新型直流系統在線監測裝置的設計

國網江蘇省電力公司蘇州供電分公司 朱 瓊 劉 冬 戴文彬 周彬倩 王玉瑩

1 直流系統在線監測技術概述及本系統的優勢

1.1 直流系統及其特點

直流系統是指在電力傳輸和分配過程中，電流保持單向流動的電氣系統。由于直流電壓和電流不隨時間變化，具有穩定性較高的特點。近年來，隨著可再生能源、電動汽車等產業的發展，直流系統逐漸受到廣泛關注并得到了廣泛應用。直流系統特點詳見表1。

表1 直流系統特點

1.2 直流系統故障檢測與診斷技術

直流系統作為一種電力傳輸方式，在實際應用中也面臨著故障檢測和診斷的問題。為了保障直流系統的穩定運行，必須及時發現故障并進行診斷。

傳統的直流系統故障檢測方法主要是通過監測電壓、電流等基本參數，并對故障進行判斷。這種方法的局限性在于對系統的監測數據要求較高，需要對傳感器進行高精度校準，并且受到電磁干擾等外部因素的影響較大，容易導致誤判。

該方法也無法有效地檢測到一些隱蔽性故障。隨著智能檢測技術的發展，基于智能算法的直流系統故障檢測方法研究力度進一步提高。其中就包括物聯網技術，物聯網技術是一項成熟又簡便的技術，可以使軟件與硬件相結合，采用模塊化技術、云技術等方便了系統的組裝與維護[1]。

1.3 直流系統在線監測技術現狀

隨著直流系統的廣泛應用，對直流系統在線監測技術的需求也越來越高。直流系統在線監測技術是指通過對直流系統的實時監測，獲取各種參數數據并進行處理，實現對直流系統狀態的實時掌控和故障的快速診斷的技術。目前，直流系統在線監測技術主要包括基于硬件的在線監測和基于軟件的在線監測兩種類型。

基于硬件的在線監測技術是指通過直接安裝監測設備在直流系統中，實時采集系統各個部分的參數數據并進行分析，從而實現對直流系統的實時監測和故障檢測。目前，基于硬件的在線監測技術已經得到廣泛應用，例如直流電源在線監測技術、直流配電系統在線監測技術、直流輸電系統在線監測技術等[2]。

基于軟件的在線監測技術是指通過軟件系統實現對直流系統的實時監測和故障檢測。該技術可以通過在直流系統中安裝傳感器，采集各種參數數據，并通過數據傳輸到云平臺，實現對直流系統狀態的實時掌控和分析，同時還可以通過人工智能等技術進行故障診斷和預測分析。目前，基于軟件的在線監測技術已經在直流配電系統、電動汽車充電樁等領域得到應用。

1.4 本文所設計的新型直流系統在線監測裝置的優勢

1.4.1 提高直流系統運行的穩定性和安全性

直流系統在運行過程中可能會出現各種故障。例如，電壓過高或過低、電流過載等，如果不能及時發現并處理，可能會對系統的正常運行造成影響甚至危害系統的安全穩定運行。而新型直流系統在線監測裝置可以實時監測直流系統的各種參數，及時發現故障并進行診斷，從而提高了直流系統的運行穩定性和安全性。

1.4.2 降低系統維護成本

傳統的直流系統維護需要人工巡檢和維護，工作量大、費用高、效率低。新型直流系統在線監測裝置可以實現對直流系統的實時監測，降低了人工維護成本，提高了維護效率。

1.4.3 推動直流系統技術的發展

新型直流系統在線監測裝置采用先進的技術手段，可以實現對直流系統狀態的實時掌控和故障的快速診斷，具有較高的智能化和自動化水平。該裝置的研究和應用可以促進直流系統技術的發展，提高直流系統的智能化水平和可靠性。

1.4.4 推動新能源發展

直流系統是新能源開發的重要領域，新型直流系統在線監測裝置可以實現對直流輸電、電動汽車充電等領域的實時監測，為新能源的開發和應用提供了重要的技術支撐。

2 新型直流系統在線監測裝置設計

2.1 設計思路及原理

本文所設計的新型直流系統在線監測裝置主要基于物聯網和云計算技術，利用先進的傳感器和通訊技術實現對直流系統狀態的實時監測和數據的采集，并通過云平臺對數據進行處理、分析和管理。該裝置由監測單元和數據通訊處理單元兩個部分組成。

監測單元包括直流電源模塊、電壓模塊、電流模塊、溫度模塊等，通過傳感器實現對直流系統狀態的實時監測，將監測到的數據傳輸到數據通訊處理單元。

數據通訊處理單元負責對監測單元傳輸的數據進行處理、分析和管理，包括通訊模塊、數據處理模塊、存儲模塊等。通訊模塊通過物聯網技術實現對監測單元傳輸數據的接收和發送，數據處理模塊對接收到的數據進行處理、分析和診斷，將處理結果反饋至用戶。

存儲模塊負責將處理后的數據存儲到云平臺上，方便用戶隨時隨地查看和管理。該裝置可以實現對直流系統狀態的實時掌控和故障的快速診斷，提高了直流系統的運行穩定性和安全性，同時降低了系統維護成本，為直流系統技術的發展和新能源的開發提供了重要的支撐。

2.2 監測單元設計

直流電源模塊主要用于監測直流系統的電源電壓和電流，其設計原理基于負載特性曲線和直流電源的最大功率點跟蹤技術，以確保直流電源輸出電壓和電流的穩定性。電壓模塊和電流模塊主要用于監測直流系統的電壓和電流，其設計原理基于磁滯效應和霍爾效應，以實現對電壓和電流的實時測量。溫度模塊主要用于監測直流系統的溫度，其設計原理基于熱敏電阻和熱電偶技術，以實現對溫度的實時測量。各模塊均應采用市面上高品質的傳感器零件來監測。

2.3 通訊與數據處理部分設計

該主要負責實現監測單元和數據通訊處理單元之間的數據傳輸和處理。物聯網系統如圖1所示。

圖1 物聯網系統

通訊部分采用物聯網技術實現對監測單元傳輸數據的接收和發送，包括通訊模塊和數據傳輸協議。通訊模塊采用Zigbee 無線通訊模塊，實現監測單元和數據通訊處理單元之間的無線數據傳輸，同時采用TCP/IP 協議實現數據的可靠傳輸。

具體來說，監測單元中的傳感器采集到電壓、電流、溫度等參數后，將這些數據通過Zigbee 無線通訊模塊發送至數據通訊處理單元。數據通訊處理單元中的Zigbee 無線通訊模塊接收到這些數據后，通過TCP/IP 協議實現數據的可靠傳輸。TCP/IP 協議是一種常用的網絡傳輸協議，能夠保證數據的可靠性、完整性和順序性。

在實際應用中，Zigbee 無線通訊模塊和TCP/IP 協議可以實現監測單元和數據通訊處理單元之間的無線數據傳輸和遠程數據管理，具有傳輸速度快、數據可靠性高、安全性強等優點。同時，采用Zigbee 無線通訊模塊和TCP/IP 協議可以有效解決傳統有線通訊方式的布線難題，提高設備的可移動性和安裝的靈活性，符合現代化智能化設備的需求[3]。

數據處理部分主要負責對監測單元傳輸的數據進行處理、分析和管理，包括數據處理模塊、存儲模塊和用戶界面。數據處理模塊采用Python編程語言進行開發，實現對數據的實時處理、分析和診斷，并將處理結果反饋至用戶。存儲模塊采用云平臺技術實現對處理后的數據的存儲和管理，方便用戶隨時隨地查看和管理數據。用戶界面則通過Web 頁面實現，提供直觀、簡潔的用戶操作界面。

數據處理代碼編寫為：

3 結語

本文主要介紹了新型直流系統在線監測裝置的設計，包括直流系統故障檢測與診斷技術綜述、直流系統在線監測技術現狀、新型直流系統在線監測裝置的研究意義、設計思路及原理、系統框架設計、監測單元設計以及通訊與數據處理部分設計。本文設計了一種基于傳感器的在線監測裝置，可以實現對直流系統狀態的實時監測和診斷，提高直流系統的穩定性和運行效率。利用物聯網系統及云處理的強大能夠快速地診斷故障，提高直流系統的可靠性和安全性。