注：功耗基于TL6678F-EasyEVM评估板（核心板型号：SOM-TL6678F-1000/325T-8/4GD-I-A2）测得。功耗测试数据与具体应用场景有关，仅供参考。

状态1 ：评估板不接入外接模块，DSP运行LED测试程序，FPGA运行运行资源利用率较低的LED测试程序。

状态2： 评估板不接入外接模块，DSP运行FFT测试程序，8个C66x核心的资源使用率约为100%；FPGA运行资源利用率较高的IFD综合功能测试程序，电源功率约为6.946W，资源利用率如下图所示。

图 8

机械尺寸

表 6

PCB尺寸

75mm*112mm

PCB层数

14层

PCB板厚

2.0mm

安装孔数量

4个

图 9 核心板机械尺寸图

产品订购型号

表 7

型号

DSP/FPGA

DSP主频

NAND FLASH

(DSP)

DDR3

(DSP/FPGA)

温度级别

SOM-TL6678F-1000/325T-8/4GD-I-A2

TMS320C6678/

XC7K325T

1GHz/核

128MByte

1GByte/

512MByte

工业级

SOM-TL6678F-1250/325T-16/8GD-I-A2

TMS320C6678/

XC7K325T

1.25GHz/核

128MByte

2GByte/

1GByte

工业级

备注：标配为SOM-TL6678F-1000/325T-8/4GD-I-A2，其他型号请与相关销售人员联系。

型号参数解释

图 10

技术服务

相关问答

大多数温度传感器的性能指标要求的供电电压范围为2.7~5.5V。有几款器件(如MAXIM公司的DS75LX)则专门适于低电压应用,其规范要求的电压范围是1.7V~3.7V。TMP102...

[最佳回答]q->link[0]=nil;q->link[1]=nil;voidmain()clrscr();比较main()inta,b;if(haveThe(in,tmp1)

1.7万浏览102回答一加12对比小米14Pro2.1万浏览59回答一加12手机1.2万...怎么隐藏excel文件做好后自动生成TMP文件。4454浏览10回答小米手机...

怎么隐藏excel文件做好后自动生成TMP文件。4454浏览10回答WIN7的HPLaserJet1000打印机驱动8132浏览6回答win10切换桌面怎么更改快捷键设置1....

比如把它挂到/tmp/oldroot/这个目录,然后/tmp/oldroot/etc就是你原linux中的/...110浏览0回答同一硬盘下安装windows与linux硬盘MBR里分去表...

xiaoxi102最好不要这样做,一方面这样做要将gpu功耗降低,就必须降低核心工作频...怎么隐藏excel文件做好后自动生成TMP文件。4454浏览10回答小米手机如何把...

102浏览0回答我的系统是WINDOWSXP在网上右键点图片设置成桌面,桌面点属性里...怎么隐藏excel文件做好后自动生成TMP文件。4454浏览10回答小米手机如何...

对文2113件而言,X表示可执行;对于目录5261而言,X表示可以进入这4102个目录。比如有1653一个文件a.sh,它的权限是rw-,你是无法使用"./a.sh"来运行的,.....

山东DNS地址:202.102.134.68有用(0)回复1032459517下载最新的BOOTCAMP4.1...关于Word,为什么使用中的Word文档会自动变成TMP文件,随后就打不...

怎么隐藏excel文件做好后自动生成TMP文件。4454浏览10回答小米手机如何把界面变成电脑模式,又如何恢复?3154浏览6回答excel中日期怎么相减得到月数99...