基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式市政用電動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

朱華，李良艷

(1.深圳市綜合交通設(shè)計研究院有限公司，廣東 深圳 518003；2.深圳市市政工程咨詢中心有限公司，廣東 深圳 518028)

1 引言

對隧道電氣動態(tài)監(jiān)測、綜合管廊電氣進(jìn)行在線計算分析，是提高市政用電安全與穩(wěn)定性，增強城市電力抗御災(zāi)害能力的重要手段[1]。電力市政用電動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的建立，可為調(diào)度操作員提供市政電力實時運行狀況和決策前信息，可有效提高市政電力調(diào)度操作員對市政電力市政用電的控制能力[2]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)必將成為改造社會經(jīng)濟生產(chǎn)力的新局面，目前已有許多行業(yè)開始涉足物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并將其應(yīng)用到各個行業(yè)，提高行業(yè)自身的工作效率和應(yīng)對能力[3]。城市用電動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)需要非常精確的控制和響應(yīng)，而傳統(tǒng)的基于人工智能技術(shù)的城市用電動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，由于網(wǎng)絡(luò)傳輸速度不夠快，導(dǎo)致動態(tài)監(jiān)測的效果很差，達(dá)不到既定標(biāo)準(zhǔn)，無法實現(xiàn)城市用電動態(tài)信息的高效傳輸。為實現(xiàn)市政電力的實時動態(tài)監(jiān)測，在線計算處理暫態(tài)功角、電壓、頻率穩(wěn)定性的計算結(jié)果，結(jié)合相應(yīng)的預(yù)防控制和應(yīng)急控制輔助決策，使動態(tài)監(jiān)測結(jié)果具有智能化、可視化的特點，有助于更好地發(fā)揮市政電力分布式動態(tài)監(jiān)測的性能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支持下，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，主要包括:數(shù)據(jù)處理模塊、控制模塊、CPLD邏輯控制模塊、傳感器模塊、動態(tài)監(jiān)控模塊、顯示模塊、參數(shù)采集模塊等，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

(1)參數(shù)采集模塊

通過集成聯(lián)機監(jiān)測系統(tǒng)中的各個單元的共同作用，達(dá)到信息實時傳輸，縱向橫向可隨時互相傳遞可靠的通信系統(tǒng)[4]。本系統(tǒng)具有監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)，故障診斷，設(shè)備維護(hù)等多重功能。許多應(yīng)用不同節(jié)點組成一個數(shù)據(jù)采集單元[5]。其中高壓開關(guān)傳感器節(jié)點主要包括電位傳感器、開關(guān)局部放電傳感器、開關(guān)分合閘、儲能線圈電流傳感器、液壓機構(gòu)壓力傳感器、開關(guān)動作位移傳感器、開關(guān)動作視頻監(jiān)測傳感器、避雷器泄漏電流傳感器等。

(2)傳感模塊

傳感模塊主要是通過各個變壓器傳感節(jié)點來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，主要由鐵芯接地電流監(jiān)測傳感器、油液含量傳感器、套管絕緣檢測傳感器、局部放電監(jiān)測傳感器等共同組成[6]。它的主要功能是全面、準(zhǔn)確、實時地采集監(jiān)測到的變壓器以及開關(guān)的狀態(tài)信息，同時會傳遞相關(guān)數(shù)據(jù)到IED中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。子節(jié)點接收主IED接收信號，匯總各子節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，進(jìn)行超限、故障等報警信號。同時通過網(wǎng)絡(luò)實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾碛嬎銠C。

(3)數(shù)據(jù)處理模塊

高壓開關(guān)檢測子IED包括微電子電位監(jiān)視子、開關(guān)機械特性監(jiān)視子、開關(guān)視頻監(jiān)視子、套管絕緣診斷子等[7]；鐵心接地、局部放電、溶解電位等子也包括變壓器參數(shù)子、套管絕緣診斷子等。對各分IED所接收到的信號進(jìn)行綜合分析，輸出超限報警、故障報警和故障報警給報警控制單元，通過光纖和內(nèi)部局域網(wǎng)將實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾碛嬎銠C。

(4)控制模塊

選用TMS320VC5509型芯片作為主控 CPU控制模塊的主芯片[8]，其工作原理為:先對三相電流，電壓等進(jìn)行過濾和信息處理工作，然后利用A/D型采樣芯片ADS8364進(jìn)行同步采樣，將采集到的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號形式，送到DSP處理器上。

(5)CPLD邏輯控制模塊

用CPLD對整個系統(tǒng)進(jìn)行邏輯控制[9]，把數(shù)據(jù)處理模塊處理好的數(shù)據(jù)實時發(fā)送給LCD顯示器，這時可以通過通訊接口傳輸?shù)街鳈C，還可以把數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯ζ髦斜４嫫饋?。實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析管理。

(6)動態(tài)監(jiān)測模塊

監(jiān)控信息數(shù)字化采集、信息傳輸標(biāo)準(zhǔn)化、診斷通信平臺等基本功能[10]。采集量大，節(jié)點智能是本系統(tǒng)的優(yōu)點，能保證設(shè)備穩(wěn)定運行本系統(tǒng)具有采集多參數(shù)、節(jié)點智能化等特點，保證設(shè)備穩(wěn)定運行[11]。通過數(shù)據(jù)處理模塊處理傳感器傳輸?shù)男盘?，同時儲存到存儲器，可實現(xiàn)歷史信息查詢和實時信息查詢等工作[12]。同時還可以通過調(diào)整涉及的子IED的數(shù)值，傳感器的報警上限值等設(shè)備參數(shù)進(jìn)行及時更改，并在子IED的基礎(chǔ)上，將其與各報警限、連鎖控制閾值相比較，輸出報警控制信號給報警控制單元。

(7)實時顯示信息模塊

實時顯示信息模塊是指根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)要求，可將檢測的信號通過有線無線的方式發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)上[13]。遠(yuǎn)端機用戶通過網(wǎng)絡(luò)可以看到任意位置的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測。

3 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計

3.1 系統(tǒng)初始化

模擬設(shè)定寄存器、系統(tǒng)控制寄存器、外設(shè)控制寄存器等是系統(tǒng)初始化的主要內(nèi)容:

(1)初始化模擬寄存器，清理空間，隨后進(jìn)行聯(lián)機模擬。觀察制定的的存儲區(qū)域。

(2)由于低速外設(shè)時鐘定標(biāo)寄存器(LOSPCP)、高速外設(shè)時鐘定標(biāo)寄存器(HISPCP)和PLL鎖相環(huán)寄存器(PLLCR)所存在的特殊性，第二步要進(jìn)行三種寄存器的初始化。

(3)設(shè)定外位時鐘寄存器的對應(yīng)位值(PCLKCR)，使得外位時鐘可以對應(yīng)；

(4)初始化市政電氣用電注冊表。

3.2 信號動態(tài)采集功能

現(xiàn)有的同步采樣方法主要有兩個方面的考慮:第一，保持采樣周期恒定:當(dāng)頻率被膠化時，改變采樣點的脈絡(luò)以適應(yīng)；第二，保持采樣點的采樣點恒定，當(dāng)頻率被膠化時，改變采樣點的脈絡(luò)以適應(yīng)[14]。前一種方法不適用于分布式市政電力狀態(tài)監(jiān)測，因為頻率的變化會影響濾波算法；后一種方法是可行的，只需設(shè)計一個頻率跟蹤電路即可[15]。所以，結(jié)合動態(tài)同步采樣方式，當(dāng) A相有電壓時，電路 A相頻率為同步信號，同時閉鎖 B相和 C相；如果 A相失電，同時B相失電，同時閉鎖C相，同時A相和B相失電，同時C相失電，三相失電，硬件電路向 DSP發(fā)送一個中斷信號，DSP用50 Hz的電網(wǎng)頻率發(fā)送軟件同步信號。

整個數(shù)據(jù)收集工作是由DSP上的數(shù)據(jù)收集模塊控制的，同時將會把所收集到的信息傳輸?shù)叫酒羞M(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換，采集模塊初始化過程為:加電啟動，完成自檢，A/D轉(zhuǎn)換電路主動與DSP主處理器進(jìn)行通訊測試，若測試失敗則報錯退出，并在進(jìn)入指令狀態(tài)時測試成功。這時DSP會把FLASH傳輸過來的信息提取，并傳輸?shù)睫D(zhuǎn)換電路。采樣的主要信息包括采樣類型，采樣長度，采樣速率等，獲得所有參數(shù)后，由A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行采樣，等待“啟動采樣”指令。相間切換會出現(xiàn)電路的延遲，即一段空白信號的傳輸，相當(dāng)于傳輸中斷，產(chǎn)生中斷信號，這時DSP會接收該信號，并采樣所需時間。這樣保證信號能夠進(jìn)入A/D采樣通道，并通過過零、選相、放大、成形等過程，通過同步鎖相器發(fā)出采樣控制信號，A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS8364同步鎖相器發(fā)出的采樣控制信號所觸發(fā)時，對電流，以及模擬電壓進(jìn)行采樣。

3.3 數(shù)據(jù)通信功能

數(shù)據(jù)通信功能比較簡單，主要提供與主機進(jìn)行直接數(shù)據(jù)通信的功能。按照通信命令的要求，從共享數(shù)據(jù)區(qū)中提取信息并發(fā)送出去。

3.4 中斷服務(wù)功能

當(dāng)數(shù)據(jù)通信結(jié)束時，數(shù)據(jù)采集的中斷服務(wù)程序會被外部中斷喚醒，DSP會隨著BUSY的信號出現(xiàn)進(jìn)入外部中斷服務(wù)程序，并且會收集ABC相電壓電流的處理結(jié)果，進(jìn)行輸入電流電壓的信息采集。程序就會跳出計算電能質(zhì)量的主程序，在相應(yīng)的硬件配置中實現(xiàn)軟件中斷。由于計算量很大，但是時間又很緊迫的情況下，很難在同一個采樣時間內(nèi)完成，所以采集不同時間后便進(jìn)行運算。通常每隔16個單位時間進(jìn)行信息采樣，相關(guān)的計算會在8個周期內(nèi)進(jìn)行一次。通過這種方式，在數(shù)據(jù)處理器期間，如果出現(xiàn)采樣間隔暫停，操作終止，下一時間點將會繼續(xù)進(jìn)行，為此，必須設(shè)置時間間隔為原來的兩倍，以避免兩個計算程序間的機器周期沖突。

MD轉(zhuǎn)換的起始信號，是用5509的TOU輸出信號與ADS8364的三個HOLD引腳組成，并開始六個通道的轉(zhuǎn)換工作，時間一定時，CLKOUT輸出信號與ADS8364的CLK引腳連接，為ADS8364提供3MHz時鐘信號；ADS8364的轉(zhuǎn)換完成信號與ADS8509的外部中斷引腳連接，完成轉(zhuǎn)換工作后，當(dāng)轉(zhuǎn)換完成時，外部中斷模塊會接收到信號，并且會讀取6次中斷程序的信號，進(jìn)行收集和處理，并將ADS8364的轉(zhuǎn)換結(jié)果發(fā)送給轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器，分別輸入到指定的5509片上的循環(huán)緩沖。

3.5 動態(tài)監(jiān)測功能

主程序和部分子程序通過C語言和部分匯編語言進(jìn)行混合編程，針對于運算量較大的算法程序，利用匯編語言進(jìn)行編寫，該方法的好處是提高運算效率。充分利用DSP芯片軟硬件資源，主程序的運行周期可在主循環(huán)模塊中實現(xiàn)。動態(tài)監(jiān)測流程如圖2所示。

圖2 動態(tài)監(jiān)測流程

接收到FFT變換得到的離散信號，通過處理可以生成基波和諧波分量，針對于三相不平衡、閃變、功率的計算可以通過FFT的信號來進(jìn)行。在計算FFT值的過程中，采樣頻率不能低于6.4kHz，因此采樣頻率定為6.4kHz，即在每個工頻周期采樣128次。監(jiān)控模塊主要對采集單元采集到的離散信號進(jìn)行處理，并采用特定算法計算分析分布式市政電氣用電情況。

4 實驗與分析

為了驗證基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式市政用電動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計合理性，進(jìn)行實驗驗證分析。在有其它信號干擾和無其它信號干擾情況下，在MATLAB仿真平臺分別使用基于人工智能技術(shù)、基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測技術(shù)對監(jiān)測精準(zhǔn)度進(jìn)行對比分析，對比結(jié)果如下所示。

(1)有其它信號干擾

在有其它信號干擾情況下，分別使用兩種技術(shù)的用電動態(tài)監(jiān)測精準(zhǔn)度對比結(jié)果如表1所示。

表1 有其它信號干擾情況下兩種技術(shù)監(jiān)測精準(zhǔn)度對比

由表1可知，采用人工智能技術(shù)在監(jiān)測時間為4min、5min、8min 時，監(jiān)測精準(zhǔn)度達(dá)到最低為 0.68。在監(jiān)測時間為3min、10min時，監(jiān)測精準(zhǔn)度達(dá)到最高為0.71；采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在監(jiān)測時間為2min、5min、6min、9min、10min時，監(jiān)測精準(zhǔn)度達(dá)到最低為0.97。在監(jiān)測時間為1min、3min、4min、7min、8min 時，監(jiān)測精準(zhǔn)度達(dá)到最高為0.98。通過上述分析結(jié)果可知，使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在有其它信號干擾情況下，具有精準(zhǔn)監(jiān)測結(jié)果。

(2)無其它信號干擾

在無其它信號干擾情況下，分別使用兩種技術(shù)的用電動態(tài)監(jiān)測精準(zhǔn)度對比結(jié)果如表2所示。

表2 無其它信號干擾情況下兩種技術(shù)監(jiān)測精準(zhǔn)度對比

由表2可知，采用人工智能技術(shù)在監(jiān)測時間為6min時，監(jiān)測精準(zhǔn)度達(dá)到最低為0.53。在監(jiān)測時間為1min時，監(jiān)測精準(zhǔn)度達(dá)到最高為0.61；采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在監(jiān)測時間為 1min、3min、5min、7min、8min、9min、10min時，監(jiān)測精準(zhǔn)度達(dá)到最低為0.98。在監(jiān)測時間為2min、4min、6min時，監(jiān)測精準(zhǔn)度達(dá)到最高為0.99。通過上述分析結(jié)果可知，使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在無其它信號干擾情況下，具有精準(zhǔn)監(jiān)測結(jié)果。綜上所述，使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在有無其它信號干擾情況下，都具有精準(zhǔn)監(jiān)測結(jié)果。

5 結(jié)語

采用ADS8364和TMS320VC5509兩種數(shù)字信息處理技術(shù)，通過對分布式市政電力動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控，實現(xiàn)了對城市電網(wǎng)的實時監(jiān)控。該方法通過改變DSP芯片，進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，并將其應(yīng)用于信息采集，通過實驗證明，在仿真平臺對市政電力用電進(jìn)行模擬與誤差分析，具有很強的實用性和可靠性。隨著國家對電力體制改革的鼓勵政策的出臺與推進(jìn)，將發(fā)揮良好的作用。