趙慧峰

(三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，河南 三門峽 472000)

1 設(shè)計(jì)超低功耗抗干擾自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要意義

電力通信設(shè)備是電力系統(tǒng)運(yùn)行中不可缺少的組織結(jié)構(gòu)，如果電力通信設(shè)備的高能耗、抵抗干擾能力差的問題得不到有效解決，將會(huì)造成大量的能源消耗，給人們的正常用電帶來麻煩，所以對(duì)于超低功耗抗干擾自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究十分關(guān)鍵，對(duì)于電力企業(yè)、電能使用者和社會(huì)都具有重要的意義。首先，超低功耗抗干擾自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究對(duì)于電力企業(yè)而言是非常重要的。該控制系統(tǒng)的研究能極大改善電力系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)的能源消耗過大問題，減少電力企業(yè)對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行投入的成本，實(shí)現(xiàn)電力企業(yè)效益的增加。其次，超低功耗抗干擾自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究對(duì)于用電者來說具有一定的意義。自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究在很大程度上提高了電力通信設(shè)備運(yùn)行的高效性，保證了電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，讓使用者用電更加放心，更加安全。另外，減少電力能耗，電力供應(yīng)更加充足，電費(fèi)也會(huì)減少，為用戶節(jié)約使用成本。最后，電力通信設(shè)備使用的廣泛性，使其系統(tǒng)升級(jí)的影響力增加。通過超低功耗抗干擾自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究，電力系統(tǒng)會(huì)更加穩(wěn)定，電力供應(yīng)更加充足。生產(chǎn)企業(yè)的電力能源充足，將會(huì)極大促進(jìn)生產(chǎn)發(fā)展，提高生產(chǎn)力，促進(jìn)工業(yè)進(jìn)步，對(duì)于社會(huì)各用電環(huán)節(jié)也起到了很大的幫助，如城市照明系統(tǒng)。此外，超低功耗抗干擾自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排，符合國(guó)家發(fā)展環(huán)保理念，對(duì)于社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有一定的意義。

2 超低功耗抗干擾自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

2.1 傳統(tǒng)通信設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)的干擾問題

電力通信設(shè)備包括通信電源、傳輸設(shè)備及接入設(shè)備等部分，在電力系統(tǒng)運(yùn)行中起到重要的作用[1]。傳統(tǒng)電力通信設(shè)備使用傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)收集工作，而室外工作環(huán)境的影響因素比較復(fù)雜，導(dǎo)致能源消耗比較大，抗干擾能力較弱。為了提升自動(dòng)控制系統(tǒng)的抗干擾能力，要針對(duì)電力設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)的干擾因素進(jìn)行分析。第一，自動(dòng)控制系統(tǒng)受外部電網(wǎng)的干擾。電網(wǎng)運(yùn)行、變壓器及其他電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的電波和高次諧波都會(huì)對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。第二，在電力設(shè)備附近，有很多大型的電力控制設(shè)備，如大型電機(jī)、大容量電器等，這些設(shè)備開始工作或停止工作時(shí)，都會(huì)對(duì)電力設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)產(chǎn)生電磁感應(yīng)干擾。第三，電力通信設(shè)備的運(yùn)行會(huì)受到空中電場(chǎng)電容產(chǎn)生的耦合干擾。第四，電力電網(wǎng)系統(tǒng)布置過程中，要架構(gòu)網(wǎng)線，如果網(wǎng)線架構(gòu)混亂，也會(huì)產(chǎn)生一定的干擾。第五，電力通信設(shè)備工作過程中，需要長(zhǎng)距離傳輸，傳輸中電波的產(chǎn)生和變動(dòng)會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。

2.2 通信設(shè)備抗干擾低功效自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

對(duì)電力通信設(shè)備產(chǎn)生干擾的因素有很多[2]，所以對(duì)電力設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行超低功效及抗干擾性研究非常必要。某電力技術(shù)團(tuán)隊(duì)對(duì)超低功耗抗干擾自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，針對(duì)超低功耗抗干擾自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，分別進(jìn)行控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。本實(shí)驗(yàn)使用的設(shè)備主要是嵌入式MPU微處理器和C/S模式系統(tǒng)。

2.2.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

在通信設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，超低功耗和抗干擾能力是本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。傳統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，采用傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，功耗較大，為解決這一問題，在硬件設(shè)計(jì)中，改進(jìn)了獲取數(shù)據(jù)方式，采用輸入電信號(hào)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取。改進(jìn)控制系統(tǒng)中的PLC，改善編程處理器的保養(yǎng)模塊，并做好相應(yīng)的電路連接工作。另外，硬件設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員使用直流供電的方式，降低了電力的消耗。

將電力系統(tǒng)的控制規(guī)則內(nèi)容儲(chǔ)存在系統(tǒng)儲(chǔ)存器內(nèi)，設(shè)計(jì)中要求儲(chǔ)存器具備記憶功能[3]。儲(chǔ)存器設(shè)計(jì)中，要將控制邏輯程序固化，并限制邏輯編程訪問權(quán)限，保證只有管理人員才能有權(quán)對(duì)程序進(jìn)行修改，這樣的設(shè)計(jì)在很大程度上提高了系統(tǒng)硬件的安全防護(hù)性，提高了抗干擾能力。設(shè)計(jì)中，使用系統(tǒng)接收元件與系統(tǒng)內(nèi)的PLC進(jìn)行連接，連接后可直接輸入直流電信號(hào)。硬件系統(tǒng)的輸出方式可采用晶閘門輸出或晶體管。硬件設(shè)計(jì)中，采用直流電輸入，所以應(yīng)選擇與之匹配的開關(guān)裝置。本設(shè)計(jì)中采用的是DIP插件50 A 120 V DC型號(hào)的操作開關(guān)，該型號(hào)開關(guān)可以控制的最大電壓是120 V，開關(guān)通電后，為了獲取直流電力，可使用橋式整流法，整流中使用1N4007設(shè)備。整流過程中，遵循的計(jì)算公式是：

公式中，F(xiàn)0表示進(jìn)行橋式整流的調(diào)整范圍，Qt表示橋式整流后使用的最大交流電，n表示整流過程中目標(biāo)的轉(zhuǎn)換率，na是在整流過程中直流電轉(zhuǎn)換率的最大值，Qa代表的是直流電限制最大值。

設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行操作，啟動(dòng)限位開關(guān)，并進(jìn)行直流電供應(yīng)。電流供應(yīng)后，系統(tǒng)可自動(dòng)收取系統(tǒng)發(fā)出的通信信息，此時(shí)收到信息的硬件系統(tǒng)中央處理模塊可對(duì)已收信息進(jìn)行分類并開始計(jì)算，計(jì)算完成后進(jìn)行明確的反應(yīng)，將經(jīng)過處理計(jì)算后的數(shù)據(jù)通過晶體管和晶體閘門進(jìn)行輸出，完成硬件系統(tǒng)的自動(dòng)控制[4]。當(dāng)輸出指令傳輸?shù)斤@示模塊時(shí)，信息顯示單元發(fā)揮作用，使控制成為具體指令。

在設(shè)備顯示單元連接過程中，可采用不同的交流電形式進(jìn)行電力供應(yīng)，顯示模塊的數(shù)據(jù)處理可由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制。轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)傳遞方式選擇計(jì)算機(jī)COM口進(jìn)行。數(shù)據(jù)信息傳遞處理后，呈現(xiàn)在顯示模塊中。

2.2.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)完畢后，要對(duì)電力通信設(shè)備超低功耗與抗干擾控制系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)分為兩部分，一是對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，二是進(jìn)行通信程序設(shè)計(jì)[5]。網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)有利于降低自動(dòng)控制系統(tǒng)的功耗，而嵌入式MPU微處理器是在網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)中使用。該型號(hào)處理器可對(duì)系統(tǒng)的儲(chǔ)存模塊進(jìn)行有效保護(hù)，采用了ARM體系。嵌入式MPU微處理器在數(shù)據(jù)傳輸過程中，主要依靠外圍傳輸串口。本設(shè)計(jì)中使用的是CA-245型號(hào)串口。此外，C/S模式系統(tǒng)的應(yīng)用有效解決了軟件設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)交換問題，C/S模式系統(tǒng)的應(yīng)用，對(duì)電信號(hào)進(jìn)行了有效的邏輯控制。設(shè)計(jì)中，通過以下公式計(jì)算電力通信設(shè)備的控制范圍：

公式中，a和b分別表示設(shè)計(jì)中的節(jié)點(diǎn)位置，ηab表示Sink節(jié)點(diǎn)的控制范圍。系統(tǒng)發(fā)出控制命令后，系統(tǒng)軟件通過該公式進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)的具體應(yīng)用。

2.2.3 具體實(shí)驗(yàn)

電力通信設(shè)備超低功耗抗干擾自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完畢后，設(shè)計(jì)人員對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并與傳統(tǒng)電力通信設(shè)備自控系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

本實(shí)驗(yàn)只利用一種電力通信設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將兩種系統(tǒng)分別安裝于電力通信設(shè)備中，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，對(duì)比內(nèi)容包括系統(tǒng)功耗比例、抗干擾效率及控制準(zhǔn)確率三個(gè)方面。

本實(shí)驗(yàn)共需要進(jìn)行五組數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)，保證實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。采用同一種電力通信設(shè)備是為了防止實(shí)驗(yàn)中因電力設(shè)備不同導(dǎo)致功耗因素和抗干擾因素出現(xiàn)差異。電力通信設(shè)備的干擾因素包括內(nèi)部因素和外部因素，所以實(shí)驗(yàn)環(huán)境一定要進(jìn)行高度模擬仿真，以達(dá)到實(shí)驗(yàn)效果并保證五組實(shí)驗(yàn)在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境內(nèi)進(jìn)行，以進(jìn)行合理的數(shù)據(jù)記錄和分析。實(shí)驗(yàn)開始前，要進(jìn)行一次預(yù)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中要監(jiān)測(cè)電力通信設(shè)備運(yùn)行是否正常，參數(shù)是否符合正常值，并查看設(shè)計(jì)系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)是否存在問題，確認(rèn)無誤后進(jìn)行具體實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分五組進(jìn)行，每組的實(shí)驗(yàn)流程及實(shí)驗(yàn)方法要一致，不得有任何差異。實(shí)驗(yàn)完畢后，對(duì)電力通信設(shè)備的耗能量、抗擾率及精準(zhǔn)性進(jìn)行真實(shí)記錄，做好相應(yīng)的對(duì)比工作。

2.2.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算，得出相關(guān)數(shù)據(jù)。第一組實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的功耗和抗干擾能力分別為80.16%、72.25%。設(shè)計(jì)的超低功耗抗干擾自動(dòng)控制系統(tǒng)的耗能和抗干擾率則為72.27%、74.53%。第二組實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分別為86.51%、76.12%，抗干擾及低功耗系統(tǒng)數(shù)據(jù)為77.02%，79.67%。第三組實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分別是73.55%、78.65%，設(shè)計(jì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)為64.51%，85.33%。通過三組數(shù)據(jù)就可以明顯看出，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功耗要小于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的功耗且抗干擾性能要優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)，真正減小了電力通信設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)的功耗，提升了抗干擾能力。另外，記錄了兩種系統(tǒng)的準(zhǔn)確率，發(fā)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的超低功耗抗干擾控制系統(tǒng)要比傳統(tǒng)系統(tǒng)的控制準(zhǔn)確率更高。

3 超低功耗抗干擾自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

超低功耗抗擾自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究對(duì)于電力系統(tǒng)而言具有非常重要的意義。系統(tǒng)要真正應(yīng)用于實(shí)際，需要經(jīng)過反復(fù)仔細(xì)地研究，保證系統(tǒng)應(yīng)用的合理性、科學(xué)性。本研究系統(tǒng)可應(yīng)用于電力通信設(shè)備，如電力通信系統(tǒng)中的交換機(jī)，減少交換機(jī)的耗能。隨著新系統(tǒng)的完善，將會(huì)應(yīng)用于更多的電力通信設(shè)備。

4 結(jié)語

自動(dòng)控制系統(tǒng)超低功耗及抗干擾性能研究對(duì)電力通信設(shè)備有非常重要的作用，可使電力通信設(shè)備降低能耗，提升控制精準(zhǔn)性，保證電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)電力能源的節(jié)約。