基于物聯(lián)網(wǎng)的智能分布式直流操作電源系統(tǒng)

陳琪瑯, 范新權(quán), 何用輝

(1.福建省電力有限公司 泉州電業(yè)局, 福建 泉州 362000; 2.福建省瑞盛電力科技有限公司, 福建 福州 350003; 3.福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 福建 福州 350003)

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能分布式直流操作電源系統(tǒng)

陳琪瑯1, 范新權(quán)2, 何用輝3

(1.福建省電力有限公司 泉州電業(yè)局, 福建 泉州 362000; 2.福建省瑞盛電力科技有限公司, 福建 福州 350003; 3.福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 福建 福州 350003)

為了適應(yīng)信息化建設(shè)和智能電網(wǎng)的需要,介紹了一種基于GPRS的智能分布式直流操作電源系統(tǒng)。闡述了電源系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和功能,重點(diǎn)分析了電源系統(tǒng)主要模塊的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法和特點(diǎn)。最后,介紹了電源系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件的組成和主要功能。指出智能分布式直流操作電源系統(tǒng)能有效降低成本,提高維護(hù)效率,并降低供電風(fēng)險(xiǎn),具有很好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。

物聯(lián)網(wǎng); GPRS模塊; 分布式直流操作電源; AC/DC模塊

0 引 言

直流操作電源是電力系統(tǒng)的重要設(shè)備,作為智能電網(wǎng)自動(dòng)化配網(wǎng)設(shè)備和變電站等場(chǎng)合的自動(dòng)控制、保護(hù)、開(kāi)關(guān)分/合等的重要電源,其性能和質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行和設(shè)備安全[1]。直流操作電源現(xiàn)在主要以直流屏的集中式供電為主,但一旦電源系統(tǒng)失效,會(huì)造成大范圍的故障,危險(xiǎn)性高。對(duì)于電源可靠性和穩(wěn)定性要求較高的電力系統(tǒng),分布式供電直流操作電源是設(shè)備供電電源的發(fā)展方向。

由于操作電源應(yīng)用場(chǎng)合特殊性和電力系統(tǒng)設(shè)備分布廣泛,造成有線網(wǎng)絡(luò)化工程龐大、聯(lián)網(wǎng)困難、成本高和維護(hù)不便等缺陷,對(duì)其信息采集不能及時(shí)有效。因此,隨著信息化建設(shè)和智能電網(wǎng)的需要,基于物聯(lián)網(wǎng)的智能分布式直流操作電源向遠(yuǎn)程信息化、智能化的方向發(fā)展。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及功能

本文設(shè)計(jì)了一種集嵌入式計(jì)算機(jī)、高效電源變換、蓄電池智能管理和基于GPRS的物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)于一體的智能分布式直流電力操作電源系統(tǒng),有效解決效率低、維護(hù)難度大、運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)高等問(wèn)題,為智能電網(wǎng)自動(dòng)化配網(wǎng)設(shè)備等提供高性?xún)r(jià)比電源。

直流操作電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由嵌入式控制系統(tǒng)、高效電源變換系統(tǒng)、智能蓄電池管理系統(tǒng)、無(wú)線通信系統(tǒng)以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)等五大部分組成。

該電源各組成部分的功能如下:

(1) 嵌入式控制系統(tǒng)基于高速的ARM核心控制處理平臺(tái),在嵌入式控制中高效實(shí)現(xiàn)特定算法,進(jìn)行精確的數(shù)據(jù)分析與處理,協(xié)調(diào)整個(gè)電源系統(tǒng)的智能控制運(yùn)行,主要實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻開(kāi)關(guān)電源變換電路、蓄電池智能管理電路、無(wú)線通信和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控部件的控制,實(shí)現(xiàn)整機(jī)的智能控制與管理。

(2) 高效電源變換系統(tǒng)可自動(dòng)依據(jù)負(fù)荷情況調(diào)整供電模式,實(shí)現(xiàn)交流電源或蓄電池供電的高效變換處理,以輸出可靠的不間斷操作電源。

圖1 直流操作電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

(3) 蓄電池智能管理系統(tǒng)用于后備蓄電池的智能充電管理,通過(guò)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)蓄電池的電壓、內(nèi)阻及溫度等信息,來(lái)判斷其運(yùn)行狀態(tài)。

(4) 無(wú)線通信系統(tǒng)主要應(yīng)用基于GPRS無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的遠(yuǎn)程物聯(lián)管理,將操作電源設(shè)備聯(lián)入智能電網(wǎng)綜合配電自動(dòng)化系統(tǒng),將實(shí)時(shí)信息共享利用,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能化和互動(dòng)化的功能目標(biāo)。電源系統(tǒng)與服務(wù)器數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程如圖2所示。

圖2 電源系統(tǒng)與服務(wù)器數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程

(5) 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)友好的人機(jī)界面,實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中輸出電壓、電流、蓄電池內(nèi)阻、端電壓、溫度等各種重要參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控[2]。

2 系統(tǒng)主要模塊技術(shù)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)功能模塊如圖3所示。基于嵌入式控制器的系統(tǒng)監(jiān)控模塊是操作電源的處理核心,協(xié)調(diào)控制其他模塊有序、穩(wěn)定工作,高效實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)算法,完成對(duì)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、保護(hù)、設(shè)置和通信等任務(wù)。AC/DC模塊把電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換成一定規(guī)格的直流電;DC/DC模塊則是把AC/DC輸出的直流電或蓄電池輸出電源轉(zhuǎn)換成滿(mǎn)足負(fù)載要求的各種規(guī)格直流電源;電池充電和在線監(jiān)測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)電池進(jìn)行智能充電和蓄電池的工作狀態(tài)監(jiān)測(cè);GPRS無(wú)線通信模塊用于電源系統(tǒng)的無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)連接,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控,滿(mǎn)足智能電網(wǎng)的要求。

圖3 系統(tǒng)功能模塊

2.1 AC/DC模塊電路的設(shè)計(jì)

考慮到電源系統(tǒng)的輸出功率、效率和可靠性,AC/DC電路采用有源功率因數(shù)矯正和雙軟開(kāi)關(guān)電路。

(1) 前端采用有源功率因數(shù)校正電路[3]。其校正方法是在輸入端加入1個(gè)高頻電感、1個(gè)二極管、1個(gè)高頻開(kāi)關(guān)管以及相應(yīng)的控制器,組成升壓變換器?？刂破魍ㄟ^(guò)采集交流輸入的電壓信號(hào)和電流信號(hào),控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通與關(guān)斷,從而使輸入電流波形始終跟隨輸入電壓波形,使高頻開(kāi)關(guān)電源模塊的功率因數(shù)達(dá)到0.99以上,諧波失真小于5%。

(2) 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)解決硬開(kāi)關(guān)變換器中的硬開(kāi)關(guān)損耗、容性開(kāi)通、感性關(guān)斷及二極管反向恢復(fù)等問(wèn)題,而且還能解決硬開(kāi)關(guān)引起的電磁干擾等問(wèn)題。在電路設(shè)計(jì)上采用了無(wú)損耗緩沖技術(shù)和諧振技術(shù)組合而成的新型軟開(kāi)關(guān)技術(shù),該技術(shù)能有效解決通用的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)在電路中由于并聯(lián)或串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)而產(chǎn)生的諧振損耗及電路受到固有影響的問(wèn)題。

2.2 DC/DC穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)

為確保電網(wǎng)失電處于電池供電模式時(shí),DC/DC模塊能夠?yàn)樨?fù)載提供穩(wěn)定可靠的電源,并且提高系統(tǒng)冗余能力,DC/DC模塊采用兩個(gè)模塊并聯(lián)供電。為使兩個(gè)模塊輸出均流,采用基于最大電流法的均流控制策略?；谙到y(tǒng)中蓄電池充放電時(shí)電池端電壓的差異,如24 V的蓄電池電壓為21～36 V,DC/DC模塊輸入電壓范圍較寬,當(dāng)采用動(dòng)態(tài)特性較好的電流型控制芯片(如UC2843)時(shí),需要增加斜率補(bǔ)償電路?；赨C2843芯片的補(bǔ)償電路如圖4所示。圖4中,在斜率補(bǔ)償控制環(huán)路設(shè)計(jì)調(diào)試時(shí),需要兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性。

圖4 基于UC2843芯片的補(bǔ)償電路

2.3 蓄電池在線監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)

蓄電池在線監(jiān)測(cè)主要在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池的端電壓、電池溫度,并定期測(cè)試蓄電池內(nèi)阻。采用精密的采樣電路對(duì)蓄電池的端電壓進(jìn)行A/D變換,實(shí)現(xiàn)精確的電壓檢測(cè)。電池溫度采用高穩(wěn)定、低溫漂的傳感器進(jìn)行采集。蓄電池內(nèi)阻采用瞬間放電法測(cè)試,由電池產(chǎn)生瞬間負(fù)載電流,然后測(cè)出電池極柱上電壓的瞬間變化,通過(guò)負(fù)載接通時(shí)的瞬間電壓降和斷開(kāi)負(fù)載時(shí)的瞬間電壓恢復(fù),可以推導(dǎo)出相應(yīng)的內(nèi)阻。

A/D采樣技術(shù)取得電壓變化曲線后,通過(guò)ARM進(jìn)行快速軟件濾波,并分析取得變化的特征點(diǎn),然后推導(dǎo)出內(nèi)阻值。

2.4 GPRS通信應(yīng)用設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)中嵌入GPRS模塊,將采集的數(shù)據(jù)以短信的方式發(fā)送到監(jiān)控終端,監(jiān)控終端也以短信方式實(shí)現(xiàn)對(duì)該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。GPRS模塊應(yīng)用設(shè)計(jì)如圖5所示。系統(tǒng)中各項(xiàng)參數(shù)經(jīng)采集模塊采集后送入MCU處理,再通過(guò)MCU串口將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給GPRS通信模塊。數(shù)據(jù)按照GPRS通信協(xié)議由GPRS模塊發(fā)送到GSM基站,再由GSM基站發(fā)送到另一個(gè)GPRS終端[4]。

圖5 GPRS模塊應(yīng)用設(shè)計(jì)

由于GSM網(wǎng)絡(luò)無(wú)靜態(tài)IP地址,故其他通信設(shè)備不能向它提出建立連接請(qǐng)求。監(jiān)控終端必須擁有一個(gè)固定的IP,以便監(jiān)測(cè)終端可以在登錄GSM網(wǎng)絡(luò)后通過(guò)該IP找到監(jiān)控終端,用戶(hù)只需向電信申請(qǐng)相應(yīng)的服務(wù)。在監(jiān)控終端安裝監(jiān)控軟件,用戶(hù)通過(guò)該軟件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。

3 系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件開(kāi)發(fā)

為了實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)下所有聯(lián)網(wǎng)直流操作電源的實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理,采用VB語(yǔ)言開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一套基于PC機(jī)的智能分布式直流電源在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件,通過(guò)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)可方便實(shí)現(xiàn)與智能電網(wǎng)管理系統(tǒng)連接[5]。該軟件主要由安全登錄界面、分組監(jiān)控界面及故障報(bào)警界面等組成,主要實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各電源運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分組監(jiān)測(cè)與管理,并提供給工作人員一個(gè)良好的人機(jī)交互界面,可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)巡檢現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行狀況,并快速查找故障及分析故障原因。

在分組監(jiān)控界面中主要實(shí)現(xiàn)對(duì)所選組別電源現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的直觀圖形化顯示。圖形化監(jiān)控界面如圖6所示,主要由站點(diǎn)信息分組區(qū)和狀態(tài)信息區(qū)組成。站點(diǎn)信息分組區(qū)對(duì)各站點(diǎn)的控制顯示,狀態(tài)信息區(qū)用于顯示各個(gè)站點(diǎn)的狀態(tài)信息,具體顯示信息包括操作電源的輸出電壓、輸出電流、蓄電池的內(nèi)阻、端電壓以及溫度等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)列表監(jiān)控界面如圖7所示。

圖6 圖形化監(jiān)控界面

圖7 數(shù)據(jù)列表監(jiān)控界面

為了保證整個(gè)電源系統(tǒng)的可靠運(yùn)行,軟件還設(shè)計(jì)了相關(guān)報(bào)警等功能界面。當(dāng)某項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超出報(bào)警設(shè)定的限值時(shí),在報(bào)警界面上顯示相關(guān)報(bào)警信息,方便工作人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)的故障檢查及系統(tǒng)的維護(hù)。另外,該軟件系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)報(bào)告,生成固定的歷史記錄,工作人員可實(shí)時(shí)查詢(xún)相應(yīng)時(shí)間段中電源運(yùn)行的狀況。

4 結(jié) 語(yǔ)

智能分布式直流操作電源符合智能電網(wǎng)的建設(shè)發(fā)展要求,可更好地替代現(xiàn)有的配網(wǎng)直流電源設(shè)備,為各種智能配網(wǎng)終端、智能化設(shè)備、微機(jī)保護(hù)等提供更加可靠、高效的直流操作電源,確保重要生產(chǎn)領(lǐng)域的供電安全,已廣泛應(yīng)用于環(huán)網(wǎng)柜、開(kāi)閉所等場(chǎng)合。

[1] 廖革文.電力系統(tǒng)直流操作電源的發(fā)展趨勢(shì)[J].電工技術(shù)雜志,2003(5):1-4.

[2] 于仲安,韓笑天.電力直流操作電源監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)[J].低壓電器,2009(1):55-58.

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[4] 林梅金,羅飛,李如雄.GPRS網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程,2006,32(3):240-247.

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Intelligent Distributed Direct Current Operation Power Supply System Based on Internet of Things

CHEN Qilang1, FAN Xinquan2, HE Yonghui3

(1.Quanzhou Power Supply Bureau of Fujian Electric Power Co., Ltd., Quanzhou 362000, China; 2.Fujian Razens Electric Power Science and Technology Co., Ltd., Fuzhou 350003, China; 3.Fujian Polytechnic of Information Technology, Fuzhou 350003, China)

In order to meet the need of information construction and intelligent electric grid,an intelligent distributed direct current operation power supply system based on GPRS was described.Based on describing the overall structure and function of the power system,the technical implementation methods and characteristics of the main module of the power system were explained.Finally,the configuration and main features of the system’s remote monitoring software were introduced.The power system can effectively reduce costs,improve maintenance efficiency,and reduce supply risk,and therefore it has good economic and social benefits.

Internet of Things; GPRS module; distributed direct current operation power supply; AC/DC module

陳琪瑯(1972—),男,工程師,從事配電技術(shù)管理工作。

TU 852

A

1674-8417(2015)03-0022-04

2014-10-20

范新權(quán)(1968—),男,工程師,從事電力信息系統(tǒng)通信、電力電子技術(shù)、智能電力系統(tǒng)集成等方面的技術(shù)研究與工程開(kāi)發(fā)。

何用輝(1979—),男,講師,研究方向?yàn)闄C(jī)電系統(tǒng)辨識(shí)及智能控制、機(jī)器人技術(shù)以及工業(yè)自動(dòng)化控制。