Entwurf einer intelligenten 10-kV-Box-Umspannstation basierend auf der IoT-Plattform von Gizwits + STM32

Das in diesem Artikel vorgestellte intelligente 10-kV-Box-Fernsteuerungssystem für Umspannwerke wurde von Tian Hui von der Universität für Wissenschaft und Technologie Xi'an entworfen und entwickelt.

Als technischer Hintergrund dient dem System der Entwurf eines intelligenten 10-kV-Boxwechselsystems für eine Studentenwohnung in einer Hochschule, und entwirft ein intelligentes 10-kV-Boxwechselsystem basierend auf dem Internet der Dinge. Das System besteht aus drei Teilen: Wahrnehmungsschicht, Kommunikationsschicht und Anwendungsschicht. Die Wahrnehmungsschicht ist für die Erfassung und Übertragung der Sensordaten an den Feldcontroller verantwortlich.

Einschließlich sekundärer Systemausrüstung wie Mikrocomputer-Schutzgeräten, Intelligente Netzwerkzähler, und intelligente Blindleistungskompensationsregler, sowie Umgebungserkennungsgeräte wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit, Rauch, und Wassertauchsensoren. Der Vor-Ort-Controller verwendet einen eingebetteten STM32-Mikroprozessor, inklusive LCD-Display, Sprachalarmmodul, Relais und GPRS-Kommunikationsmodul, usw.; Die Kommunikationsschicht verwendet drahtlose GPRS-Kommunikation, welches für die bidirektionale Datenübertragung zwischen dem Vor-Ort-Controller und der Cloud-Plattform verantwortlich ist; Die Cloud-Plattform Gizwits entwickelt ein Fernüberwachungssystem und eine mobile App für Kastentransformatoren, der für die Speicherung verantwortlich ist, Analyse und Verarbeitung von Betriebsdaten von Kastentransformatoren.

Dieses System realisiert schließlich die Fernüberwachung von Umgebungsparametern wie variabler Temperatur und Luftfeuchtigkeit durch den Benutzer, Rauchmelder und Grubenwasser, sowie elektrische Parameter wie Strom, Stromspannung, Frequenz und Leistungsfaktor, und Gerätebetriebsstatus über das Computer-WEB oder die mobile APP.

Wenn eine Anomalie oder ein Fehler beim Betrieb des Kastentransformators vorliegt, Das Überwachungssystem beurteilt automatisch den Fehlergrad, und sendet einen Alarm über verschiedene Kombinationen von Klingeln vor Ort, Handy-APP, SMS und Telefon, usw., und benachrichtigt das zuständige Personal, um versteckte Störungen rechtzeitig zu beseitigen und Stromunfälle zu verhindern. . Es eignet sich zur Fernüberwachung und zentralen Verwaltung von Kastentransformatoren und Stromverteilungsräumen, und kann das Intelligenzniveau sowie die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Stromversorgung von Stromverteilungsgeräten in Schulen erheblich verbessern, Unternehmen und Gemeinden.

1. Einführung

Mit dem Aufbau und der Entwicklung einer Sozialwirtschaft und eines Vertriebsnetzes, Es gibt immer mehr 10-kV-Kastentransformatoren. Die herkömmliche kastenförmige 10-kV-Umspannstation verwendet im Allgemeinen den Betriebsmodus der unbeaufsichtigten und manuellen regelmäßigen Inspektion, das über einen geringen Intelligenzgrad verfügt und keine Fernüberwachungs- und Fehleralarmsysteme für die Umgebung und Ausrüstung aufweist. Derzeit, mit der rasanten Entwicklung der intelligenten Sensortechnologie, eingebettete Technologie, Kommunikationstechnologie und Cloud-Computing-Technologie sowie die Reduzierung der Kosten, Das auf dem Internet der Dinge basierende 10-kV-Smart-Box-Umspannwerk hat sich zur besten Wahl für die Modernisierung und Umgestaltung herkömmlicher Box-Umspannwerke entwickelt.

Das intelligente Fernüberwachungssystem für Umspannwerke in Kastenform, das auf dem Internet der Dinge basiert, kann die Umgebung der Umspannwerke in Kastenform aus der Ferne überwachen, Betriebsparameter und Gerätestatus in Echtzeit. Wie in der Abbildung gezeigt 1.

Benutzer können Umgebungsparameter wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit der Box aus der Ferne überwachen, Rauchmelder, und Wasseransammlung in Baugruben, sowie elektrische Parameter wie Strom, Stromspannung, Frequenz, und Leistungsfaktor, und Gerätestatus jederzeit über Computer oder mobile APPs. Wenn die Unterstation nicht normal läuft oder ausfällt, Das Überwachungssystem benachrichtigt das zuständige Personal automatisch über verschiedene Methoden der Mobiltelefon-App, SMS und Telefon entsprechend der Störungsstufe, um versteckte Fehler rechtzeitig zu beseitigen und Stromunfälle zu verhindern.

10kV-Smart-Box-Umspannwerk basierend auf dem Internet der Dinge

Das Fernüberwachungssystem der Smart-Box-Umspannstation besteht aus a "Feldbus LAN" innerhalb der kastenförmigen Umspannstation und a "Cloud-Plattform-Wide-Area-Netzwerk" außerhalb der Kastenstation. Dieses Strukturmodell kann auf die Entwicklung von Fernüberwachungssystemen für Fernüberwachungssysteme für sekundäre Wasserversorgungsgeräte angewendet werden, Stromlademanagementsysteme für Privathaushalte, und Fernüberwachungssysteme für Aufzüge, um die Intelligenz und das Managementniveau traditioneller Geräte zu verbessern und die Modernisierung traditioneller Industrien zu fördern. Es hat einen guten Anwendungswert.

2. Gesamtprogrammgestaltung

Der Entwurf einer intelligenten kastenförmigen Umspannstation auf Basis des Internets der Dinge basiert auf dem Entwurf einer 10-kV-intelligenten kastenförmigen Umspannstation in einer Studentenwohnung. Das primäre Systemdesign des intelligenten 10-kV-Kastentransformators entspricht dem des herkömmlichen 10-kV-Kastentransformators, und es neigt dazu, ausgereift zu sein. Dieser Artikel konzentriert sich auf das intelligente Design des 10-kV-Smart-Box-Transformators. Im Folgenden finden Sie einen kurzen Überblick über den Designinhalt des Primärsystems des 10-kV-Smart-Box-Transformators.

2.1 Primärsystemdesign einer intelligenten 10-kV-Kasten-Umspannstation

Die Strombelastung von Nr. 5 Ein Studentenwohngebäude an einer Universität ist hauptsächlich auf die Beleuchtung ausgerichtet, Computer und neu hinzugefügte Klimaanlagenlasten. Jedes Wohnheim wird wie folgt berechnet 8 Menschen, Die Beleuchtungslast beträgt 100W, Die Belastung jedes Schülercomputers beträgt 200 W, und jeder 1,5P Split-Typ-Aufhänger ist neu mit Klimaanlagen ausgestattet. Die Leistung beträgt 1,3 kW, und die Belastung eines einzelnen Wohnheims beträgt 3,0 kW. Entsprechend der "Entwurfshandbuch für industrielle und zivile Stromversorgung und -verteilung", Der Stromlastbedarfskoeffizient des Wohnheims beträgt 0.7, und der Leistungsfaktor ist 0.8.

In Anbetracht der künftigen Erhöhung der Strombelastung der Studentenwohnung, Der Transformator muss einen gewissen Spielraum reservieren, und der Transformator mit einer Leistung von 1000 kVA wird ausgewählt. Unter Berücksichtigung der anfänglichen Investitionskosten und Betriebskosten des Transformators, sowie die Anforderungen der nationalen Energieeinspar- und Emissionsminderungspolitik, Zu diesem Zweck wurde der verlustarme, vollständig abgedichtete Öltransformator S13-M-1000/10-0,4 ausgewählt.

Auf der Grundlage einer Laststatistikberechnung, Kurzschlussberechnung, dynamische Stabilitätsüberprüfung und thermische Stabilitätsüberprüfung, die Hauptausrüstung des Primärsystems des Kastentransformators wird ausgewählt. Die spezifischen Modelle und technischen Parameter der Hauptausrüstung des Primärsystems sind in der Tabelle aufgeführt 3, Tisch 4, Tisch 5 und Tisch 6.

Gemäß den Designanforderungen der Nr. 5 Studentenwohnungsprojekt, Umspannwerk und die Berechnung des primären Systemdesigns, der Hauptschaltplan des entworfenen Primärsystems der Nr. 5 Die Umspannstation für Studentenwohnungen ist in der Abbildung dargestellt 2.

Figur 2 : Der Hauptschaltplan des Primärsystems einer kastenförmigen Umspannstation in einer Studentenwohnung einer Universität

2.2 Intelligentes Designschema eines 10-kV-Kastentransformators

Ziel ist es, die Konstruktionsmängel und Probleme bei der Betriebsführung der herkömmlichen 10-kV-Kasten-Umspannstation zu untersuchen, Der Schlüssel zur Lösung des Problems liegt in der Konstruktion eines geschlossenen Systems zur Erkennung, Fernüberwachung und Alarmierung der Umgebung und Ausrüstung der intelligenten kastenförmigen Umspannstation, und das Design verfügt über eine Fernüberwachung der Betriebsumgebung und der elektrischen Ausrüstung. Das intelligente Kastentransformatorsystem mit verschiedenen Funktionen kann Umgebungsparameter wie die Zugangskontrolle des Kastentransformators erfassen und überwachen, Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit, Rauchmelder, und Wasser im Kabelgraben, sowie Spannung, aktuell, Wirkleistung, Blindleistung, Leistungsfaktor, Kabeltemperatur, Transformatortransformator, usw.

Körpertemperatur- und Gasalarmsignal sowie andere Betriebsparameter der Ausrüstung, Abluftventilator mit Fernbedienung, Mikrocomputer-Schutzgerät und Leistungsschalter.

Das System nutzt intelligente Instrumente und Sensoren mit Kommunikationsfunktionen, die üblicherweise an Industriestandorten verwendet werden, und überträgt die gesammelten Daten über die Feldbuskommunikation an den Feldcontroller, und der Feldcontroller überträgt die Daten über ein drahtloses oder drahtgebundenes Kommunikationsmodul an den Server oder Cloud-Host-Computer. Funktionen wie Telemetrie realisieren, Fernsignalisierung und Fernbedienung.

Das Fernüberwachungssystem des intelligenten 10-kV-Kastentransformators basierend auf dem Internet der Dinge nutzt intelligente Instrumente und Sensoren mit digitaler Zwei-Wege-Kommunikationsfunktion, und übernimmt einheitlich die Standard-RS485-Busschnittstelle und das Modbus-RTU-Kommunikationsprotokoll. Das Fernüberwachungssystem des intelligenten Kastentransformators basierend auf dem Internet der Dinge besteht aus drei Teilen: die Wahrnehmungsschicht, die Kommunikationsschicht und die Anwendungsschicht.
* Wahrnehmungsschicht: durch verschiedene intelligente Messgeräte und intelligente Sensoren, um verschiedene Umgebungen zu erfassen, Gerätebetriebsparameter und Gerätebetriebsstatus des Kastentransformators, und übermitteln die Daten über den RS485-Bus an den Feldcontroller. Der Feldcontroller verfügt über ein integriertes Betriebssystem und verfügt über eine Datenerfassung, Computer, Verarbeitungs- und Kontrollfunktionen.
* Kommunikationsschicht: Diese Schicht ist die Verbindung und das Bindeglied der Datenübertragung und des Datenaustauschs, und ist für die bidirektionale Datenübertragung zwischen der Cloud-Plattform und dem Vor-Ort-Controller verantwortlich. Entsprechend den tatsächlichen Kommunikationsbedingungen des Kastentransformators, verschiedene Kommunikationsmethoden wie kabelgebundene optische Kabel, Für die Datenübertragung an die Cloud-Plattform kann zwischen Ethernet oder drahtlosem GPRS gewählt werden.
*Anwendungsschicht: Entwerfen und entwickeln Sie ein Fernüberwachungssystem für Kastentransformatoren auf der Cloud-Plattform, für den Versand verantwortlich, Empfang und Verarbeitung historischer Daten, Fernüberwachung der Betriebsparameter von Kastentransformatoren, und Aufzeichnung, Speicherung und Analyse von Ereignisbetriebsdaten. Und entwickeln Sie WEB- und mobile APPs auf der Cloud-Plattform, Der diensthabende Elektriker kann die Betriebsdaten und den Betriebsstatus der Ausrüstung des Kastentransformators jederzeit über den Computer oder die mobile APP überwachen.

3. System-Hardware-Design

3.1 Lokales RS485-Bus-Netzwerk des Kastentransformatorstandorts

Mit der Entwicklung und dem Fortschritt der eingebetteten Technologie und der Kostensenkung, viele Erkennungsinstrumente, Sensoren und Aktoren verfügen über eingebaute Mikroprozessoren, um die Mängel und Probleme der Informationsübertragung herkömmlicher kastenförmiger Feldgeräte zu beseitigen, die die AD/DA-Umwandlung und Linearisierung sowie die digitale Filterung durchführen kann. Diese digitalen Feldgeräte verfügen über eine serielle Kommunikationsdatenschnittstelle, und die serielle bidirektionale Kommunikation zwischen Feldgeräten kann durch die Verwendung eines einheitlichen Standardkommunikationsprotokolls realisiert werden.

Derzeit hauptsächlich genutztes industrielles Busnetz.

Einer der Schlüssel zum Design des Fernüberwachungssystems für Smart-Box-Transformatoren ist die Auswahl intelligenter Instrumente und Sensoren mit digitalen Zwei-Wege-Kommunikationsfunktionen, und die Einführung standardisierter und einheitlicher Busschnittstellen und Kommunikationsprotokolle. Ausgehend von der technischen Praxis des 10-kV-Smart-Box-Transformationsdesigns im Nr. 5 Studentenwohnung, Es werden der RS485-Bus und das Modbus-RTU-Kommunikationsprotokoll ausgewählt, die im Allgemeinen von intelligenten Sensoren unterstützt werden.

Gemäß dem Hauptschaltplan des Primärsystems eines Kastentransformators in einer Studentenwohnung in einer Hochschule und dem Systemblockdiagramm des intelligenten 10-kV-Kastentransformator-Fernüberwachungssystems, Das System-Hardware-Design basiert auf dem Box-Transformer-Feldcontroller als Kern, und besteht aus einer mikrocomputerintegrierten Schutzvorrichtung, ein intelligenter Netzzähler und eine intelligente Blindleistungs-Sekundärsystemausrüstung wie Kompensatoren, und Umgebungserkennungssensoren wie z Rauchsensoren für Temperatur und Luftfeuchtigkeit, PT100-Temperatursensoren und Wassereinbruchsensoren bilden das lokale RS485-Bus-Netzwerk des Box-to-Box-Transformationsstandorts. Das RS485-Bus-Local-Area-Network-Systemdiagramm des Kastentransformators ist in Abbildung dargestellt 4.

RS485-Bus-Local-Area-Network-Systemdiagramm der kastenförmigen Transformationsstelle

(1) Serieller RS485-Kommunikationsbus

Der Kommunikationsmodus des RS485-Busses ist der Master-Slave-Modus, und das Master-Gerät fragt jedes Slave-Gerät zur Kommunikation ab, und eine Ein-zu-Mehrpunkt-Vernetzung kann zur Bildung eines verteilten Systems eingerichtet werden. Die RS485-Schnittstelle ist eine weit verbreitete serielle Schnittstelle mit niedriger Geschwindigkeit, und die RS485-Schnittstelle weist die folgenden Eigenschaften auf.
* RS485-Schnittstelle.

Die RS485-Schnittstellenkommunikation verwendet den Differenzübertragungsmodus, und verfügt über eine Kombination aus symmetrischem Treiber und Differenzempfänger, und nutzt die Spannungsdifferenz an beiden Enden des Kabels zur Signalübertragung, Dies verbessert die Fähigkeit, Gleichtaktstörungen und Störgeräuschen zu widerstehen, erheblich.
* Der RS485-Bus verfügt über eine hohe Übertragungsrate und eine große Übertragungsentfernung. Die maximale Übertragungsentfernung beträgt ca 1200 Meter, und die maximale Übertragungsrate beträgt 10 Mbit/s; seine Übertragungsrate ist umgekehrt proportional zur Übertragungsentfernung, und die maximale Übertragungsentfernung kann erreicht werden, wenn die Rate unter 20 kbps liegt.
* Unterstützt mehrere Knoten. Allgemein, Eine RS485-Busschleife kann theoretisch unterstützen 247 Geräteknoten.

(2) Serielles Kommunikationsprotokoll Modbus-RTU

Das Modbus-Protokoll wird auf das industrielle Busnetzwerk angewendet. Durch das Protokoll, Zwischen der Steuerung und den Feldgeräten kann eine Datenkommunikation erfolgen. Die von verschiedenen Herstellern hergestellten Geräte können ein industrielles Busnetzwerk-Überwachungssystem bilden, das einem einheitlichen Protokoll folgt. Das Protokoll hat eine Master-Slave-Struktur, ein Masterknoten im Netzwerk, und die anderen sind Slave-Knoten, und jeder Slave-Knoten hat eine eindeutige Geräteadresse.

Im seriellen Busnetzwerk, Der Masterknoten startet einen Befehl, und alle Slave-Geräte erhalten den Befehl. Der Modbus-Befehl enthält die Adresse des Slave-Geräts, das den Befehl ausführt, und das vom Master-Gerät angegebene Slave-Gerät antwortet zuerst und führt dann den Befehl aus. Die Modbus-Befehle enthalten Prüfsummen, um sicherzustellen, dass die eingehenden Befehle nicht beschädigt wurden. Modbus-Befehle können die RTU anweisen, ihren Registerwert zu ändern, den I/O-Port lesen oder steuern, und dem Gerät befehlen, ein oder mehrere Registerdaten zurückzugeben.

Modbus beinhaltet ASCII, RTU und TCP drei Nachrichtentypen. ASCII-Übertragungsmodus, LRC-Prüfsumme, geringe Übertragungseffizienz, aber intuitiv, einfach und leicht zu debuggen. RTU-Übertragungsmodus, mittels CRC-Prüfung, hohe Übertragungseffizienz, etwas komplizierter als ASCII. Allgemein gesagt, wenn die zu übertragende Datenmenge gering ist, Sie können die Verwendung des ASCII-Protokolls in Betracht ziehen; wenn die zu übertragende Datenmenge relativ groß ist, Am besten verwenden Sie das RTU-Protokoll. Aus diesem Grund, Die intelligenten Instrumente und Sensoren dieses Systems übernehmen einheitlich den Modbus-RTU-Kommunikationsmodus.

3.2 Hardware-Design des Feldcontrollers des Boxtransformators

Der Feldcontroller des Kastentransformators besteht aus einem eingebetteten System. Das eingebettete System ist anwendungszentriert, Software und Hardware können individuell angepasst werden, und realisiert die Geräteautomatisierung, Intelligenz, und Fernüberwachungsfunktionen. Es besteht hauptsächlich aus eingebetteten Mikroprozessoren, entsprechende Hardware, eingebettete Betriebssysteme, und Anwendungssoftwaresysteme.

(1) STM32-Mikroprozessor-Minimalsystem

Das Mindestsystem des eingebetteten Mikroprozessors umfasst einen eingebetteten Mikroprozessor, Reset-Schaltung und Debug-Schaltung. Die Taktschaltung stellt das erforderliche externe Taktsignal bereit, Die Reset-Schaltung sorgt für einen einheitlichen Ausgangszustand, und die Debugging-Schaltung stellt eine Schnittstelle zum Herunterladen und Debuggen von Programmen bereit.
* Option mit integriertem Mikroprozessor. Entsprechend den Anforderungen des intelligenten 10-kV-Kastentransformator-Fernüberwachungssystems für die Leistung des Vor-Ort-Controllers, Dieses System wählt den STM32F103ZET6-Chip als Kernmikroprozessor des Vor-Ort-Controllers. STM32F103ZET6 eingebetteter Mikroprozessor, MCU verfügt über eine hohe Integration, Energieeffizient, und hohe Kostenleistung. Es eignet sich für verschiedene Anwendungsanforderungen im industriellen Medizinbereich, und kann die Anforderungen der Datenerfassung und Echtzeitverarbeitung dieses Systems erfüllen.
* Quarzoszillatorschaltung. Die Quarzoszillatorschaltung liefert einen Impuls mit fester Frequenz an den Mikroprozessor, damit dieser normal arbeitet. Der STM32-Mikroprozessor verfügt über zwei Quarzoszillatoren, Der 8-MHz-Quarzoszillator sorgt für einen externen Hochgeschwindigkeitstakt, und der 32,768-kHz-Quarzoszillator sorgt für einen externen langsamen Takt.

* Schaltkreis zurücksetzen. Die Funktion des Mikroprozessor-Reset-Schaltkreises besteht darin, das System neu zu starten. Wenn das System ausfällt, Drücken Sie die Reset-Taste, um das Gerät neu zu starten. Allgemein, Die Reset-Schaltung verwendet ein Low-Level-Signal zum Neustart.

(2) Entwurf von Stromkreisen

Das System wählt eine externe Gleichstromversorgung mit einer Nennspannung von 12 V (2A), und wählt einen DC 5V (2A) Netzteil mit USB-Schnittstelle zur Stromversorgung des Feldcontrollers. Die 12-V-DC-Stromversorgung wird an die Steuerplatine angeschlossen, und die 12-V-Gleichstromversorgung wird heruntergesetzt, um über das Abwärtsmodul LM2596S eine 5-V-Gleichstromversorgung zu erhalten. Die 5-V-Spannung wird dann durch den AMS1117-3,3-V-Reglerchip geleitet, um eine 3,3-V-Spannung zur Stromversorgung des STM32-Chips zu erhalten. Der Schaltplan des Stromversorgungsreglers LM2596S und AMS1117-3.3V ist in der Abbildung dargestellt 8.

(3) RS485-Schnittstelle zum TTL-Modul

Die RS485-Schnittstelle zum TTL-Modul realisiert die bidirektionale Umwandlung und Kommunikation von RS485-Signal und TTL-Signal, aber das Signal muss abwechselnd ausgeführt werden, und kann nicht gleichzeitig in zwei Richtungen durchgeführt werden. Alle Feldgeräte nutzen dieses Modul zur Verbindung mit dem Mikrocontroller, und der Verdrahtungsplan ist in der Abbildung dargestellt 9.

Verdrahtungsplan von TFT-LCD und STM32-MCU - Figur 9

(4) LCD-Anzeigemodul

Denn der Vor-Ort-Controller des kastenförmigen Fernüberwachungssystems muss viele Zahlen und Zeichen anzeigen, Als Anzeigemodul wird ein 2,8 Zoll großes TFT-LCD-Flüssigkristalldisplay gewählt, und im Inneren befindet sich ein ILI9341-Controller. Bedenken Sie, dass STM32 über die SPI-Schnittstelle mit ILI9341 kommunizieren kann, 8080 Schnittstelle oder RGB-Schnittstelle. Um eine schnellere Bildwiederholfrequenz zu erreichen, TFT-LCD verwendet 8080 parallele Datenbusschnittstelle. STM32 gibt Daten über das FSMC-Modul mit variablem statischen Speicher an den Speicher des ILI9341-Controllers aus.

(5) Sprachalarmmodul

Wenn der STM32-Mikroprozessor erkennt, dass eine Anomalie oder ein Fehler in den Betriebsdaten des Kastentransformators vorliegt, Es sendet eine Nachricht an die serielle Schnittstelle und löst einen Sprachalarm aus. Das Sprachalarmmodul wählt den häufig verwendeten Sprachchip SYN6288, und sendet automatisch Sprachalarminformationen gemäß dem programmierten Programm. Das System verwendet GB2312-Code, Dies eignet sich für den Informationsaustausch bei der Verarbeitung chinesischer Schriftzeichen und der Kommunikation chinesischer Schriftzeichen. Der SYN6288 erkennt auch Zahlen genau, Uhrzeiten und Daten, und häufig verwendete Maßeinheiten.

(6) Relaismodul

Der Feldcontroller wählt eine Gruppe von 2-Wege-Optokoppler-Trennrelaismodulen aus, um das Öffnen und Schließen der DC-12-V-Alarmglocke und des Lüfters zu steuern, und das 220-V-AC-Halbleiterrelais kann je nach Stromversorgungstyp und Leistung des kastenförmigen Abluftventilators ausgewählt werden. Jedes Relaisschaltkreismodul verfügt über normalerweise offene und normalerweise geschlossene Kontakte, sowie LED-Statusanzeige; Jeder Relaiskreis ist durch Optokoppler isoliert, und ist mit einer Freilaufdiode ausgestattet, um die induzierte Spannung des Relais abzubauen und den vorherigen Stromkreis zu schützen. Wenn die Umgebungstemperatur des Kastentransformators einen bestimmten Bereich überschreitet, der bauseitige Regler gibt einen High-Pegel aus, und ein Optokoppler-Trennrelais schaltet den Lüfter zum Abkühlen ein; wenn schwerwiegende Störungen wie z. B. eine zu hohe Rauchkonzentration auftreten, Der Controller steuert ein weiteres Optokoppler-Trennrelais an, um eine Verbindung herzustellen. Die Alarmglockenschleife sendet einen Alarm vor Ort. Für das Funktionsprinzipdiagramm des Relais und das Verbindungsdiagramm zwischen dem Relaismodul und dem STM32-Chip, Bitte wenden Sie sich an den Hersteller und senden Sie die Anfrage.

(7) Kommunikationsmodul

Gemäß den Designanforderungen des 10-kV-Fernüberwachungssystems für intelligente Kastentransformatoren, Für die Kommunikation zwischen dem intelligenten Box-Transformator und der Cloud wird die drahtlose GPRS-Kommunikationsmethode mit geringen Verkehrskosten gewählt. Gizwits Firmware GPRS-Modul.
*Gizwits Firmware GPRS-Modul (G510_GAgent-Firmware). Dieses Modul ist ein Anwendungsprogramm, das auf verschiedenen Kommunikationsmodulen läuft, Bereitstellung von Funktionen wie der bidirektionalen Übertragung von Cloud- und Produktgerätedaten, Gerätekonfiguration in das Netzwerk, Entdeckung und Bindung, und Programm-Upgrades. Den Schaltplan zwischen dem GPRS-Modul und dem Hauptcontroller erhalten Sie beim Hersteller.

*GPRS-GA6-Modul. Dieses Modul kann die Übertragung von Sprache realisieren, kurze Nachrichten und Daten bei geringem Stromverbrauch. Es eignet sich für verschiedene Designanforderungen in M2M-Anwendungen, insbesondere für die Gestaltung kompakter Produkte. Zweitens, Das Kommunikationsprotokoll übernimmt die Busübertragung über die serielle UART-Schnittstelle, verwendet Standard-AT-Befehle zur Steuerung des Moduls, und wählt die Baudrate von 115200bps. Kontaktieren Sie die IoT-Hersteller für den Anschlussschaltplan des GPRS-GA6-Moduls und des STM32-Mikrocontrollers.

3.3 Umfassendes Schutzgerät für Mikrocomputer

Gemäß der Designspezifikation für den Schutz des Leistungstransformators (GB/T 50062-2008), 10Bei kV-Transformatoren ist in der Regel ein zeitlich begrenzter Überstromschutz erforderlich. Das Mikrocomputer-Schutzgerät verfügt über den Schutz, Mess- und Steuerfunktionen von Transformatoren und Leitungen, sowie die Funktionen der Datenerfassung, Überwachung und Selbstkontrolle des Systems, und verfügt über eine hohe Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit.

Entsprechend den gestalterischen Anforderungen wird die 10kV-Intelligenzbox in der Studentenwohnung umgebaut, Das umfassende Schutzgerät für Mikrocomputer vom Typ Ankerui AM3-I mit RS485-Kommunikationsfunktion wurde ausgewählt, mit IA, IB, IC, UA, UB, UC, P, Q, Messung von Fr und anderen elektrischen Parametern, 8-Erfassung des externen Schaltsignals des Kanals, und Fernsteuerung des Leistungsschalters zum Öffnen und Schließen sowie für andere Funktionen. Das Verdrahtungsklemmendiagramm des Mikrocomputer-Schutzgeräts AM3-I sieht wie folgt aus:

Verdrahtungsklemmenplan des Mikrocomputer-Schutzgeräts AM3-I

3.4. Intelligentes Netzwerkmessgerät

Mithilfe intelligenter Netzwerkzähler werden elektrische Parameter wie beispielsweise Drehstrom erfasst, Spannung und Leistung von Niederspannungs-Stromverteilungskreisen, sowie den Öffnungs- und Schließstatus von Trennschaltern und Leistungsschaltern. Entsprechend den Konstruktionsanforderungen des Sekundärsystems des intelligenten 10-kV-Kastentransformators, Der intelligente Netzwerkzähler Ankerui ACR mit RS485-Kommunikationsfunktion ist ausgewählt, und der Verdrahtungsplan des ACR-Intelligenznetzwerkzählers und des Niederspannungsstromtransformators sowie der Verdrahtungsplan des Schaltereingangs und -ausgangs werden ausgewählt.

ACR Smart Network Meter Niederspannungs-Stromwandler und Schaltplan für digitale Ein- und Ausgänge

Der intelligente Netzwerkzähler von ACR übernimmt das Modbus-RTU-Protokoll, die Leistungsparameter messen und sammeln kann. Die Schalteingangsfunktion kann den Schaltzustand des Trennschalters und Leistungsschalters erkennen, und die Relaisausgangsfunktion kann den Leistungsschalter aus der Ferne ein- und ausschalten. Der intelligente Netzwerkzähler ACR verfügt über einen einheitlichen Plan für die Kommunikationsadresstabelle, die die drei Fernfunktionen der Telemetrie realisieren können, Fernsignalisierung und Fernbedienung.

(1) AD-Umwandlung und Berechnung des analogen AC-Signals

Der 3 Phasenspannungssignale und 3 aktuelle Signale (Ausgangssignale des Stromwandlers) Die direkt vom ACR Smart Network Meter erfassten Werte sind alle analoge Größen, die in digitale Signale umgewandelt werden müssen, die von der CPU für die Datenverarbeitung erkannt werden können. Erste, Die 3 Phasenspannungen von 220V und 3 Stromanaloge werden durch den Wandler in Niederspannungssignale umgewandelt, und über eine Spannungsformungsschleife in die vom AD-Wandler zulässige Spannung umgewandelt; , wird von AD in ein digitales Signal umgewandelt und in die CPU eingegeben. Das schematische Diagramm des Abtast- und AD-Umwandlungsprozesses der AC-Analoggröße kann durch Kontaktaufnahme mit dem Hersteller angefordert werden.

* Analoge Spannungswandlung und Tiefpassfilterung. Die Funktion des Spannungsformerkreises besteht darin, den Strom elektrisch zu isolieren und umzuwandeln. Allgemein, Der AD-Wandler benötigt ein Eingangssignal von ±5 V und ±10 V, So kann das Übersetzungsverhältnis des Spannungswandlers bestimmt werden. Tiefpassfilter werden in passive Filter und aktive Filter unterteilt. Aktive Filter bestehen aus Kondensatoren, Widerstände und integrierte Operationsverstärker, die das Signal verstärken und gleichzeitig filtern. Passive Filter haben nur Filterfunktionen, aber keine Signalverstärkungsfunktionen.
* Analoge Signalabtastung. Der Stichprobenprozess sollte dem Stichprobentheorem von Shannon folgen, das ist, Die Abtastfrequenz darf nicht kleiner sein als 2 mal der höchsten Frequenz des Eingangssignals. Der Probenahmevorgang ist sehr schnell. Die aktuelle Abtastung des AD-Wandlers hat das Nanosekunden-Niveau erreicht, während die Abtastperiode des Stromnetzautomaten im Millisekundenbereich liegt, Daher können die Spannungs- und Stromsignale der sechs Schleifen einen AD-Wandler gemeinsam nutzen, Die Abtastschaltung muss jedoch mit einem Sample-and-Hold-Gerät und einem Multiplexerschalter ausgestattet sein.
* AD-Konvertierung. AD-Wandler beinhalten eine sukzessive Approximation, Integral, Zählen, Parallelvergleich, und VFC-Spannungs-Frequenz-Wandler. Der AD-Wandler mit sukzessiver Approximation ist ein Vertreter sowohl der Geschwindigkeit als auch der Präzision des ADC, und es hat eine höhere Konvertierungsauflösung bei einer höheren Konvertierungsrate.

(2) Halbzyklus-Absolutwert-Integrationsalgorithmus einer sinusförmigen elektrischen Größe

Der Schlüssel des Softwarealgorithmus besteht darin, die Genauigkeit und Geschwindigkeit des Algorithmusbetriebs zu verbessern. Der Schlüssel des AC-Abtastalgorithmus des Smart Meters besteht darin, zu lösen, wie die Amplitude oder der Effektivwert des sinusförmigen Abtastsignals entsprechend dem Momentanwert des sinusförmigen Signals berechnet wird. Der am häufigsten verwendete Algorithmus für Sinusgrößen ist der Halbzyklus-Absolutwertintegrationsalgorithmus. Das Prinzip des Halbzyklus-Absolutwert-Integrationsalgorithmus besteht darin, dass das Integral des Absolutwerts der Sinusgröße in jedem Halbzyklus eine Konstante S ist, und die Integralwertkonstante S hat nichts mit dem Integralstartwinkel zu tun . Der Halbzyklus-Absolutwertintegrationsalgorithmus basierend auf dem Sinusfunktionsmodell ist in Abbildung dargestellt 19.

Algorithmus der Halbzyklus-Absolutwertintegration basierend auf einem Sinusfunktionsmodell

Der Ausdruck zur Berechnung des Effektivwerts des Stroms mithilfe des Halbzyklus-Absolutwert-Integralalgorithmus ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

In der Formel, S stellt das Integral des Absolutwerts innerhalb eines halben Zyklus dar; I stellt den Effektivwert des Stroms dar; i stellt den Momentanwert des Stroms dar; w repräsentiert die Winkelgeschwindigkeit; T repräsentiert den Wechselstrom-Leistungszyklus; f stellt die Wechselstromfrequenz dar; N stellt die Anzahl der Proben in einem Zyklus dar ; Ts stellt den Abtastzeitraum dar.

3.5 RS485-Rauchsensor für Temperatur und Luftfeuchtigkeit

Bedenken Sie, dass die Stromversorgungsleitung im Kastentransformator möglicherweise Leckagen aufweist, Überlast, Kurzschluss und zu hoher Übergangswiderstand, Dies kann zu Bränden führen, und der Ausfall des in Heizöl getauchten Transformators kann zu Bränden führen. Deshalb, Zur Branderkennung des Kastentransformators ist der Einbau eines Rauchmelders in den Kastentransformator erforderlich. Um mögliche Ausfälle frühzeitig zu erkennen. Um die Messgenauigkeit sicherzustellen und gleichzeitig die Kosten zu senken, die RS485-Temperatur, Zur Erfassung der Temperatur wird ein Drei-in-Eins-Sensor für Feuchtigkeit und Rauch verwendet, Luftfeuchtigkeit und Rauchkonzentration im Kastentransformator. Der Temperatur- und Feuchtigkeitssensor verwendet die SHT30-Sonde. Überspannungs- und Impulsstörungen vor Ort. Der Sensor hat 4 Drähte: Rot, Schwarz, Gelb, und Grün. Für die spezifische Verkabelungsmethode des Temperatur- und Feuchtigkeitsrauchsensors, Bitte wenden Sie sich an den IoT-Hersteller.

Die in diesem System entwickelten intelligenten Messgeräte und Sensoren verwenden das Modbus-RTU-Protokoll, die im gesamten Baudratenbereich zuverlässig kommunizieren können 1200-115200. Die Baudrate von Smart Metern und Sensoren ist einheitlich auf 9600bps eingestellt. Das Datenübertragungsformat und das Datenkonvertierungsformat des Sensors sind wie folgt:
Format des Sensordatenabfragerahmens. Der Sensor folgt dem Standard-Modbus-RTU-Protokoll, und der Sensorwert wird im Halteregister gespeichert, und der Funktionscode ist 04. Der obere Computer liest das Rahmenformat der Sensordatenabfrage, und das untere Computer-Sensordaten-Abfragerahmenformat.

3.6 PT100-Temperaturtransmitter - Funktionsprinzip des RTD PT100 - Funktionsprinzip des Temperatursensors

Der Temperaturtransmitter PT100 dient zur Erfassung der Körpertemperatur des Transformators, Hochspannungs- und Niederspannungskabeltemperatur, Es eignet sich für verschiedene Industriestandorte. Der Transformator erzeugt im Betrieb Verluste, hauptsächlich Eisenverlust und Kupferverlust, wird auch als Kernverlust und Lastverlust bezeichnet. Der Kupferverlust variiert mit dem Laststrom und ist proportional zum Quadrat des Laststroms. Die Berechnungsformel für den Transformatorverlust lautet wie folgt:

In der Formel, P0 stellt die Wirkleistung des Transformators im Leerlauf bei Nennspannung dar; I1 und I2 repräsentieren den Hochspannungsleitungsstrom und den Niederspannungsseitenleitungsstrom; R1 und R2 repräsentieren den Widerstand auf der Hochspannungsseite und den Widerstand auf der Niederspannungsseite.

Der PT100-Temperaturtransmitter ist mit einer RS485-Busschnittstelle ausgestattet, und jeder Temperaturtransmitter kann angeschlossen werden 4 PT100-Temperatursensoren.

3.7 Funktionsprinzip des Wassertauchsenders

Aufgrund des niedrigen Wasserstandes der Fundamentgrube des Umspannwerks, Nach starken Regenfällen kommt es häufig zu Wasseransammlungen im Kabelgraben und in der Fundamentgrube, und es besteht ein potenzielles Sicherheitsrisiko durch Kabellecks, Daher sind unregelmäßige Inspektionen und Entwässerungen erforderlich. In diesem Design, Der Wassertauchsensor dient zur Erkennung der Wasseransammlung in der Fundamentgrube des Kastenunterbaus. Der Wassertauchsensor nutzt das Prinzip der Flüssigkeitsleitung, und erkennt mithilfe von Elektroden, ob Wasser vorhanden ist. Wählen Sie einen Kontakt-Wassertauchmelder mit RS485-Kommunikationsfunktion. Das Funktionsprinzip des Wasserimmersionsdetektors ist in Abbildung dargestellt 23.

4. Systemsoftware-Design

Der Entwurf der Systemsoftware besteht aus zwei Teilen: the field bus LAN software design of the box-type transformer and the remote monitoring system design of the box-type transformer based on the Gizwits cloud platform. Das integrierte Schutzgerät des Mikrocomputers, Smart Network Meter und Smart Sensor im Feldbus-Lokalnetzwerk des Boxtransformators verfügen über eingebettete Anwendungssoftware, Daher ist lediglich die Softwareprogrammierung des Feldcontrollers des Kastentransformators erforderlich.

4.1 Entwurf einer Feldsteuerungssoftware für Kastentransformatoren

Der Feldcontroller des Kastentransformators ist ein eingebettetes System, und sein Softwaresystem besteht aus einem Anwendungsprogramm, API, eingebettetes Betriebssystem und BSP (Board-Support-Paket). Entsprechend den Eigenschaften vieler Parameter, Viele Aufgaben und hohe Echtzeitanforderungen werden vom Feldcontroller des intelligenten 10-kV-Kastentransformators erfasst, das eingebettete Echtzeitbetriebssystem μC/OS-Ⅲ, das in der kommerziellen Produktentwicklung und Lehrforschung weit verbreitet ist, ist ausgewählt. μC/OS-Ⅲ betrachtet Aufgaben als kleinste Einheit, und jede Aufgabe muss sich nicht um die spezifische Ressourcenverwaltungsmethode kümmern, welche durch das Betriebssystem bestimmt wird.

4.2 Softwareprogrammdesign des Feldcontrollers eines Kastentransformators

Das gesamte Softwaresystemdesign basiert auf dem verteilten System, das aus intelligenten Instrumenten besteht, Sensoren, Feldcontroller und Cloud-Plattformen, und der Entwurf und die Entwicklung von Anwendungssoftware wird durchgeführt. Datenübertragung und -austausch, Der Vor-Ort-Controller und der Gizwits-Cloud-Server nutzen das Gizwits-Kommunikationsprotokoll in der GPRS-Firmware für die Datenübertragung und den Datenaustausch. Das Hauptprogrammablaufdiagramm der Feldcontroller-Anwendungssoftware des Kastentransformators.

*Software-Hauptprogramm. Erste, Initialisieren Sie alle Teile des Systems, wie GPIO, serielle Schnittstelle, Uhr, Speicherverwaltung, usw., und Aufgaben in μC/OS-Ⅲ erstellen. STM32 führt die Sensordatenerfassung und -verarbeitung durch, und sendet korrekte Informationen an das LCD-Display. Gleichzeitig, Der STM32 sendet AT-Befehle an das GPRS-G510-Modul, tauscht Daten aus, stellt über das LwM2M-Protokoll eine Verbindung zur Gizwits-Cloud-Plattform her, und beurteilt, ob das GPRS-Kommunikationsmodul erfolgreich mit dem Gizwits-Cloud-Server verbunden ist. Wenn die Verbindung erfolgreich ist, Datenübertragung durchgeführt wird. Beurteilen Sie dann, ob die verarbeiteten Daten größer als der festgelegte Schwellenwert sind.
Wenn es sich um einen geringfügigen Fehler der Unterstation handelt, Senden Sie die Dateninformationen über die Cloud-Plattform an die mobile APP; wenn es sich um einen allgemeinen Fehler handelt, Senden Sie die Datenalarminformationen über die Cloud-Plattform an die mobile APP, und starten Sie das GPRS-GA6-Kommunikationsmodul, um die Alarminformationen über die Mobiltelefon-SMS zu senden; wenn es sich um einen schwerwiegenden Fehler handelt, Die Datenalarminformationen werden über die Cloud-Plattform an die Mobiltelefon-APP gesendet, und das GPRS-GA6-Kommunikationsmodul wird aktiviert, um die Alarminformationen über die Mobiltelefon-SMS zu senden und das voreingestellte zuständige Personal anzurufen.