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基于STM 32的现代电网微自动气象站设计

李浩 马内什·库马尔·奥坎尼 张恒旭 张磊

山东大学电气工程学院，济南250061，中华人民共和国

国家电网山东电力研究所，济南250002，中华人民共和国

E-mail: zhanghx@sdu.edu.cn

发表于“工程学报”；2017年10月10日收到；2017年11月1日接受

摘要：近几年来，随着可再生能源资源的快速增长，现代电力系统的分析与控制变得越来越复杂。气象信息 已经被认为是帮助运营商解决可再生能源带来的问题的基本数据。在此基础上，提出了微型自动气象站的概念，以适应现代天气预报的需要。 ER网格分析与控制。基于stm 32控制器和气象传感器，设计并开发了微型自动气象站的硬件和服务器软件。 环境大气的风速、风向、光强度、温度和湿度。所有实时气象数据以及全球位置提供的地理信息 通过无线通用分组无线业务网络将INN系统发送到基站，并对服务器中的网络数据进行分析。实际实验表明，气象站可以运行Smoot。 在自然环境中，为用户提供准确、实时的气象数据.因此，微型自动气象站使研究人员有可能获得大量的气象资料。 短期内以低价提供气象信息。

1 介绍

光伏发电、风力发电等清洁环保的可再生能源在电力生产中发挥着越来越重要的作用。然而，可再生能源的随机性和波动性在任何时候都会影响到电力系统的安全性和稳定性。此外，自然灾害对电力系统的影响也逐渐受到研究者的重视。最后，在配电网中安装的分布式发电机组也增加了电网的复杂性。对上述问题的研究主要依靠气象信息。因此，获取丰富、准确、实时的气象数据对现代电网分析具有重要意义。

自动气象站已经发展了几十年。传统自动气象站的制造技术非常成熟。然而，传统的自动气象站具有体积大、造价高、工期长等突出特点，限制了传统气象站在电场中的应用。因此，传统的自动气象站已不适用于现代电力系统的监测与分析。

本文提出了基于stm 32单片机的现代电力系统微自动气象站的概念，它可以监测风速、风向、光强。 环境的温湿度。全球定位系统(GPS)模块为气象站提供时间信息和地理信息。气象站捕获的所有信息将被发送到基站，用于接收、解码、检查、显示、存储和应用。服务器软件增加了pv功率预测、风电预测和气象灾害对电力系统影响分析等应用，作为子功能。同时，还预留了几个接口，以供将来添加新功能。值得一提的是，网络传输协议和数据采样速率都可以由用户在线修改。

现在，我们已经将微型自动气象站的概念转化为实际的硬件设备. 中国济南安装了四套气象站。在六个月的测试阶段，所有的设备运行顺利，没有中断。通过对存储在数据库中的气象数据进行校验，使通用分组无线业务(GPRS)无线通信的数据包丢失率低于0.1%此外，无论是在线应用程序还是离线分析软件都通过了测试。因此，微自动气象站硬件和服务器软件均成熟，可应用于实际应用，为研究人员提供气象信息。

2. 系统结构

微自动气象站是一种自动监测气象信息并发送到服务器的仪器。整个系统由硬件设备(如图1所示)和服务器软件组成。

图1微型自动气象站硬件装置

2.1硬件部件

所有的微型自动气象站硬件设备都密封在铝底盘内，具有良好的防水性能，以适应自然环境。它主要包括电源管理系统、数据采集系统和信息传输系统，以保证气象站在自然条件下不间断地工作。图2出示了硬件设备的结构。

图2微型气象站的硬件结构

2.2服务器软件系统

获取准确、实时的气象数据是服务器软件的基本目标. 首先，服务器软件系统负责数据的接收、解码、显示和校验。异常数据将被记录并向用户报告。

在此之后，一方面，处理后的天气数据将以不同的形式显示在服务器界面上，如LED数字或动态曲线。另一方面，气象数据也将存储在数据库SQLite或access中。最后但并非最不重要的一点是，该软件可以同时使用气象数据进行在线应用和脱机应用。数据处理步骤如图3所示。

图3服务器软件系统的组成

3. 硬件设计

3.1数据采集系统

3.1.1 STM 32微处理器：微自动气象站以stm32f103vetb微处理器为核心，具有丰富的硬件接口，可以控制各种类型的气象传感器。方便地完成气象数据的采集、处理、显示和传输功能。STM32F103VETb微处理器基于32位ARM Cortex-M3核，可在LQFP(低剖面四平面封装)封装中获得，外接有100个外接引脚，用于工业控制。微处理器的核心工作频率可达72 mhz，有一台512 KB的闪存，两台12位的模拟数字转换器(Adc)，两台12位的数字到模拟转换器，三种。 L型16位定时器和一种先进的脉宽调制定时器. 该芯片还包括丰富的通信接口：两个集成电路接口和两个串行外围接口，一个通用串行总线全速设备接口和一个控制器区域网络。

微处理器的主要功能可概括为四个方面：

1. 外部气象传感器数据采集系统的控制
2. 接收、解码、检查和处理气象数据包。
3. 处理GPS信号获取站的同步时钟和地理信息
4. 支持信息传输和电源管理系统

3.1.2温度测量：选用DS18B20芯片测量环境温度。DS18B20芯片是达拉斯半导体公司生产的可编程单总线数字温度计。

该传感器独特的单线接口只需一个引脚即可实现通信，还可发送循环冗余校验，具有较强的抗干扰纠错能力。配置寄存器允许用户将测温精度设置为9、10、11或12位。DS18B20支持多点组网，这意味着几个ds18b20芯片可以在三条线路上并行连接，便于向控制器发送数据。配置寄存器的参数列在表1中。

表1 DS18B20的工作状态配置

3.1.3湿度测量：微型自动气象站使用dht 11测量湿度信息。DHT 11是一种带有数字信号输出温湿度复合传感器的校准，具有单总线串行接口。由于DHT 11测得的温度精度低于DS18B20，所以该监测站丢弃了DHT 11采集的温度信息。湿度测量精度可达小数点三位，测量信号的有效传输距离可达20m。因此，DHT 11芯片完全满足湿度监测的要求。

3.1.4光强测量：本设计选用BH1750FVI芯片采集光强信息，它是一种用于二线串行总线接口的双线串行总线接口数字光强传感器集成电路。该模块可以通过内部的adc芯片将模拟光强转换为1到65，536之间的数字变量。BH1750FVI使用内部集成电路与控制器通信。内部结构如图4所示。

图4 BH1750FVI的结构

3.1.5光强测量：在风速测量方面，我们选择了三杯式风速传感器。它可以将风速信息传递给0-5V数字信号，其最小起动风速为0.4m/s。风速测量精度约为0.1m/s。

在本设计中，将风向分为16个方向，由水平风向传感器进行测量。该装置的最小起动风速为0.8m/s。风向测量和风速测量的形状如图5和6所示，电源电压为12V。

图5风向测量

图6风速测量

3.1.6全球定位系统：gps是美国国防部开发的一种全面、全天候、高精度的卫星导航系统，为全球用户提供低成本，高精度的三维位置，速度和精确的定时信息。

在微型自动气象站，我们使用U-BLOX NEO-6m模块接收GPS卫星信号，它支持无线电海事技术委员会(RTCM)服务标准协议。RTCM有七个数据帧，分别是GPGGA、GPGSA、GPGSV、GPRMC、GPVTG、GPGLL和GPZDA。考虑到微型自动气象站的实际工作需求, 我们选择了表2中列出的GPRMC数据框架.

表2 GPRMC数据框架

3.2电源管理系统

能源管理系统是微型自动气象站的基础和保证. 系统可同时支持交流电源和直流电源。主要包括交流电源、整流器、光伏机组、风力机、控制单元和锂电池的管理(图7)。

图7两种供电方式

在交流电源模式下，气象站由外部220伏交流电源供电。首先，通过整流器将交流电源转换为12V直流电源。然后，直流电源为整个系统提供稳定的电源。该模式主要用于设备调试阶段。

由于微型自动气象站有时需要安装在偏远地区，如沙漠或山区，很难找到外部交流电源。因此，支持直流电源在某些条件下对气象站具有重要的意义。直流电源系统由pv单元、风力机、储能装置和控制单元组成。当锂电池[17]在充电模式下运行时，由pv单元和风力机产生的电能将存储。当电池在放电模式下工作时，它为气象站提供动力。电源管理系统的参数列于表3。

表3电力管理系统参数

图8中的实验表明，当电池完全充电时，气象站至少可以在没有风和阳光的情况下工作16天。此外，无论在夏季还是冬季，能源管理系统都可以确保系统不中断运行，如图9所示。

图8无太阳光、无风环境下的电压电池

图9夏季和冬季电池电压幅值(一个月)

3.3信息传输系统

微型自动气象站支持有线串行通信方式、有线网络通信方式和gprs无线通信方式。

网络通信方式，将气象数据传送到服务器。

（1）有线串行通信：串行通信是指串行端口按照比特发送和接收数据。虽然串行通信方式下的数据传输速度 是慢于并行传输数据的方式，串口占用的线路较少。同时，只使用两条数据线来发送和接收数据。方便是串行通信方式最突出的优点。

（2）有线网络通信：由于有线串行通信方式受到有线连接远距离传输成本高的限制，随着传输距离的增加，信号衰减。中继器等辅助设备将使电缆传输方式的经济效益恶化。因此，有线串行通信方式限制了气象数据的传输距离。

有线网络通信可以使用公共网络，具有较高的通信质量。此外，它将不受传输距离的限制。在这种模式下，用户可以在线修改传输协议(TCP或UDP)和数据采样率。

（3）GPRS无线网络通信：由于气象站需要安装在自然环境中，使用电缆传输是不方便的。考虑到经济效益和传输稳定性，gprs无线网络通信适合于气象站(图10)。

图10 GPRS通信原理

GPRS是GSM手机用户拥有的一项业务。它是gsm的延续，并以分组形式传输数据。用户应支付以传输内容大小为单位计算的成本。当网络环境良好时，传输速度可达56-114kbps.

4软件设计

微自动气象站的web服务器安装在基站上，其任务是接收、解码、检查、显示、存储和应用数据。在我们的设计中，服务器软件可以同时处理来自多个气象站的数据，同时也支持用户修改系统的大小、数据采样率，甚至网络。 k传输协议。表4显示了软件的参数。

表4服务器软件参数

4.1服务器软件配置

在服务器软件配置界面中，用户可以获得气象站和web服务器的工作状态，如图11所示。同时，用户可以配置系统的操作参数。具体职能如下：

1. 获取服务器的运行状态。如传输协议、服务器名称、接口名称、服务器IP地址、子网掩码、广播地址和服务器MAC地址。
2. 获取微型自动气象站的传输状态、数据采样率、IP地址和气象站端口号等连接信息。
3. 配置系统操作参数。用户可以修改目标ip地址、目标端口号、数据传输速度和传输协议。

图11服务器软件配置接口

4.2实时用户界面设计

所有的气象信息包括湿度、温度、风速、风向、光强、协调的全球时间和从气象站收到的地理信息。实时用户界面上的实时显示由数字显示部分、局部时间显示部分、实时曲线显示部分和实时风向部分组成，如图12所示。

图12实时用户界面

1. 在数字显示区，所有气象资料均以数码方式显示，并每秒钟刷新一次。
2. 本地时间显示部分显示时间和日期。
3. 湿度、温度、风速和光强以动态曲线的形式显示在实时显示区域。
4. 风向以圆规的形式在实时用户界面中显示。

5微自动气象站的先进应用

气象信息是电力系统分析的基础数据。由于微型自动气象站体积小、价格低廉、安装方便，使得在大面积内建立多个气象监测点成为可能。此外，所有气象站都有一个由gps信号发出的同步时钟。一方面，集成到服务器软件中的实时应用使用实时气象信息来分析电力系统的运行状态。另一方面，气象数据可以存储在数据库中进行离线分析. 下面列出了一些高级应用程序。

5.1光伏发电和风能预测

预测光伏发电和风力发电已成为服务器软件的核心功能之一。短期预测和长期预测都可以在线或离线进行。预测结果可以文本形式输出给用户。

5.2气象灾害对电力系统的影响

气象灾害会对输电线路和负荷造成严重影响。在某些情况下，甚至造成电力系统故障，造成巨大的经济损失。服务器端软件能够准确地记录和分析各地区的气象灾害，并为用户提供统计数据和分析结果。

5.3主动配电网络的调度

基于中提到的算法，我们目前正在开发一套实用的软件，利用实时气象信息，可以提供一种新颖、分散和动态的气象信息。

6 结论

本文介绍了微型自动气象站的设计.硬件设备和服务器软件均已完成。目前，我们已经在济南安装了四套基于STM 32的微型自动气象站。在六个月的测试阶段，硬件设备和服务器软件运行顺利。GPRS无线通信的数据包丢失率低于0.1%。

微型自动气象站使研究人员能够在

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