企業(yè)電力網(wǎng)絡(luò)智能化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郎福成，楊華松

（1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006；2.國(guó)家電網(wǎng)公司高電壓強(qiáng)電流實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng)110006；3.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司,遼寧 撫順 113122）

0 引言

隨著我國(guó)工業(yè)產(chǎn)值的不斷增長(zhǎng)，對(duì)電力的消耗和依賴也在不斷上升。近年來(lái)，在電力需求的快速增長(zhǎng)大環(huán)境下，全國(guó)范圍內(nèi)用電形勢(shì)面臨的問(wèn)題十分嚴(yán)峻，電力供應(yīng)持續(xù)偏緊。電力一般通過(guò)煤炭、天然氣、石油等自然資源轉(zhuǎn)換而來(lái)，而不斷開發(fā)此類非可能生資源自然資源對(duì)于環(huán)境的破壞是毀滅性的，由此產(chǎn)生的空氣污染、水質(zhì)損壞、土壤流失等環(huán)境污染問(wèn)題是不可估量[1-2]。風(fēng)能、太陽(yáng)能和生物質(zhì)能的提出在一定程度上緩解了資源緊張和環(huán)境污染的問(wèn)題，但新型資源的發(fā)展受到技術(shù)水平的限制，目前仍處于小規(guī)模應(yīng)用階段，不能緩解經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)帶來(lái)能源緊張和電力供應(yīng)偏緊的問(wèn)題。因此，在現(xiàn)有資源基礎(chǔ)上進(jìn)行科學(xué)研究和有效管理，能夠緩解電力需求增加造成的能源緊張問(wèn)題，同時(shí)也為可再生能源的重新恢復(fù)和已污染環(huán)境的自我調(diào)節(jié)爭(zhēng)取寶貴的時(shí)間。

工業(yè)用電在電能消耗中占有重大比例，據(jù)中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)統(tǒng)計(jì)：2014年，第一產(chǎn)業(yè)用電量994億千瓦時(shí)，占全社會(huì)用電量比重為1.80%；第二產(chǎn)業(yè)用電量4.07萬(wàn)億千瓦時(shí)，占比為73.60%；第三產(chǎn)業(yè)用電量6660億千瓦時(shí)，占比為12.06%。從電力消費(fèi)結(jié)構(gòu)上看，第二產(chǎn)業(yè)即制造業(yè)、采礦業(yè)、電力、燃?xì)饧八a(chǎn)和供應(yīng)業(yè)等傳統(tǒng)工業(yè)行業(yè)對(duì)于電能的消費(fèi)比例最高。智能燈具、智能電機(jī)等節(jié)能型設(shè)備的發(fā)展在一定程度上改變了電能浪費(fèi)和濫用的現(xiàn)象，但不同設(shè)備之間缺乏聯(lián)系，工業(yè)企業(yè)對(duì)于不同設(shè)備的管理需要分開進(jìn)行，缺乏對(duì)整個(gè)工廠設(shè)備的統(tǒng)一監(jiān)控和綜合管理[3]。

1 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

企業(yè)電力網(wǎng)絡(luò)智能化監(jiān)控系統(tǒng)是安裝在工廠中的一套智能化監(jiān)控設(shè)備，系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集裝置、智能顯示終端、用戶手機(jī)、用電設(shè)備、電網(wǎng)服務(wù)器，如圖1所示。企業(yè)電力網(wǎng)絡(luò)智能化監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集裝置對(duì)運(yùn)輸設(shè)備、生產(chǎn)設(shè)備、照明燈具、辦公設(shè)備等用電設(shè)備的用電數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，并與智能顯示終端之間通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊[4-5]。智能顯示終端接收數(shù)據(jù)采集裝置發(fā)送的關(guān)于用電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)用電情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和優(yōu)化，完成用電綜合管理。用戶手機(jī)與智能顯示終端之間通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)用電情況的移動(dòng)式遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。智能顯示終端還能可以通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與電網(wǎng)服務(wù)器進(jìn)行通訊，為用電公司為工廠制定合理的供電方案提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備用于對(duì)工廠用電數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，方便后續(xù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析時(shí)快速調(diào)用。

圖1 企業(yè)電力網(wǎng)絡(luò)智能化監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

企業(yè)電力網(wǎng)絡(luò)智能化監(jiān)控系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程監(jiān)控和本地監(jiān)控兩種工作方式，用戶可以根據(jù)需要選擇合適的方案。本地監(jiān)控以智能顯示終端為核心，智能顯示終端通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)采集裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，數(shù)據(jù)采集裝置對(duì)用電設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，完成對(duì)用電情況的本地監(jiān)控功能，同時(shí)智能顯示終端可以對(duì)用電設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)用電情況的管理。遠(yuǎn)程監(jiān)控以智能顯示終端沒媒介通過(guò)用戶手機(jī)實(shí)現(xiàn)，用戶手機(jī)通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)與智能顯示終端相連接，智能顯示終端將本地監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)發(fā)送給用戶手機(jī)，同時(shí)接受用戶手機(jī)的控制指令，完成遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理功能。

2 智能顯示終端

智能顯示終端為企業(yè)電力網(wǎng)絡(luò)智能化監(jiān)控系統(tǒng)的核心部件，通過(guò)PIC單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)采集裝置的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，在顯示磨礦上顯示用電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)具有對(duì)用電設(shè)備合理控制和數(shù)據(jù)多通道通訊功能。智能顯示終端組成圖圖2所示，主要包括單片機(jī)、GSM模塊、顯示模塊、、時(shí)鐘模塊、編程模塊、復(fù)位模塊、無(wú)線通訊模塊、電源模塊、操作模塊等[6]。其中，主芯片選擇用Microchip公司的PIC32MX460F512L單片機(jī)作為微處理器，最高處理頻率可以達(dá)到80Mhz，工作電壓范圍廣（2.3V-3.6V），GPIO資源比較豐富，支持多種功耗管理模式。顯示模塊采用彩色液晶屏，屏幕分辨率為320×240，總線型為256色，背光電流大約為140 mA，可以通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)8種不同的亮度調(diào)節(jié)。電源模塊采用鋰電池和開關(guān)電源兩種方式集中供電，備用電池為3.6 V的鋰電池。操作模塊為外接電阻式觸摸屏，實(shí)現(xiàn)外界指令的可視化輸入。

2.1 GSM模塊

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)單片機(jī)與用戶手機(jī)之間通訊實(shí)時(shí)性和安全性的需求，對(duì)比各類無(wú)線通訊模塊的技術(shù)參數(shù)和主要性能，選擇西門子公司生產(chǎn)的TV35i無(wú)線通訊模塊作為GSM模塊[7]。TV35i芯片屬于西門子公司生產(chǎn)的經(jīng)典型GSM模塊，工作電壓為3.3 V-3.5 V，工作頻率分為900 MHz和1800 MHz兩種，功耗為2 W、1 W，具有省電模式、IDLE模式和TALK模式三種工作模式，采用40腳ZIF連接器將指令數(shù)據(jù)線、電源和語(yǔ)音控制信號(hào)線集中連接。TV35i芯片內(nèi)部集成閃存存儲(chǔ)器、供電模塊、射頻模塊、基帶處理器、天線接口和ZIF連接器六個(gè)組成部分，其功能圖如圖3所示。

圖2 智能顯示終端組成圖

圖3 TC35i功能框圖

2.2 無(wú)線通訊模塊

無(wú)線通訊模塊是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集裝置與智能顯示終端之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體，通過(guò)建立的無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)將智能顯示終端通過(guò)數(shù)據(jù)采集裝置發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)智能顯示終端對(duì)工廠用電設(shè)備的控制與管理。在常用幾種通信技術(shù)中，ZigBee無(wú)線通訊技術(shù)在成本、可操作性和安全性能方面具有較大優(yōu)勢(shì)，適合于智能工業(yè)用電網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感器監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊需求[8]。ZigBee無(wú)線通訊技術(shù)為近距離通訊技術(shù)，一般數(shù)據(jù)傳輸距離為10m-100m，具有數(shù)據(jù)加密功能，能夠組成星型網(wǎng)絡(luò)、串行網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)。選用美國(guó)TI公司的CC2530無(wú)線模塊，CC2530芯片協(xié)議簡(jiǎn)單，具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能、可編程的輸出功率高達(dá)4.5 dBm、只需極少的外接元件，奇外圍電路如圖4所示。

圖3 CC2530 外圍電路圖

2.3 操作模塊

操作模塊指令輸入采用物理按鍵和觸摸屏兩種方式進(jìn)行操作，觸摸屏相比于物理按鍵具有操作簡(jiǎn)單、安全性好、堅(jiān)固耐用等優(yōu)點(diǎn)，為數(shù)字化設(shè)備的發(fā)展提供新的動(dòng)力[9]。按照工作原理不同，觸摸屏可以分為電阻式觸摸屏、電容式觸摸屏、表面聲波式觸摸屏和紅外式觸摸屏四類，其性能對(duì)比如表1所示。

表1 觸摸屏性能對(duì)比

通過(guò)表1所示，在四種觸摸屏中電阻式觸摸屏的性價(jià)比遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他三種觸摸屏，同時(shí)也能夠滿足企業(yè)電力網(wǎng)絡(luò)智能化監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定性、抗干擾能力和實(shí)時(shí)性的需求，所以選在電阻式觸摸屏作為外界指令輸入模塊。電阻式觸摸屏具有五層結(jié)構(gòu)，底層和頂層為光滑玻璃結(jié)構(gòu)，用于穩(wěn)固和保護(hù)屏體。中間層為具有隔離功能的玻璃珠，用于將第二層和第四層阻性涂料的導(dǎo)電涂層隔離，保證只有在按下情況下第二層和第四層才能夠接觸，從而產(chǎn)生變化的接觸電壓（經(jīng)過(guò)引出線引出）。觸摸屏控制器采集變化電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)字化處理后判斷觸摸點(diǎn)的具體位置，識(shí)別不同的外界指令。

3 結(jié)論

企業(yè)電力網(wǎng)絡(luò)是整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，其智能化水平直接關(guān)系到智能化電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展[10]。企業(yè)電力網(wǎng)絡(luò)智能化監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)ζ髽I(yè)運(yùn)輸設(shè)備、生產(chǎn)設(shè)備、照明燈具、辦公設(shè)備等用電設(shè)備的用電數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，利用智能顯示終端和用戶手機(jī)對(duì)用電情況進(jìn)行雙重管理，同時(shí)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與電網(wǎng)服務(wù)器進(jìn)行通訊，為用電公司為工廠制定合理的供電方案提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

[1]李科.基于閾值回歸模型的中國(guó)電力消費(fèi)與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的關(guān)系 [J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐.2012.8:1704-1711.

[2]范云龍. PLC 與變頻器實(shí)現(xiàn)傳送帶同步控制[J]. 新型工業(yè)化，2017,7(2):77-80.

[3]胡文平,尹項(xiàng)根,張哲.電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究與發(fā)展[J].華北電力技術(shù),2003,2:23-26

[4]李春艷,陳敬軒.CAN 通訊中的一種動(dòng)態(tài)自同步方法設(shè)計(jì)[J].新型工業(yè)化,2015,5(4):55-60.

[5]Yang F, Ma R G, Wu Y，et a1. Numerical study on arc plasma behavior during arc commutation process in direct current circuit breaker[J].Plasma Science and Technology, 2012, 14(2):167-171.

[6]陶駿,劉正之,許家治．基于電流調(diào)制的高功率動(dòng)態(tài)靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2006(10):16-20.

[7]柏建勇,劉雨佳. 基于MRAS 觀測(cè)器的PMSM 無(wú)速度傳感器模型預(yù)測(cè)電流控制[J]. 新型工業(yè)化,2015,5(9):52-58

[8]Saitoh H, Iehikawa H, Nishijima A, et al. Research and development on 145kV/40kA one break vacuum circuit breaker[C]. Proceedings of the IEEE Power Engineering Society Transmission and Distribution Conference, Yokahama, Japan, 2012, 7(02):1465-1468.

[9]馬國(guó)琛. 電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J]. 電子制作,2014,(10):205-206.

[10]王琪,史先娟,秦國(guó)剛. 基于智能域名解析系統(tǒng)提升網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)效率的應(yīng)用與實(shí)踐[J]. 軟件,2016,37(08):114-119.