變電站溫濕度實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)研究和開發(fā)

摘要：介紹了變電站設(shè)備正常運(yùn)行對(duì)溫濕度的要求，闡述了變電站溫濕度實(shí)時(shí)控制的重要性，介紹了目前變電站溫濕度測(cè)控的現(xiàn)狀和其它領(lǐng)域應(yīng)用的溫濕度實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)的幾種模式。設(shè)計(jì)開發(fā)了變電站溫濕度實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)，從溫濕度傳感器、數(shù)據(jù)通信模式，計(jì)算機(jī)接口、后臺(tái)管理系統(tǒng)，溫濕度控制算法等方面詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。該系統(tǒng)采用分布式采集，集中監(jiān)控方式，現(xiàn)場(chǎng)采用PID控制方法調(diào)節(jié)溫濕度，后臺(tái)可遠(yuǎn)控風(fēng)機(jī)、空調(diào)等設(shè)備運(yùn)行以控制溫濕度。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)流采用Modbus協(xié)議，具有較好的可擴(kuò)展性。

關(guān)鍵詞：變電站 溫濕度 Modbus PID

中圖分類號(hào)：TM63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X(2012)01(c)-0019-02

引言

隨著國家電網(wǎng)公司建設(shè)智能電網(wǎng)的不斷推進(jìn)，大量無人值守的高智能化變電站需要各種具備通信功能且自動(dòng)化程度高的監(jiān)控系統(tǒng)。大量計(jì)算機(jī)、電子測(cè)控、通信、網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備在變電站中應(yīng)用越來越多，而這些設(shè)備的正常運(yùn)行對(duì)溫濕度有一定的要求，合適的溫濕度不但是保證電力設(shè)備和繼電保護(hù)裝置穩(wěn)定運(yùn)行的前提，也能夠提高設(shè)備的性能。相關(guān)規(guī)定：主控制室和計(jì)算機(jī)室的溫度宜在(18-25)℃范圍內(nèi)，溫度變化率每小時(shí)不應(yīng)超過±5℃，相對(duì)濕度宜為45％～75％，任何情況下無凝露。對(duì)于繼保室，溫度變化范圍可為(5～30)℃，溫度變化率每小時(shí)不應(yīng)超過土5℃，相對(duì)濕度宜為45％～75％，任何情況下無凝露。

當(dāng)前，變電站溫濕度的控制主要有以下幾種方式：(1)人工型。現(xiàn)場(chǎng)放置溫濕度計(jì)，人工查看記錄，根據(jù)實(shí)際所測(cè)數(shù)值，進(jìn)行相應(yīng)的溫濕度控制，比如打開空調(diào)降溫除濕，打開風(fēng)機(jī)排風(fēng)等。這種模式人員工作量大，無法在第一時(shí)間調(diào)整溫濕度。(2)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)控制型。現(xiàn)場(chǎng)放置自動(dòng)控溫裝置，溫濕度達(dá)到一定閥值，相應(yīng)的繼電器動(dòng)作，打開加熱器或者空調(diào)等裝置進(jìn)行除濕降溫。這種模式在一定程度上降低了人員的工作強(qiáng)度，同時(shí)也可以較快地調(diào)整溫濕度。但是該模式實(shí)時(shí)性差，工作人員無法遠(yuǎn)方查看溫濕度數(shù)據(jù)，也無法在裝置故障的第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)，沒有數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄功能，且控制方法落后。

隨著電力系統(tǒng)自動(dòng)化程度越來越高，我國電力系統(tǒng)裝備取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，而對(duì)變電站的溫濕度等環(huán)境因素的監(jiān)控的研究還是較少。因此，研究開發(fā)變電站的溫濕度實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)有著實(shí)際意義。本文在分析總結(jié)現(xiàn)有溫濕度測(cè)量和控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合變電站自身的特點(diǎn)和對(duì)溫濕度測(cè)控系統(tǒng)的具體需求，研究開發(fā)出變電站溫濕度實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)。

1 總體結(jié)構(gòu)

本文研究開發(fā)的變電站溫濕度實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)采用分布式采集、集中監(jiān)控的方式，數(shù)據(jù)傳輸采用一對(duì)多方式，即一個(gè)后臺(tái)管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸單元，對(duì)應(yīng)多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控單元，在每個(gè)需要監(jiān)控溫濕度的場(chǎng)合都配置一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控單元。數(shù)據(jù)通信方式采用了兩利，方式，即短距離局域無線數(shù)據(jù)通信模式和485工業(yè)總線模式，可以根據(jù)不同需求選擇其中一種通信模式。無線方式下，距離較近的多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控單元可以通過48 5總線先自行組網(wǎng)，再由同一個(gè)無線數(shù)據(jù)傳輸模塊與后臺(tái)進(jìn)行通信。

測(cè)控方式采用輪詢方式，由后臺(tái)管理系統(tǒng)發(fā)出指令，按照順序?qū)ο到y(tǒng)所安裝的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控單，亡進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和遠(yuǎn)程操作。整個(gè)數(shù)據(jù)流采用Modbus協(xié)議，確保數(shù)據(jù)的兼容性和傳輸過程的正確性。

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控單元

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控單元的功能是完成溫濕度的測(cè)量，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，并將模擬量轉(zhuǎn)換為易處理和傳輸?shù)臄?shù)字量，同時(shí)接收后臺(tái)管理系統(tǒng)的指令，完成相應(yīng)的操作。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控單元具有獨(dú)立的工作能力，能夠就地控制相關(guān)設(shè)備。

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控單元結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由以下部分構(gòu)成：(1)總控單元，采用單片機(jī)控制，接收后臺(tái)管理系統(tǒng)的指令執(zhí)行相應(yīng)操作。(2)溫濕度變送器，完成溫濕度的測(cè)量，最終以數(shù)字信號(hào)方式輸出。(3)液晶顯示屏和按鍵，作為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控單元的人機(jī)交互界面，液晶屏提供現(xiàn)場(chǎng)溫濕度顯示，按鍵接收人工操作，對(duì)內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。(4)通訊接口，利川單片機(jī)的串行端口，轉(zhuǎn)換成485差分?jǐn)?shù)據(jù)與無線通信模塊通信或者直接通過485，總線與后臺(tái)交互。(5)PWM輸出，單，片機(jī)根據(jù)測(cè)量的溫濕度值及設(shè)定的目標(biāo)控制值，利用PID算法計(jì)算出控制策略，調(diào)整PWM波的占空比，經(jīng)過隔離和驅(qū)動(dòng)，控制加熱器和風(fēng)機(jī)的功率，從而達(dá)到凋節(jié)溫濕度的目的。(6)開關(guān)量輸出，用于控制報(bào)警、繼電器啟停等操作。

2.2 溫濕度變送器

溫濕度測(cè)量元件是本系統(tǒng)的核心部件，采用的是瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的SHTII型溫濕度變送器。傳統(tǒng)的溫濕度測(cè)量模式是將溫濕度等信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓或電流等電信號(hào)，然后再用A/D芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字量數(shù)據(jù)。SHTll將溫度、濕度感應(yīng)，信號(hào)變換和模數(shù)轉(zhuǎn)換等功能全部集成在一起。最終測(cè)量數(shù)據(jù)通過12C總線輸出，單片機(jī)只要通過12C與之通信即可讀出當(dāng)前溫濕度值。數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)過8位CRc校驗(yàn)，確保了溫濕度測(cè)量的精確度和數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。

2.3 控制算法

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控單元是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用PID控制算法。PID控制是一個(gè)在工業(yè)控制中常見的閉環(huán)控制方法。其基本思想是把收集到的數(shù)據(jù)和設(shè)定的參考值進(jìn)行比較，計(jì)算出差值，結(jié)合之前計(jì)算的差值，根據(jù)表達(dá)式計(jì)算出新的輸入值。這個(gè)新的輸入值的作用是可以讓系統(tǒng)的輸出達(dá)到或者保持在設(shè)定的參考值。PID控制方法充分考慮了控制系統(tǒng)的比例、積分、微分環(huán)節(jié)，可以使系統(tǒng)更加準(zhǔn)確和穩(wěn)定。

此系統(tǒng)中控制對(duì)象是溫濕度，調(diào)節(jié)手段是風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、加熱器的功率或者空調(diào)的檔位等等。單片機(jī)從SHTIl讀取溫濕度值，與設(shè)定值進(jìn)行比較，計(jì)算出差值，再根據(jù)前幾次的差值進(jìn)行計(jì)算，得到增量值，調(diào)整PWM的占空比，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路調(diào)整風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速或者加熱器的功率，從而達(dá)到控制溫濕度在設(shè)定范圍的日的。由于采樣和計(jì)算是經(jīng)過一定時(shí)間間隔完成的，此處的PID是離散型的，表達(dá)式如下：

△_it為輸入增量值；K_p為比例系數(shù)；K_l為積分系數(shù)；K_D為微分系數(shù)。e為目標(biāo)值和實(shí)際值的差值。

3 通信信道

系統(tǒng)采用兩種方式傳輸數(shù)據(jù)，485總線方式和無線傳輸模塊方式。作為本系統(tǒng)的中間通信部件，無線數(shù)據(jù)傳輸模塊承擔(dān)著數(shù)據(jù)的上傳下達(dá)。無線模塊采用透明傳輸模式，相當(dāng)于485總線的延長(zhǎng)線，連接起兩側(cè)的485通信。無線模塊采用Zigbee技術(shù)，具有低功耗、低成本、自組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，多個(gè)Zigbee模塊組網(wǎng)后能夠有效延長(zhǎng)數(shù)據(jù)傳輸距離。

為了保證數(shù)據(jù)的正確性和系統(tǒng)的兼容性，整個(gè)系統(tǒng)采用Modbus通訊協(xié)議。該協(xié)議是一種通用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，通過該協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其它設(shè)備之間可以通信。所有數(shù)據(jù)采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，方便系統(tǒng)整合和擴(kuò)展，只要符合該協(xié)議的設(shè)備掛接到該系統(tǒng)中即可使用，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一測(cè)控。

該系統(tǒng)串行通信的規(guī)約為：起始位1位、數(shù)據(jù)位8位、停止位1位、無奇偶校驗(yàn)。數(shù)據(jù)幀格式見表1。

地址碼為1個(gè)字節(jié)，所以系統(tǒng)最多可以擴(kuò)展256個(gè)測(cè)控點(diǎn)。功能碼包括溫濕度讀取、設(shè)備地址設(shè)定、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制等指令。CRC采用16位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼，多項(xiàng)式采用A001。CRC的具體計(jì)算過程請(qǐng)參考相關(guān)規(guī)程，這里不再贅述。

4 后臺(tái)管理系統(tǒng)

后臺(tái)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集中監(jiān)控，也是人員和系統(tǒng)交互的界面。后臺(tái)與現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)通信是雙向的，既收集現(xiàn)場(chǎng)溫度值，也可發(fā)送操作指令控制現(xiàn)場(chǎng)調(diào)溫設(shè)備。

4.1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

從485總線或者無線模塊輸出的數(shù)據(jù)都是485差分信號(hào)，無法與計(jì)算機(jī)通信，因此需要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。鑒于計(jì)算機(jī)串口的減少和USB接口的普及，后臺(tái)管理計(jì)算機(jī)通過USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。

RS-485信號(hào)與USB的轉(zhuǎn)換模塊如圖3所示。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，USB接口可以輸出最大電流為0.5A的5V電源。由于耗電量很小，該模塊即采用USB端口供電，大大促進(jìn)了模塊的小型化。模塊的信號(hào)轉(zhuǎn)換過程分為兩步，第一步是將USB轉(zhuǎn)換成TTL信號(hào)，第二步是將TTL信號(hào)轉(zhuǎn)換成485信號(hào)。轉(zhuǎn)換過程最重要的是第一步，采用CH341芯片，該芯片能將USB接口模擬成串口，計(jì)算機(jī)可以當(dāng)作普通串口進(jìn)行操作。經(jīng)過中間的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊或者485總線，再經(jīng)過USB/485轉(zhuǎn)換模塊，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控單元與后臺(tái)建立通信。中間環(huán)節(jié)都是透明的，對(duì)于后臺(tái)而言，只要操作串口讀取數(shù)據(jù)或發(fā)送操作指令即可。

4.2 軟件編寫

后臺(tái)管理系統(tǒng)采用Visual Studio 2010集成編譯環(huán)境，采用VB.Net語言編寫。系統(tǒng)采用面向?qū)ο缶幊趟枷耄K化設(shè)計(jì)。每一個(gè)測(cè)控點(diǎn)都是一個(gè)模塊，每個(gè)模塊具有共同的構(gòu)成單元。后臺(tái)管理系統(tǒng)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，保存到數(shù)據(jù)庫。后臺(tái)管理系統(tǒng)主要功能有：(1)溫濕度實(shí)時(shí)顯示。(2)歷史數(shù)據(jù)的查詢。(3)溫濕度曲線繪制。(4)溫度上下限控制和報(bào)警。(5)遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場(chǎng)空調(diào)、除濕器等設(shè)備。

后臺(tái)管理系統(tǒng)的兩個(gè)重點(diǎn)是串口操作和數(shù)據(jù)庫存取。VB，Net中有SerlalPort控件，利用該控件可以對(duì)串口進(jìn)行打開，設(shè)置、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)、關(guān)閉等等操作，完成數(shù)據(jù)的雙向傳輸。采集到的數(shù)據(jù)存到數(shù)據(jù)庫中，而VB，NET本身并不具備對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作的功能，通過，NET FrameWork SDK中的ADO，NET來完成對(duì)數(shù)據(jù)庫的操作。

5 結(jié)語

該變電站溫濕度實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)采用分布式采集、集中臨控模式，現(xiàn)場(chǎng)采用PID榨制，控制方法穩(wěn)定可靠，控制目標(biāo)值可在后臺(tái)遠(yuǎn)方設(shè)置，也可手動(dòng)強(qiáng)制控制風(fēng)機(jī)、加熱器、空調(diào)等調(diào)溫設(shè)備。整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流采用Modbus協(xié)議，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確。同時(shí)，該系統(tǒng)具有較好的擴(kuò)展功能，可以集成電表的讀取指令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表。其它設(shè)備經(jīng)過數(shù)據(jù)采集，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，都可以通過485總線和系統(tǒng)相連，利用該系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一控制。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)有效地解決了變電站溫濕度無法實(shí)時(shí)測(cè)控的問題，提高溫濕度檢測(cè)精確度和實(shí)時(shí)性的同時(shí)降低了運(yùn)行人員的工作強(qiáng)度。