基于局部頻率約束的智慧熱網(wǎng)運行安全自動監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計

甄麗靖

（寧夏華電供熱有限公司，寧夏 銀川 750000）

0 引 言

由管道腐蝕、受力、結(jié)構(gòu)破壞以及路面塌陷等原因造成的泄漏以及由此引起的安全事故時有發(fā)生，給城市建設(shè)帶來了嚴(yán)重影響，同時威脅智慧熱網(wǎng)供熱系統(tǒng)的安全運行，增加了供熱能耗。為了適應(yīng)社會的發(fā)展，我國供熱行業(yè)已由傳統(tǒng)供熱向信息化、智能化以及網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，智慧熱網(wǎng)逐步成熟。以能量存儲裝置、熱交換站以及熱媒為主體，運用先進的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、供暖網(wǎng)絡(luò)以及熱源等技術(shù)，形成了智能熱網(wǎng)系統(tǒng)。智能熱網(wǎng)系統(tǒng)具有控制、監(jiān)測、計量以及綜合自動調(diào)節(jié)等功能，可確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。熱控系統(tǒng)可以完成數(shù)據(jù)采集、管理、診斷以及分析等功能。智慧熱網(wǎng)通過信息傳感層、數(shù)據(jù)傳輸層以及人工智能數(shù)據(jù)挖掘?qū)拥那度胧叫畔⒒脑旌蜕墸M一步實現(xiàn)了供暖行業(yè)的自動化、智能化以及信息化。但是，傳統(tǒng)系統(tǒng)由于設(shè)備、技術(shù)以及系統(tǒng)等方面的滯后，使得我國現(xiàn)有的供熱管網(wǎng)系統(tǒng)在實際運行中還存在著諸多問題和矛盾，為此設(shè)計了一個基于局部頻率約束的智慧熱網(wǎng)運行安全自動監(jiān)管系統(tǒng)，可有效實現(xiàn)監(jiān)測的實時性能。

1 智慧熱網(wǎng)運行安全自動監(jiān)管系統(tǒng)硬件部分

1.1 主控芯片設(shè)計

目前，常用的單片機系列有51單片機、TM32單片機、AVR單片機以及PIC單片機等。常規(guī)51單片機應(yīng)用廣泛，生產(chǎn)歷史長，但運行速度慢，防護能力差。智慧熱網(wǎng)功能需要向外擴展，因此增加了軟硬件的負(fù)擔(dān)。根據(jù)本課題的設(shè)計要求，選用STM32系列單片機作為主控制器芯片進行電力采集。STM32單片機具有性能強、實時性好、成本低、功耗低以及電壓低的優(yōu)勢[1]。AVR單片機具有高性能、快速以及低功耗的特點，但是不需要對位操作。PIC單片機功能全、型號多、抗干擾能力強以及兼容性好，但是其寄存器分布在4個地址，編程比較困難。在應(yīng)用層面上，它可分為高性能微處理器、主流微處理器、超低功耗微處理器以及無限系列處理器[2]。從產(chǎn)業(yè)、應(yīng)用環(huán)境、成本以及性能等方面進行考慮，選取ARMCortex-M3主流ARM32F103系列單片機作為用電信息采集的主控制器芯片。

1.2 計量芯片設(shè)計

計量芯片為三相計量芯片，功能齊全且精度高，可測量三相電壓、三相電流、剩余電流、有功功率以及無功功率等電網(wǎng)參數(shù)，最大測量誤差不超過1%，并具有計量耗電的功能，可編程實現(xiàn)電壓相序誤差檢測、欠壓指示、欠壓閾值設(shè)置、過壓檢測以及過流檢測等功能[3]。采用3.3 V電源供電的計量芯片，其內(nèi)置基準(zhǔn)電壓，具有高速串口通信，處于從屬模式工作運行狀態(tài)，最大傳輸速率為3.5 Mb/s。通過讀寫串口，實現(xiàn)了主控制器芯片STM32的三相電壓、電流、有功功率以及剩余電流的讀寫，可以用很多方法校準(zhǔn)芯片收集的數(shù)據(jù)，包括電壓、電流、功率增益、有功、無功以及有效失調(diào)校準(zhǔn)等。

1.3 通信芯片設(shè)計

電感采集器硬件中焊接部件的精度誤差和電流互感器的精度誤差都會導(dǎo)致電感采集量的偏差，因此有必要校正采集數(shù)據(jù)。上位機通過RS-485串口與采集器通信，讀寫采集器電量信息，實現(xiàn)了電量的標(biāo)定和GPRS模塊配置參數(shù)的寫入。選用德州儀器半導(dǎo)體技術(shù)有限公司的SN65HVD72系列RS-485總線通信芯片，該芯片內(nèi)部的差分驅(qū)動程序與差分接收器連接，差分驅(qū)動程序為差分輸出，接收器為差分輸入，可以實現(xiàn)半雙工模式的數(shù)據(jù)通信[4]。通信芯片由3～3.6 V功率驅(qū)動，傳輸速度可達(dá)250 kb/s。為滿足工業(yè)應(yīng)用的要求，采用小型封膜機封裝通信芯片[5]。

設(shè)計RS-485通信電路，并通過RS-485串口與上位機進行通信，實現(xiàn)了電子參數(shù)的初始化校準(zhǔn)和GPRS參數(shù)的配置。采用RS-485接口作為RS-485通信串口，采用SN65HVD72作為RS-485接口的低功耗差分信號收發(fā)器，通過設(shè)置RS-485通信串口進行半雙工模式數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)了TTL級信號轉(zhuǎn)換成差分接口信號形式進行通信的目的。

1.4 存儲芯片設(shè)計

存儲芯片是一種串行閃存的裝置，可用于存儲聲音和文本數(shù)據(jù)等。工作運行狀態(tài)下，它的工作電壓為2.7～3.6 V、工作電流為4 mA，而睡眠狀態(tài)下的工作電流可以達(dá)到1 μA以下。存儲芯片包含65 536個可編程的頁面，每頁256 B，每次可以寫到256 B。存儲芯片有4 096個可清除的扇區(qū)、256個可擦除塊、16頁4 kB扇區(qū)、128頁32 kB塊以及256頁64 kB塊，整個芯片都可以一次擦除，支持高速串口通信的存儲芯片接口，引腳功能如表1所示。

表1 存儲芯片引腳功能

2 智慧熱網(wǎng)運行安全自動監(jiān)管系統(tǒng)軟件部分

系統(tǒng)軟件部分主要采用局部頻率約束分析方法觀測系統(tǒng)中的熱網(wǎng)信號。局部頻率約束分析方法描述的智能熱網(wǎng)特征不依賴于每個數(shù)據(jù)點的瞬時值，而是在參考該數(shù)據(jù)點的局域鄰近值基礎(chǔ)上引入局部頻率約束的整體正則化，以保證局部頻率的穩(wěn)定和可靠。

智慧熱網(wǎng)運行安全自動監(jiān)管方式由最初的廣泛性監(jiān)管逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄏ虮O(jiān)管。早期的監(jiān)管系統(tǒng)監(jiān)管時做出連環(huán)性的識別和響應(yīng)，工作人員利用發(fā)出的報警信號來抑制后期的監(jiān)管。網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展使監(jiān)管系統(tǒng)不斷進步，從單一的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管防御系統(tǒng)變?yōu)檫B環(huán)性的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管防御系統(tǒng)。自動監(jiān)管系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)識別、數(shù)據(jù)武器化、數(shù)據(jù)保護屏障、數(shù)據(jù)程序安裝以及執(zhí)行命令信息5個步驟。為了能更快地進行數(shù)據(jù)識別，需要不斷提升安全自動監(jiān)管系統(tǒng)，使其保持敏銳的反應(yīng)，對信息漏洞做出及時的報告。因此，需要設(shè)計智能熱網(wǎng)運行安全自動監(jiān)管系統(tǒng)軟件部分。分析軟件部分?jǐn)?shù)據(jù)的異常行為時，需要在數(shù)據(jù)層采集安全自動監(jiān)管系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，通過智能熱網(wǎng)傳輸通道傳輸?shù)綐I(yè)務(wù)層的中央處理器中對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，對整理后的數(shù)據(jù)進行分類并存儲至數(shù)據(jù)資料庫，然后分析存儲后的數(shù)據(jù)得到相關(guān)的分析結(jié)果。

3 實驗分析

為驗證基于局部頻率約束的智慧熱網(wǎng)運行安全自動監(jiān)管系統(tǒng)的有效性，下面將進行實驗分析。實驗以某智慧熱網(wǎng)為對象，設(shè)置正常運行狀態(tài)，開關(guān)為聯(lián)絡(luò)開關(guān)，網(wǎng)絡(luò)形態(tài)呈現(xiàn)輻射狀。為了保證實驗的嚴(yán)謹(jǐn)性，將傳統(tǒng)的智慧熱網(wǎng)運行安全自動監(jiān)管系統(tǒng)與此次研究的系統(tǒng)的實時性進行對比，結(jié)果如表2所示。分析表2可知，基于局部頻率約束的智慧熱網(wǎng)運行安全自動監(jiān)管系統(tǒng)能夠在故障發(fā)生后短時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)故障情況，而傳統(tǒng)的系統(tǒng)在故障發(fā)生后很長一段時間才能發(fā)現(xiàn)故障，證明基于局部頻率約束的智慧熱網(wǎng)運行安全自動監(jiān)管系統(tǒng)更加優(yōu)越。

表2 故障監(jiān)測實時性對比

4 結(jié) 論

智慧熱網(wǎng)運行安全自動監(jiān)管系統(tǒng)主要以能量儲存裝置、熱交換站以及熱媒為基礎(chǔ)，利用先進的計算機技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、供熱網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及熱源技術(shù)等技術(shù)，形成了新型的供熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。本文設(shè)計了一個智慧熱網(wǎng)運行安全自動監(jiān)管系統(tǒng)，并通過實驗驗證了設(shè)計的系統(tǒng)的有效性。智能化熱網(wǎng)系統(tǒng)具有控制、監(jiān)測、計量以及綜合自動調(diào)節(jié)等功能，保證了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。智慧熱網(wǎng)運行安全自動監(jiān)管系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)診斷以及數(shù)據(jù)分析，具備重要的應(yīng)用價值。