基于物聯(lián)網(wǎng)的電能監(jiān)測控制系統(tǒng)

有鵬+朱晞旸+謝松巖+韓正一

摘 要 針對電網(wǎng)接入設(shè)備復(fù)雜多樣、局部用電環(huán)境惡劣等問題。各行各業(yè)對電網(wǎng)智能化發(fā)展的需求日益強烈。本文采用基于物聯(lián)網(wǎng)的電壓采集控制系統(tǒng)，通過先進的傳感測量技術(shù)、控制方法以及通信方式支持系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用。從而能夠方便、實時、高效的監(jiān)測電氣設(shè)備工作結(jié)果，采用變速積分的PID算法控制其供電參數(shù)達到最優(yōu)運行狀態(tài)。降低能源浪費，調(diào)高資源利用效率，保證設(shè)備的使用壽命。

關(guān)鍵詞 物聯(lián)網(wǎng)；智能電網(wǎng)；PID算法

中圖分類號 G2 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2017）184-0087-02

智能電網(wǎng)是綜合了信息技術(shù)、智能控制技術(shù)、自動化技術(shù)等的融合應(yīng)用，并與傳統(tǒng)的電網(wǎng)傳輸、管理技術(shù)的深度配合，極大地提升了電網(wǎng)的智能化水平[ 1 ]。

1 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)是通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)末端的延伸。終端節(jié)點通過感知技術(shù)和智能設(shè)備對物理世界進行感知識別。通過網(wǎng)絡(luò)傳輸相互聯(lián)系，進行數(shù)據(jù)融合、智能處理、自動控制。實現(xiàn)人與物、物與物信息交互和無縫連接，達到對物理世界實時控制、精確管理和科學(xué)決策目的。

物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)與應(yīng)用結(jié)合的必然結(jié)果，是人類生活、生產(chǎn)活動深入交流互動的產(chǎn)物。近些年，國際發(fā)達國家進一步將物聯(lián)網(wǎng)引入工業(yè)實體建設(shè)，包括德國的“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略和美國的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。中國在2015 年也提出了具有中國特色的“互聯(lián)網(wǎng)+”與“中國制造2025”，即“互聯(lián)網(wǎng)+各個傳統(tǒng)行業(yè)”，通過網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)代制造業(yè)深度融合，創(chuàng)造新的發(fā)展生態(tài)?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”的提出并非物聯(lián)網(wǎng)概念的沒落，恰恰相反，這種“傳統(tǒng)行業(yè)+網(wǎng)絡(luò)”結(jié)合的發(fā)展趨勢，是人類生產(chǎn)活動和交流向一體化、扁平化深入的必然需求，正反映了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必要性。“互聯(lián)網(wǎng)+”的精髓在于通過深度認知與有機融合，在廣泛發(fā)現(xiàn)、認知的基礎(chǔ)上，用超出傳統(tǒng)的想象力、整合能力創(chuàng)造出新的產(chǎn)業(yè)形態(tài)，而這種創(chuàng)新的基礎(chǔ)正來自于物聯(lián)網(wǎng)大至星云、小至細胞的泛在“感知”能力。物聯(lián)網(wǎng)自身聯(lián)通一切的特點決定了它在智能電網(wǎng)的發(fā)展中同樣是適用的，而且有著切實的需求。

2 項目研究內(nèi)容

智能電網(wǎng)是建立在高度集成、互聯(lián)互通通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過末端節(jié)點感知、處理、計算、控制和決策的應(yīng)用[2-3]。

物聯(lián)網(wǎng)可以將物理世界中的感知對象聯(lián)系起來，通過無線或有線的通信方式快速傳輸采集數(shù)據(jù)和控制指令。因此物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以和很多領(lǐng)域向結(jié)合，發(fā)揮其優(yōu)勢。智能電網(wǎng)要發(fā)揮其強大的資源優(yōu)化配置能力、更高的安全穩(wěn)定運行水平、高度智能化的電網(wǎng)調(diào)度，因此可以將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)因此智能電網(wǎng)中來。

1）根據(jù)嵌入式系統(tǒng)技術(shù)及電能監(jiān)測功能的要求，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，確立本設(shè)計所采用的方案，由確定的方案建立系統(tǒng)模型。

2）以嵌入式微控制器為核心，控制電能檢測模塊采集用電參數(shù)，運行改進后的PID算法通過調(diào)壓模塊控制用電設(shè)備供電電壓。

3）智能手機與無線WiFi模塊建立通信接收用電參數(shù)并傳輸供電電壓控制指令。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 三相電能檢測

對電網(wǎng)中設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測需要先進的傳感和測量技術(shù)，運用專用的電能檢測模塊可以全面的采集用電設(shè)備的各項電能參數(shù)，如電壓、電流、有功功率、無功功率等數(shù)據(jù)，提供整套的電氣參數(shù)。

ATT7022作為數(shù)據(jù)采集的主要芯片，ATT7022適用于三相四線，是一個能夠測量電壓、電流、電壓電流相位角、功率因數(shù)的專用計量芯片。精度比較高、抗干擾能力比較強。ATT7022提供了一個SPI接口，通過SPI接口外部MCU和ATT7022之間可以傳輸校準參數(shù)信息。

3.2 三相全隔離一體化交流調(diào)壓電路

三相全隔離一體化交流調(diào)壓模塊可以調(diào)節(jié)三相輸出功率，通過改變負載的電壓。采用進口大規(guī)模集成電路設(shè)計，內(nèi)部集成三相移相觸發(fā)電路、單向可控硅、RC阻容吸收回路及電源電路等于一體，可自動或手動調(diào)節(jié)以改變負載上的電壓，從而調(diào)節(jié)三相輸出功率。即在輸入控制作用下，產(chǎn)生三相可改變導(dǎo)通角的強觸發(fā)脈沖信號再去分別控制內(nèi)部可控硅，實現(xiàn)三相負載電壓從0V到電網(wǎng)全電壓的無級可調(diào)。

3.2 無線通信

監(jiān)測的電能參數(shù)和控制電壓的指令采用無線的通信方式進行傳輸。每個監(jiān)測設(shè)備配備一個WiFi模塊建立無線接入點。需要查看該設(shè)備運行狀態(tài)時，只需要利用智能手機連上無線接入點就可以接收到監(jiān)測的電能參數(shù)。如果需要對設(shè)備供電電壓進行調(diào)整，可以在智能手機上輸入相關(guān)控制指令。

3.4 控制算法

對三相全隔離一體化交流調(diào)壓電路采用改進后的PID算法進行控制調(diào)壓。為了克服因為積分項引起的飽和作用，在數(shù)字PID算法中提出了許多有效的修正算法。變速積分法是設(shè)法改變積分項的累加速度，使其與偏差的大小相對應(yīng)。偏差大時，積分累加速度慢，積分作用弱；反之，偏差小時，使積分累加速度加快，積分作用增強。

設(shè)置系數(shù)f[e（k）]，它是e（k）的函數(shù)，當(dāng)|e（k）|增大時，f減小，反之則增大。每次采樣后，用f[e（k）]乘以e（k），再進行累加，即：

變速積分法大大抑制了積分飽和現(xiàn)象、減小了超調(diào)量。通過變速積分達到了系統(tǒng)穩(wěn)定的目的，修正了調(diào)節(jié)品質(zhì)，適應(yīng)能力強。

4 結(jié)論

本設(shè)計通過理論分析以及實驗結(jié)果測量分析，按照設(shè)計要求實現(xiàn)了專用電能芯片對多種電能參數(shù)數(shù)據(jù)的采集，并且可以將數(shù)據(jù)實時通過無線發(fā)送到智能系統(tǒng)，以及更有效的電壓調(diào)節(jié)。系統(tǒng)的設(shè)計響應(yīng)快，并且通過實驗測量得出該系統(tǒng)處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)。測量精準，抗干擾能力強，符合國家智能電網(wǎng)的需求。

參考文獻

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[5]卡雅斯塔，Nipendra，等.智能電網(wǎng)的傳感器的數(shù)據(jù)采集.無線通訊和移動計算，2014：1055-1087.