浅析高压断路器远程监测系统设计

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摘要：高压断路器远程监测平台按照功能划分可以划分为两个部分：本地数据的采集分析和远程数据监控管理。本地数据采集器通过一些独立的传感器实时采集高压断路器的运行参数存入MySQL本地数据库，之后使用MySQL数据库的主从同步功能传至云端数据库。远程数据监控管理平台以高压断路器ID号为基础，对指定ID的高压断路器进行实时监控，可查看指定高压断路器的基本信息、运行参数、维保信息、故障信息等。

关键词：数据采集，远程数据

监控，主从同步高压断路器作为电力系统的重要组成部分，对电力系统起到控制作用和保护作用，而高压断路器的故障往往会引起较大规模的电力系统故障。因此监测高压断路器的工作状态，确保电力系统稳定可靠的运行，已经成为了社会发展的重要课题。

1系统总体结构设计

本课题设计并开发了一个高压断路器远程监测系统，系统的架构由本地数据采集终端和远程数据监控管理平台组成。本地数据采集终端由STM32开发板以及各类振动传感器与电流传感器组成，本地数据采集终端采集到各个传感器的信号之后进行数据分析，数据分析之后写入本地数据库，然后使用MySQL数据库的主从同步功能，本地主库将实时更新到云端的从库，使得高压断路器的数据能冗余备份，在主库数据损坏时可以从从库进行数据恢复。远程数据监控管理平台以高压断路器ID号为基础，对指定ID的高压断路器进行实时监控，可查看指定高压断路器的基本信息、运行参数、维保信息、故障信息等。远程监控管理平台以高压断路器ID号为基础，搜索某个高压断路器的ID号，该ID号若存在于系统中，服务器向MySQL数据库查询该断路器的所有信息，作为缓存存入Redis数据库。当用户再次点击查询维护信息时，服务器会返回当前高压断路器的维护信息如当前高压断路器型号、该断路器的生产厂家、断路器类别、额定电流、额定电压、额定短路开断电流。当用户再次点击查询分合闸电流及振动信号波形时，服务器会返回当前高压断路器的运行参数如操动机构振动波形图、分合闸电流波形图、分闸时间、合闸时间、分合闸不同期性等参数。

2本地数据采集终端设计

2．1本地数据采集终端下位机设计

本地数据采集终端下位机主要由主控模块（STM32）、电源模块、晶振、电压基准模块、传感器模块。传感器模块包括：电流传感器和振动传感器。电压基准模块采用REF2930芯片，该芯片输入5．0V电压，输出3．0V电压。根据芯片数据手册，芯片的精度可以达到2％（即输出电压的正负误差不超过0．06V）。数据采集芯片选用TI公司生产的一款ADS1256芯片，该芯片精度为24位，支持高速数据采集，最高数据采集速率位30k／s，支持5V模拟电压输入，1．8V到3．6V数字电压输入。本系统采用7．68MHz晶振作为ADS1256芯片的外部时钟源，采用SPI接口与ADS1256芯片建立通信，提供了相应的接口使数据信息快速的传送，简化了数据的读写。ADS1256芯片支持两种读写模式：一种是单次读写模式，ADS1256芯片采集并转换完成时，会将其DRDY引脚拉低，SPI主机检测到DRDY引脚处于低电平便向SPI从机读取数据（向从机发出0x00000001命令字）；第二种模式为连续读取数据模式，ADS1256芯片采集并转换完成，会将其DRDY引脚拉低，SPI主机检测到DRDY引脚处于低电平便向SPI从机读取数据（向从机发出0x00000011命令字），便可向从机连续读取数据。本系统将ADS1256芯片的DRDY引脚映射到STM32的PC3引脚，利用PC3引脚作为主控芯片的外部中断来判断何时向SPI从机读取数据。在ADS1256芯片的驱动移植中，TI的ADS1256芯片引脚被映射为多个STM32端口。

2．2本地数据采集终端上位机设计本地数据采集终端上位机使用Qt框架编写，采用用了Qt中的多线程、信号与槽、MVD等技术。其中Qt中的MVD（Model、View、Delegate）借鉴了MVC的设计思想，Model负责与数据源通信并提供接口给其他组件，View用于对Model的数据进行渲染并向用户展示，Delegate则起到中间桥梁的作用，用于编辑Model及渲染View。本系统通过主线程直接向Model提供数据源，通过View向用户展示接收到的数据。本系统从线程通过485总线接收下位机的数据并对数据进行解析，数据解析完成后放入系统缓冲区，主线程定时检查缓冲区有无数据，若有数据则依次执行写入数据库，更新Model，曲线显示等任务，主线程空闲时用于检测并响应用户事件。

3远程数据监控管理平台设计

远程数据监控管理平台采用Redis缓存技术，Redis是一种基于键值对的NoSQL数据库，与很多兼职对数据库不同的是，Redis中的值可以由字符串、哈希、列表、集合、有序集合、位图等多种数据结构和算法组成，而且因为Redis会将所有数据存放在内存中，所以它的读写速度很惊人。本平台使用Redis作为用户管理数据库及热点数据缓存数据库，以提高网站对数据请求的响应速度，使用jQueryEasyUI技术进行界面设计，同时结合使用Tornado框架对系统功能进行实现。通过设计数据通信协议以及数据接口，将本地数据采集终端采集到的数据上传到本地MySQL数据库。通过MySQL主从同步功能与远程服务器数据库建立连接，实现本地数据采集终端和服务器之间的数据同步。整个平台分为以下三个功能：用户管理、数据监控和历史记录。用户管理分为管理员和普通用户；数据监控负责记录高压断路器各个性能指标；历史记录分为高压断路器故障历史信息和维保历史信息。

远程数据监控管理平台是基于Python而采用的tornado框架，我们可以通过Python中的元类来编写Model／View模型完成对象和表之间的映射，通过Model／View模型对数据进行查询，可以大幅度减少开发人员使用SQL查询数据的代码量。远程数据监控管理平台使用Nginx作为反向服务器，作为轻量级HTTP服务器，Nginx具有体积小、配置灵活、并发能力强,稳定性高等优点。平台使用Nginx作为反向服务器，可以显著提高服务器返回静态资源请求的速度。实时数据接收与显示功能的实现需要实现终端与网页的数据通信，这时需要对它们之间基于移动通信网络的HTTPS通信协议进行设计。进入监控界面可以看到高压断路器的详细信息和运行状态信息，

4结束语

本文设计了一套高压断路器远程监测系统，支持设备扩展，对高压断路器的历史数据存入数据库，并进行了云端备份提高了系统的可用性和容灾性。经过测试，本系统稳定可靠，可扩展性好，后期维护方便。

参考文献

［1］付磊，张益军．Redis开发与运维［M］．北京：工业机械出版社，2017：1－2

［2］高群凯．深入剖析Nginx［M］．北京：人民邮电出版社，2013：1－2

作者:徐凯 朱斌 蔡卫峰 单位:南京理工大学自动化学院