陳琪瑯, 范新權, 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)技術學院, 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)技術學院, 福建 福州 350003)

為了適應信息化建設和智能電網(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)的總體結構和功能,重點分析了電源系統(tǒng)主要模塊的技術實現(xiàn)方法和特點。最后,介紹了電源系統(tǒng)遠程監(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,提高維護效率,并降低供電風險,具有很好的經(jīng)濟、社會效益。

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)的重要設備,作為智能電網(wǎng)自動化配網(wǎng)設備和變電站等場合的自動控制、保護、開關分/合等的重要電源,其性能和質量的好壞直接關系到電網(wǎng)的穩(wěn)定運行和設備安全[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,會造成大范圍的故障,危險性高。對于電源可靠性和穩(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備供電電源的發(fā)展方向。

由于操作電源應用場合特殊性和電力系統(tǒng)設備分布廣泛,造成有線網(wǎng)絡化工程龐大、聯(lián)網(wǎng)困難、成本高和維護不便等缺陷,對其信息采集不能及時有效。因此,隨著信息化建設和智能電網(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程信息化、智能化的方向發(fā)展。

1 系統(tǒng)總體結構及功能

本文設計了一種集嵌入式計算機、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、維護難度大、運行風險高等問題,為智能電網(wǎng)自動化配網(wǎng)設備等提供高性價比電源。

直流操作電源系統(tǒng)結構如圖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)、無線通信系統(tǒng)以及現(xiàn)場監(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,在嵌入式控制中高效實現(xiàn)特定算法,進行精確的數(shù)據(jù)分析與處理,協(xié)調整個電源系統(tǒng)的智能控制運行,主要實現(xiàn)對高頻開關電源變換電路、蓄電池智能管理電路、無線通信和現(xiàn)場監(jiān)控部件的控制,實現(xiàn)整機的智能控制與管理。

(2) 高效電源變換系統(tǒng)可自動依據(jù)負荷情況調整供電模式,實現(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)結構

(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,通過實時在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件實時在線監(jiān)測蓄電池的電壓、內阻及溫度等信息,來判斷其運行狀態(tài)。

(4) 無線通信系統(tǒng)主要應用基于GPRS無線通信技術實現(xiàn)電源系統(tǒng)的遠程物聯(lián)管理,將操作電源設備聯(lián)入智能電網(wǎng)綜合配電自動化系統(tǒng),將實時信息共享利用,實現(xiàn)遠程智能化和互動化的功能目標。電源系統(tǒng)與服務器數(shù)據(jù)傳輸過程如圖2所示。

圖2 電源系統(tǒng)與服務器數(shù)據(jù)傳輸過程

(5) 現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)通過友好的人機界面,實現(xiàn)對系統(tǒng)中輸出電壓、電流、蓄電池內阻、端電壓、溫度等各種重要參數(shù)的現(xiàn)場實時監(jiān)控[2]。

2 系統(tǒng)主要模塊技術實現(xiàn)

系統(tǒng)功能模塊如圖3所示?；谇度胧娇刂破鞯南到y(tǒng)監(jiān)控模塊是操作電源的處理核心,協(xié)調控制其他模塊有序、穩(wěn)定工作,高效實現(xiàn)系統(tǒng)算法,完成對系統(tǒng)監(jiān)測、保護、設置和通信等任務。AC/DC模塊把電網(wǎng)的交流電轉換成一定規(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換成滿足負載要求的各種規(guī)格直流電源;電池充電和在線監(jiān)測模塊實現(xiàn)對電池進行智能充電和蓄電池的工作狀態(tài)監(jiān)測;GPRS無線通信模塊用于電源系統(tǒng)的無線物聯(lián)網(wǎng)連接,實現(xiàn)遠程監(jiān)控,滿足智能電網(wǎng)的要求。

圖3 系統(tǒng)功能模塊

2.1 AC/DC模塊電路的設計

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)矯正和雙軟開關電路。

(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個高頻電感、1個二極管、1個高頻開關管以及相應的控制器,組成升壓變換器。控制器通過采集交流輸入的電壓信號和電流信號,控制開關管的開通與關斷,從而使輸入電流波形始終跟隨輸入電壓波形,使高頻開關電源模塊的功率因數(shù)達到0.99以上,諧波失真小于5%。

(2) 軟開關技術解決硬開關變換器中的硬開關損耗、容性開通、感性關斷及二極管反向恢復等問題,而且還能解決硬開關引起的電磁干擾等問題。在電路設計上采用了無損耗緩沖技術和諧振技術組合而成的新型軟開關技術,該技術能有效解決通用的軟開關技術在電路中由于并聯(lián)或串聯(lián)諧振網(wǎng)絡而產(chǎn)生的諧振損耗及電路受到固有影響的問題。

2.2 DC/DC穩(wěn)壓電路的設計

為確保電網(wǎng)失電處于電池供電模式時,DC/DC模塊能夠為負載提供穩(wěn)定可靠的電源,并且提高系統(tǒng)冗余能力,DC/DC模塊采用兩個模塊并聯(lián)供電。為使兩個模塊輸出均流,采用基于最大電流法的均流控制策略。基于系統(tǒng)中蓄電池充放電時電池端電壓的差異,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,當采用動態(tài)特性較好的電流型控制芯片(如UC2843)時,需要增加斜率補償電路?；赨C2843芯片的補償電路如圖4所示。圖4中,在斜率補償控制環(huán)路設計調試時,需要兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)特性。

圖4 基于UC2843芯片的補償電路

2.3 蓄電池在線監(jiān)測的設計

蓄電池在線監(jiān)測主要在線實時監(jiān)測蓄電池的端電壓、電池溫度,并定期測試蓄電池內阻。采用精密的采樣電路對蓄電池的端電壓進行A/D變換,實現(xiàn)精確的電壓檢測。電池溫度采用高穩(wěn)定、低溫漂的傳感器進行采集。蓄電池內阻采用瞬間放電法測試,由電池產(chǎn)生瞬間負載電流,然后測出電池極柱上電壓的瞬間變化,通過負載接通時的瞬間電壓降和斷開負載時的瞬間電壓恢復,可以推導出相應的內阻。

A/D采樣技術取得電壓變化曲線后,通過ARM進行快速軟件濾波,并分析取得變化的特征點,然后推導出內阻值。

2.4 GPRS通信應用設計

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現(xiàn)對該系統(tǒng)的實時監(jiān)控和管理。GPRS模塊應用設計如圖5所示。系統(tǒng)中各項參數(shù)經(jīng)采集模塊采集后送入MCU處理,再通過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GPRS終端[4]。

圖5 GPRS模塊應用設計

由于GSM網(wǎng)絡無靜態(tài)IP地址,故其他通信設備不能向它提出建立連接請求。監(jiān)控終端必須擁有一個固定的IP,以便監(jiān)測終端可以在登錄GSM網(wǎng)絡后通過該IP找到監(jiān)控終端,用戶只需向電信申請相應的服務。在監(jiān)控終端安裝監(jiān)控軟件,用戶通過該軟件實現(xiàn)遠程自動控制。

3 系統(tǒng)遠程監(jiān)控軟件開發(fā)

為了實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)下所有聯(lián)網(wǎng)直流操作電源的實時監(jiān)控與管理,采用VB語言開發(fā)設計了一套基于PC機的智能分布式直流電源在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件,通過后臺數(shù)據(jù)庫可方便實現(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)控界面及故障報警界面等組成,主要實現(xiàn)對現(xiàn)場各電源運行數(shù)據(jù)進行實時分組監(jiān)測與管理,并提供給工作人員一個良好的人機交互界面,可遠程實時巡檢現(xiàn)場的運行狀況,并快速查找故障及分析故障原因。

在分組監(jiān)控界面中主要實現(xiàn)對所選組別電源現(xiàn)場數(shù)據(jù)的直觀圖形化顯示。圖形化監(jiān)控界面如圖6所示,主要由站點信息分組區(qū)和狀態(tài)信息區(qū)組成。站點信息分組區(qū)對各站點的控制顯示,狀態(tài)信息區(qū)用于顯示各個站點的狀態(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

為了保證整個電源系統(tǒng)的可靠運行,軟件還設計了相關報警等功能界面。當某項監(jiān)測數(shù)據(jù)超出報警設定的限值時,在報警界面上顯示相關報警信息,方便工作人員對現(xiàn)場系統(tǒng)的故障檢查及系統(tǒng)的維護。另外,該軟件系統(tǒng)還設計了實時報告,生成固定的歷史記錄,工作人員可實時查詢相應時間段中電源運行的狀況。

4 結 語

智能分布式直流操作電源符合智能電網(wǎng)的建設發(fā)展要求,可更好地替代現(xiàn)有的配網(wǎng)直流電源設備,為各種智能配網(wǎng)終端、智能化設備、微機保護等提供更加可靠、高效的直流操作電源,確保重要生產(chǎn)領域的供電安全,已廣泛應用于環(huán)網(wǎng)柜、開閉所等場合。

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

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

[3] 孫寶文.電力操作電源主電路參數(shù)設計[J].電子設計應用,2006(6):116-118.

[4] 林梅金,羅飛,李如雄.GPRS網(wǎng)絡的遠程監(jiān)控系統(tǒng)[J].計算機工程,2006,32(3):240-247.

[5] 張艷莉,費萬民.直流操作電源綜合監(jiān)控系統(tǒng) [J].華東電力,2001(5):35-37.

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,從事配電技術管理工作。

TU 852

A

1674-8417(2015)03-0022-04

2014-10-20

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

何用輝(1979—),男,講師,研究方向為機電系統(tǒng)辨識及智能控制、機器人技術以及工業(yè)自動化控制。