摘 要

变电站是现代社会不可或缺的一部分，变电站的安全以及工作人员的生命安全更是其中最为重要的一部分。本文基于AT89C51单片机设计了一个多功能变电站环境参数智能监测系统。该系统对变电站的温度、湿度以及SF₆浓度进行了实时监测，并采用有线通信（RS232）的方式，使下位机与上位机通信，在基于LabVIEW所编写上位机中显示下位机所监测数据的数值以及实时曲线图，并产生相应的报警信息。同时，上位机可以对下位机中的阈值进行差异性调整。

论文主要介绍了系统下位机硬件模块、上下位机连接模块以及上位机监测软件，并对各模块进行了详细的说明。系统的仿真全部由单台PC实现，论文介绍了系统的仿真方法并展示了系统的仿真结果，最后对系统进行了总结，对系统未来的发展做出了展望。

关键词：单片机；变电站；环境监测系统；RS232；LabVIEW

Abstract

Substations are an indispensable part of modern society. The safety of substations and the safety of workers' lives are also the essential ones. This paper designs a multi-function substation environmental intelligent monitoring system based on AT89C51. The system monitors the temperature, humidity and SF₆ concentration of the substation in real time, and uses wired communication (RS232) to make the subordinated computer communicate with the host computer. At the same time, the threshold in the subordinated computer can be adjusted differently in the host computer.

The paper mainly introduces the hardware modules of the subordinated computer of the system, the connection modules between the subordinated and the host computer and the monitoring software of the host computer, and gives the detailed description of each module. The simulation of this system is all realized by only a single PC. The paper introduces the simulation method of the system and shows the simulation results of the system. Last but not least, the system is summarized and the future development of the system is prospected.

Key Words：RS232；LabVIEW；single-chip microcomputer；transformer substation；

environmental monitoring system

目 录

第1章 绪论 1

1.1 论文选题的目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 论文的结构与内容 2

第2章 总体设计方案 3

2.1 设计的基本目标 3

2.2 系统的总体结构 3

第3章 系统硬件的设计与实现 5

3.1 单片机最小系统 5

3.2 电源电路 5

3.3 湿度测量电路 6

3.4 温度测量电路 7

3.5 SF₆浓度测量电路 7

3.6 显示电路 8

3.7 报警电路 9

3.8 按键电路 9

3.9 串口电路 10

第4章 单片机控制的下位机软件设计 11

4.1 湿度测量模块 12

4.2 温度测量模块 12

4.3 SF₆浓度测量模块 13

4.4 显示模块 13

4.5 按键模块 13

4.6 串口模块 14

第5章 基于LabVIEW的上位机软件设计 16

5.1 系统登录模块 16

5.2 主界面模块 18

5.2.1 实时监测与报警模块 19

5.2.2 阈值更改模块 19

5.2.3 串口通信模块 20

第6章 系统的仿真与抗扰性能分析 21

6.1 仿真软件与仿真方法 21

6.1.1 仿真软件 21

6.1.2 仿真方法 21

6.2 仿真结果 22

6.3 系统抗扰性能分析 24

第7章 总结与展望 25

7.1 系统总结 25

7.2 展望 25

参考文献 27

致 谢 28

第1章 绪论

1.1 论文选题的目的及意义

随着改革开放四十周年的推进，我国在生产建设中积累了弥足珍贵的经验，其中，电力行业也取得了巨大的成就。习近平总书记指出：在第四次工业革命的背景下，能源变革成为大趋势，而电能作为高效清洁的二次能源，也必将成为未来转型的新方向，能源生产和消费呈现明显的“再电气化”趋势。据相关部门的统计，截至2019年底，全国发电装机容量201066万千瓦（其中火电119055万千瓦，水电35640万千瓦，核电4874万千瓦、风电21005万千瓦、太阳能发电20468万千瓦），中国发电行业技术已成为世界的引领者。

变电站是发电过程中不可或缺的一环。近年来，由于工作环境问题导致的变电站事故为我国造成了不少损失：2018年5月12日，南网安顺供电局110kV平坝变电站由于设备受潮短路发生了开关柜等部分设备烧毁事件；2017年2月22日，贵州盘南电厂现场应急人员由于对电流互感器爆燃时产生的油雾扩散误判发生了事故。一个变电站通常承担着一片区域的居民用电负荷，有的还关乎着重点机构如医院的保电工作，因此变电站的安全运行显得十分重要。

本次设计的变电站工作环境监测系统用单片机对变电站内部的温度、湿度、SF ₆气体浓度等工作环境信息进行实时采集，并送至上位机进行实时监测、分析及告警，以满足变电站无人值守集中监测需要，提高监测运行效率，保证电网和设备安全运行。

1.2 国内外研究现状

对变电站的监测在国内外都有相关的研究，主要集中于对电力设备（变电站内一次设备、二次设备及辅助设备）的监测，而变电站工作环境的监测就是其中的一部分。国内大部分变电站都拥有工作环境监测系统，主要是对变电站的环境温度和湿度等工作环境变量进行监测，通过RS232串口通信^[1]、光纤等有线通信方式传至上位机，上位机再发出控制信号对风机等设备进行控制，从而实现变电站工作环境控制。例如，2016年6月，广州启用首个变电站环境在线监测系统，并通过电子屏幕向群众展示数据；2019年11月湖南省发布了该省首个变电站电磁环境在线监测系统，电磁环境的监测数据通过光纤传输到变电站内机房，并通过大屏幕向公众显示。

随着智能变电站的不断兴起，设备的智能化水平不断提高，变电站中需要布置大量的感知设备。近年来，国内外都已经出现了基于物联网的智能变电站工作环境监测系统的研究，其中ZigBee^[2-3]、无线传感器网络（WSN）技术^[3-4]、物联网^[5]等无线通信技术就成为了变电站在线监测的解决方案。一些国外的公司已经在这些新技术的研究中取得了一定的成果：2019年，ABB公司为北京大兴国际机场提供了一系列包括变压器产品以及气体绝缘封闭式组合电器（GIS）等的机场智能变电站解决方案，集成了多项电网自动化以及智能监测控制技术，以满足智能变电站的需求。此外，西门子、施耐德等高新技术企业也都拥有各自的智能变电站解决方案与产品。但是，由于智能无线感知设备价格较为昂贵，目前国内外对智能变电站工作环境监测系统存在着无法大规模推广的问题。并且，对于传统的利用RS232串口等实现的变电站工作环境监测系统，也存在着一些问题，例如在变电站内的电磁干扰的解决方案、传感器数据收集处理方案等，只有少部分研究已经转换为成果。因此，变电站工作环境监测系统这一领域还有不少的发展空间。

1.3 论文的结构与内容

全文分为四个部分：绪论、总体设计方案、系统设计与仿真分析以及总结与展望。绪论部分为第一章绪论，主要介绍了论文选题的目的及意义以及课题国内外的研究现状。总体设计方案部分为第二章总体设计方案，主要介绍了此次设计的基本目标以及系统的总体结构。系统的设计与仿真分析部分包括第三章系统硬件的设计与实现、第四章单片机控制的下位机软件设计、第五章基于LabVIEW的上位机软件设计以及第六章系统的仿真与抗扰性能分析。该部分从硬件设计、软件设计和仿真分析三个方面对系统中各模块进行了详细的介绍。总结与展望部分为第七章总结与展望，主要对整个系统进行了总结，并对系统的后续工作提出展望。

第2章 总体设计方案

2.1 设计的基本目标

本次设计的题目为基于单片机的多功能数据监测系统，这样的系统在电力、交通、建筑、健康保健以及环境等多个领域都有相应的应用。在实用性、经济性与仿真难易度等多方面因素的综合考虑下，本次设计决定参考智能变电站工作环境的监测的国家标准（GB 50053-2013），设计一种变电站工作环境信息监测系统，采用单片机作为主控芯片，可以对变电站内部工作环境信息（温度、湿度以及SF₆浓度）进行监测并对监测数据的显示和报警进行控制。具体要求包括设计系统的总体技术方案、单片机及其扩展电路、输入通道与输出通道、抗扰电路以及上位机监测软件等。

2.2 系统的总体结构

将系统分为四个部分：1）监测模块；2）本地监测下位机（单片机）；3）控制输出电路（显示、报警等）；4）上位机（PC）。其基本结构如图2.1所示。