供电监测（共8篇）
供电监测 篇1
引言
随着电力事业的发展, 电力自动化的相关技术也在不断更新。对发电、输电、供电和用电的可靠性要求越来越高。对设备状态检查, 检修提出了新的要求, 需要将供电设备纳入状态监测范围。如变压器、断路器、开关柜、避雷器等。由于各种设备如变压器、断路器、开关柜、避雷器等都有自己的通信监测方式, 没有形成统一的设备在线监测平台, 给运行管理带来很大不便。
1 供电设备在线监测技术发展阶段及研究现状
国外许多电力公司从20世纪70年代就开始研究并推广变电设备在线监测技术, 主要目的就是减少停电预防性试验的时间和次数, 进一步提高供电可靠性。但由于当时设备简陋、测试手段简单, 因此在线监测系统未能得到大规模的推广[1]。
在线监测系统的发展阶段可分为集中式模拟量传输阶段、就地A/D转换, 现场总线技术阶段、分层分布结构阶段。
我国在线监测系统的发展开始于20世纪80年代, 安徽、广东等省市电力部门研制了电容性设备监测装置, 但效果不理想;20世纪90年代, 重庆大学、武汉高压研究所、湖北省中试所、武汉水利电力大学等单位的研究水平日趋完善, 逐渐得到了电力部门的认可。
目前较成熟的技术有:电容性设备监测、油中六种气体监测、发电机局放监测、主变压器局放监测及相应的诊断技术。
2 供电设备在线监测内容及功能
供电设备在线监测系统是指直接安装在供电设备上可实时记录表征设备运行状态特征量的测量、传输和诊断系统, 是实现供电设备状态监测、状态检修的重要手段。
监测内容范围广泛, 包括:主变油色谱、GISSF6气体压力、开关柜温度、避雷器、GIS微水综合监测等。
供电设备在线监测系统由容性设备绝缘在线监测系统、避雷器绝缘在线监测系统、断路器在线监测系统组成, 系统涵盖供电设备绝缘状态参数的监测[2]。在线监测系统的构成见图1。
供电设备在线监测系统应采用分层次在线监测的方式, 将一回出线上的所有供电设备划分为一个单元, 需要实时监测的供电设备按照区域被划分为多个单元, 现场信号采集系统采用统一的硬件进行集成。系统中的硬件主要由现场监测层、供电设备层和监控中心层三个层次组成。
现场监测层负责现场各监测参量的获取和集成。对于每回出线上的电力设备通过一个现场的工控机系统进行硬件集成, 将底层的各种状态信号和智能监测单元集成起来。每个监测单元具有即插即用功能, 自动实现硬件添加、采集控制、数据传输等功能[3]。
供电设备层主要负责对现场监测层采集的数据进行暂存、数据处理, 数据发布、状态分析、自动报警, 并提供数据的远程传输服务功能。
监控中心层通过网络交换机与电力系统内网连接, 将所有采集的供电站内各种电力设备的在线监测数据直接传输到位于电力管理部门的在线监测中心, 由那里进行数据的永久存储、数据分析、以及数据服务。
3 供电设备在线监测技术存在的问题及发展方向
虽然国内外对在线监测进行了大量的研究探索, 取得了长足进展。但是, 在线监测仍面临如下一些需要解决的问题。
抗干扰问题。在线监测信号很微弱, 受通讯、谐波和电压突变等因素以及高电压和各区的电磁场干扰, 测量信号的精度和数据的稳定性会受到影响, 有一些测量信号甚至完全淹没在干扰信号中;现场设备受运行条件影响和环境影响较大;在线监测数据的分析判断及标准化欠缺[4]。
监测装置运行可靠性差, 本身质量问题导致数据失效或传输故障, 起不到监测设备状况的作用;测试精度及其稳定性校验是在线监测系统面临的一个重要技术问题;传感器的特性是在线监测的关键, 研制高精度、高稳定、零相位差的传感器仍是一个非常重要的研究课题。由于缺乏运行经验, 无法确定报警值以及相应的监测标准[5]。
为了适应电力发展和智能供电需要并满足信息发展的技术要求, 供电设备在线监测技术发展方向应满足如下内容;
1) 具备分层分布式系统结构。信号采集单元按照现场高压设备的分布就地安装、就地数字化测量, 并通过现场工业总线、光纤信道或无线模块与站端中心管理单元进行通信。系统易扩充性, 兼容性强。2) 采用全数字式、一体化智能监测单元。信号采集单元采用高速数据处理器内核, 16位多路高速转换器。监测单元自成体系, 独立地进行监测参数就地信号转换、采集、处理。监测参数就地数字化测量。监测装置具有小型化、数字化、智能化、网络化和专业化特点。具有完善、有效的数据诊断分析功能, 故障预警功能。采用软件傅立叶分析法提高介损测量精度, 性能稳定、分辨率高、数据处理实时性强, 特别适合强电磁干扰环境下微小信号的处理。3) 具备标准的数据接口。遵循IEC61850标准与高压设备相关的数据进行统一建模, 并且结合IEC 61850标准接口规范实现系统的互联。4) 采用高精度单匝穿芯式传感器。信号拾取采用一匝穿芯式零磁通互感器, 增加自适应动态电子电路, 线性度好, 输出波形不畸变, 输出信号与被测信号间的比差、角差小, 差值稳定, 不随温度等因素的变化而变化。传感器采用三层屏蔽设计, 抗干扰能力强, 电磁兼容性好。5) 优化的同步信号处理机制。母线电压信号经过电压信号变换单元特殊抗干扰处理传输到每个监测单元, 从而实现电压电流的绝对同步采样, 克服电压电流单元分开采样“假”同步的弊端。6) 具备全面的在线监测系统解决方案。广泛适用于35 k V及以上电压等级的发电厂、变电站、涵盖所有的高压设备, 最大程度地实现信息的集成和资源的共享, 加强数据整合和实时分析功能, 集成电站内的电气量、非电量、稳态、暂态等各类设备状态参数, 并实现统一时标、综合管理, 实现高压设备状态的在线分析, 事件智能化处理决策和电网模型参数校核等功能。7) 具有防雷击处理电路。专家诊断系统对被测设备超标的结果结合外部温湿度状况进行综合分析。从而能准确判断被测设备参数超标的原因 (如设备绝缘劣化、污秽、下雨天气雨水里的电解质导致的泄露电流增加等) 从而为下一轮的停电检修提供正确可靠的依据。
4 结语
依据颁布的相关技术标准和技术方案, 结合多年的工作经验, 提出了一些供电设备状态监测系统的建议, 为供电设备状态监测系统建设提供一些有用的参考。
参考文献
[1]王峰, 阎春雨.变电设备状态监测系统的设计方案[J].电力建设, 2011 (11) :31-35.
[2]郭碧红, 杨晓洪.我国电力设备在线监测技术的开发应用状况分析[J].电网技术, 1999 (8) :65-67.
[3]董明, 李元.输变电设备状态检修系统的开发与应用[J].华东电力, 2009, 37 (7) :1 070-1 074.
[4]国家电网公司.Q/GDW 383—2009智能变电站技术导则[S].北京:中国电力出版社, 2011.
[5]中国电力科学研究院.Q/GDW 534—2010变电设备在线监测系统技术导则[S].北京:中国电力出版社, 2010.
供电监测 篇2
关键词：变压器；油中溶解气体；在线监测
中图分类号：TM406文献标识码：A文章编号：1006-8937（2011）22-0030-02
随着我国经济的快速发展，电网容量逐渐增大，电压等级也随之提高，设备故障所产生的影响也相应增大。作为变压器是在电力系统中最重要、最昂贵的设备之一，其运行状态的安全与否直接关系到整个电力系统的安全性和经济性。因此，随时检测变压器绝缘油中的气体，及时发现变压器内部故障的第一手资料，是保障供电可靠性的重要手段之一。
常规的油色谱分析法是基于实验室的分析技术，通过现场采取油样后在实验室定期进行分析。其缺点是在取油样周期间隔中，无法对变压器油中气体进行实时有效的监测，对某些发展比较快的突发故障就成了漏网之鱼，造成不必要地损失。而且在取样试验过程中环节比较多，存在较大的人为误差，影响其数据的准确性。变压器油中溶解气体在线监测装置的使用有效地解决试验室油样分析的限制，既可及时发现变压器内部潜伏性故障，又可以监控变压器运行中油色谱数据的变化规律，大大提高了变压器的运行可靠性和安全性。
1油色谱在线监测装置的工作原理
1.1系统功能分类
①单组分监测系统。仅对油中溶解的单组分气体或某几种气体成分总量作检测。我局采用的有中能电力科技开发有限公司生产的 Hydran201i型，深圳奥特迅传感技术有限公司生产的TransPro KG2100A、2100B。
②多组分监测系统。对油中溶解的多个气体成分作定量检测。我局采用的有河南省中分科技有限公司生产中分3000型变压器油中气体在线监测装置。
1.2系统组成
油色谱在线监测系统一般由油气分离单元、气体检测单元、数据分析单元和数据传输单元。
①油气分离单元。由于气体检测器一般不能和变压器油直接接触。当前各种在线监测系统的油气分离方法主要有：机械震荡分离法、真空脱气分离法、透气膜分离法。前两种多与实验室采用的方法一致，主要用于多组分油在线监测装置，如河南省中分科技有限公司生产中分3000型。后一种多用于单组分的油在线监测装置，如：中能电力科技开发有限公司的Hydran201i型和深圳奥特迅传感技术有限公司生产的TransProKG2100A、2100B。
②气体检测单元。将油气分离单元脱出的油中溶解气体在气体检测单元完成转换。检测单元通过直通管与气体分离单元相连，油中渗透出来的混合气体经色谱柱分离后，再经传感器，则得到各种气体的含量：氢气（H2）、一氧化碳（CO）、甲烷（CH4）、乙烯（C2H4）、乙烷（C2H6）、乙炔（C2H2）和二氧化碳（CO2）。单组分的油在线监测装置常采用燃料电池等方案。
2各类在线监测装置的运行情况（截止2010年底）
①河南省中分科技有限公司生产的中分3 000型变压器油中气体在线监测装置。
该设备可分别检测七种主要故障特征气体的浓度，采用传统的色谱柱在线监测，相当于实验室的微型版，测试数据与离线试验数据接近，能直接反应变压器油内部的真实情况。但由于它是离线实验室的微型版，采用的辅助设备较多，需载气和一些消耗品，因此一般情况要求每两年更换一次载气，再者它在室外，环境较现实的实验室恶劣，因此对各种零件的损坏比较大，要多采用耐高温，抵寒冷的材料。虽然如此，随着仪器的运行时间推移，其暴露问题也逐渐增多，仅2010年河南中分3 000就出现了15次故障，故障率为35.7%。故障主要有二个，其一为设备软件问题，如出现3次客户端软件数据不更新，需现场重启仪器后方能恢复正常，还出现软件参数设置问题，需修正软件参数后才可正常。其二为设备硬件故障，主要为仪器无线模块、主板、电路板或电源板烧坏（出现5次），另一个为设备油路回油阀、电磁阀漏油，需更换或维修。
②中能电力科技开发有限公司生产的Hydran201i型变压器油中气体在线监测装置。
该设备由于是通过一种具有选择性的渗透膜进入电化学气体监测器内，再经过电化学反应，产生一个与反映量成比例的电信号，可检测主要故障特征气体的复合浓度—氢气（H2）、一氧化碳（CO）、乙炔（C2H2）和乙烯（C2H4），反应出变压器内部油的变化趋势。它所需辅助设备少，因此日常的维护工作较少。但由于它是一种复合气体，要经进系数（渗透膜的渗透系数）的转换，才能算出各种气体的具体数值，因此它与实验室离线色谱数据有一定的差距。同时，它要求渗透膜的技术含量很高，一要渗透性强，要求传递过来的气体能充分反应变压器油中气体的含量。二是要求隔离性强，保证变压器的油不会因此泄漏、污染。该设备目前出现的问题是：稳定性较差，故障类型的多样性，有传感器损坏，误报警、通讯故障等，2010年中能公司的在线监测装置共发生误报警、故障3台次，故障率为20%。主要为500 kV横沥站出现通讯故障，调整通讯装置后恢复正常，还有一宗为传感器渗透膜损坏需更换，另一宗为设备数据处理模块I/O损坏。
③深圳奥特迅传感技术有限公司生产的TransPro KG2100A、2100B、KG3100A型油中气体在线监测装置。
它也是采用透气膜分离法，利用气体渗透膜透气性和气体在燃料电池电极上发生电化学反应，再把化学信号变换为电信号。在安装使用前期，也出现设备升级，元件损坏情况，到后来逐渐稳定。在2010年内未出现故障情况。其缺点是，该设备的测量数据也为复合浓度，未能达到试验数据直观的目的。故障分析能力一般，对故障类型无法直接判断。
④实例应用，主要通过以下实例应用前的问题以及应用的效果加以说明。
其一，220 kV立新变电站#2主变为奥地利VA TECH伊林电气公司生产，2000年4月投入运行，该主变自投运以来运行状况良好，在油色谱分析中未见异常。在2007年10月9日，实验室油色谱分析发现总烃含量增速加快，含量达到94.85μL/L。于是加强对＃2主变的运行监控，缩短了试验周期，由原来的每半年一次预试，改为每月跟踪试验。在2008年4月，在#2主变安装了河南中分3000色谱在线监测系统，对其进行实时监控。经对比，两者数据基本一致。这时，为了更好地实时掌握油色谱试验情况，我们采用在线监测装置代替离线油色谱跟踪试验。到2009年6月22日，我们从在线监测装置看到，总烃含量突增为238μL/L；到6月26日，短短的四天时间，总烃又增到301μL/L。经现场多方面调查，我们初步考虑为变压器过热性故障，建议变电站降低负荷一半，并随时留意数据变化。同时，将＃2变油在线监测装置试验周期改为每日三次。由于故障分析准确，采取地措施得当，在迎峰度夏期间，#2主变油色谱总烃数值稳定在300μL/L左右。2010年1月，为避免220 kV立新站#2主变潜在的安全运行风险，我们将#2主变更换并返厂吊心检查，发现：＃2主变变高A、B相出线处的导线没有接直，形成弯曲搭接现象，导致弯曲搭接部分形成了分流，而搭接部分又严重接触不好，长期发热，导致出线断股现象。所以在变压器负荷增大时，过热性故障更明显。实践表明，变压器油中溶解气体在线监测系统检测的数据是可靠的，由此进行的故障性质及故障发展趋势的判断是准确、及时的。
其二，500 kV东莞站#1主变A相在2006年5月第一次在实验室检测出含有微量乙炔0.2μL/L，后加装中能电力科技开发有限公司生产的Hydran201i型变压器油中气体在线监测装置进行跟踪监测，以减少离线油色谱跟踪试验次数，现数据趋于平稳。
其三，目前，我局在所有500 kV变电站加装油在线监测装置。在2010年我局生技部明确，对已安装油在线监测装置的变压器，且在在线监测装置正常的情况下，可取消迎峰度夏期间，对500 kV主变每月取油样进行实验室分析的预试计划，按正常油预试周期（每三个月一次）进行。这极大地减轻了我们试验人员工作量。
3油在线监测装置的发展前景
在当今“以人为本”的社会中，在线监测技术是未来发展的方向。变压器油中溶解气体在线监测技术弥补了实验室对绝缘油进行定期取样和分析的不足，它可以对设备实现连续监测，其检验周期可以达到数分钟一次，利于发现变压器内部早期故障的发生和演变过程，让潜伏性故障无所遁形。这样，既可以减少人工测量所需的工作量，又可减少故障漏报的风险和损失。目前在线监测技术虽然与实验室油中溶解气体分析技术相比仍有一些差距，设备缺陷故障维护方面动用的人力较多，但我们相信，在不久的将来，在线监测技术的不断成熟，它将取代人工定期取样化验分析，逐渐实现以在线监测为基础的状态检修，大大降低人力、物力。
参考文献：
供电监测 篇3
当前我国有很多煤矿企业井下的供电系统都采用的是人工值守的方式, 利用综合保护器进行就地操作, 而由于井下的工作面经常发生变动, 因而变电站需要频繁地移动, 这就导致井下中央变电所和采区变电所分布分散。并且, 由于井下工作条件恶劣, 井下众多的供电设备的运行都会受到一定的影响, 仅仅依靠人力来控制井下供电设备的运行不仅会给相关操作人员带来无法估量的危险, 再加上无法对危险进行及时的反馈, 因而在煤矿的生产过程中仍旧会出现诸多安全隐患。煤炭是我国工业的重要原料, 也是电力供应的最主要能源, 因此实现煤矿井下供电系统的综合自动化对于实现安全生产具有重要意义。
2 煤矿井下供电监控系统概述
井下供电设备的三大被动保护措施。
1) 过电流保护。供电设备中电流异常大的现象称为“过电流”, 当供电设备内通过的电流超过了其设计能够承受的最大电流的时候就会导致供电设备出现损坏。而对于煤矿井下来讲, 过电流所带来的热量很容易导致井下瓦斯的爆炸等安全事故, 因此必须对井下的供电设备进行过电流保护。
2) 漏电保护。漏电是电网经常容易出现的问题, 一般由于电网处在恶劣的环境之下, 导致电缆的绝缘层受到了损伤, 继而发生的漏电现象, 被称为集中性漏电。而整个电网线路的绝缘水平偏低, 从而导致整个线路都发生漏电的现象, 则称为分散性漏电。由此可见, 对井下供电设备进行漏电保护是非常重要的。
3) 保护接地。保护接地是将供电设备的外壳同大地相连接起来, 由此将异常的电流导入地下, 以达到对供电设备的保护的目的。
3 煤矿井下供电设备监测监控系统构成
3.1 地面监控主站硬件构成及功能
地面监控主站由数据服务器、通讯服务器、监控工作站三大部分构成。其具体结构如图1所示。
3.1.1 数据采集服务器
所谓的数据采集服务器是利用相关的硬件和软件系统, 实时采集井下供电设备运行的各种数据的关键设备。数据采集服务器能够定时自动采集数据, 根据操作者的要求实时采集数据, 控制对数据的停止采集或者不断采集、修改终端参数, 如各种报警限值、传感器量程等。
通过数据采集服务器的设定和应用, 能够及时监控井下供电设备的运行状态, 当井下供电设备的运行参数超过警戒值, 则自动停机或者提醒操作者。对于井下供电设备的任何异常情况都会记录在案, 以便于接下来的故障维修或者井下机械设备的定期维护工作。一般来说, 井下数据采集服务器是有多套的, 这样才能保证一个数据采集服务器出现问题, 整个系统还能够接着使用。数据采集服务器相当于人类的眼和耳, 能够自主收集各种信息, 为其他供电设备的稳定运行提供参考性的依据。
3.1.2 通讯服务器
在数据采集服务器收集了井下供电设备运行的相关参数之后, 需要利用通讯服务器来将手机的相关数据信息进行传递和处理。通讯服务器中所储存的数据都是经过提炼整理的, 这样就极大地减少了信息的冗余度, 避免没有用的信息占用过大的内存空间, 提高系统的运行的稳定性。用基于JAVA技术开发Web综合信息发布系统, 根据各子系统的数据组织成相应的Web页面发布信息, 从而将收集来的各种信息以良好的人机交互界面呈现出来, 更为直观, 同时也更为有效。
3.1.3 监控工作站 (PC操作员站)
监控工作站是整个煤矿井下供电设备监测监控系统的中心, 主要应该具备以下功能: (1) 实时显示整个井下供电工作设备的系统图, 以及所有供电设备工作的状态, 包括各种工作时参数的设定等。 (2) 报警功能, 由井下各种监测探头监测到的供电设备的运行状态如果超出了预设的警戒值, 如温度、电流、电压等过高, 则自动向监控工作站发出警报, 提醒工作人员注意, 报警功能中还有报警确认和报警启用或禁止等功能。 (3) 系统诊断功能。通过访问系统中保存的历史中的井下供电设备的运行数据, 确认井下设备运行是否稳定, 如果不稳定交由维护人员进行维护, 促使井下供电设备的维护工作由被动向主动转变。 (4) 在线帮助功能。整个系统中应该包含必要的操作指南, 从而让使用者在很短的时间内能了解系统的各项功能, 并且达到熟练运用的程度。
3.2 井下电力监测分站各模块及其功能
3.2.1 工业嵌入式通讯服务器
工业嵌入式通讯服务器是保证井下电力监测分站与地面控制中心主机实现良好地数据交换的保证。
3.2.2 监测主机
一套计算机系统, 采用双机备用模式, 通过RS485接口将井下当地PLC控制模块、综合保护器等数据进行采集、处理、传送, 将井下各供电设备的运行状态及参数实时传送到地面主站, 起桥梁的作用。
3.2.3 信息采集模块
科技的发展带来了数据采集仪器的更新。当前各种采集仪器的精度都非常高, 可以采集现场母线三相电压、电流、功率等随时间连续变化的模拟量, 高低压开关触点的合、分闸状态属于数字量, 设置两个通道, 分别通过光电隔离、滤波装置进行模拟量和数字量的采集和处理, 经过A/D转换器转换后, 存储在监测分站主机存储器, 并通过地面交换机将信息传送给地面监控主站。
以当前使用较为广泛的C2000 MDIA为通道隔离型智能模拟量数字量采集器, 8路电流型模拟量输入 (量程为-20 m A~20 m A) , 采用满量程通道隔离、全差分输入设计。2路数字量 (干接点) 输入, RS485接口光电隔离和电源隔离技术, 有效抑制闪电、雷击、ESD和共地干扰, 为系统集成商、工程商集成了标准的Modbus RTU协议。通过RS-485即可实现对远程模拟量和开/关设备的数据采集和控制。下层设备通常有接近开关、机械开关、按钮、光传感器、LED以及光电开关等数字量开关设备及PH、电导计、温度计、湿度计、压力计、流量计、启动器和阀门等模拟量设备。
3.2.4 综合保护器
综合保护器是保证井下所有机电设备安全的重要手段。综合保护器是集过载、过流、欠压、过压、欠流、短路、缺相、漏电、相位等综合功能于一身的新型控制保护开关电器。井下电力监测分站不仅要能够实时监测井下电力设备的正常运行与否, 还要在井下电力设备出现异常时及时予以保护。因此, 安装综合保护器尤为必要。
3.2.5 光端机
由于一般矿井的深度都有几百米, 信号由井下传输到地面时经过的距离较长, 因而信号的衰减就非常严重, 所以整个井下电力设备的监控系统都采用光纤传输方式来保证信号的质量, 同时提高信号传输的效率。整个信号传输线路采用光端机, 光端机由光收发机和供电电源组成。
4 结语
总而言之, 对于煤炭企业来说煤矿的安全生产是重中之重。一旦煤矿井下供电系统出现问题, 极易导致巨大的安全隐患, 甚至造成巨大的人员财产损失。因此, 要构建科学合理的井下供电设备监控监测系统。当前井下供电设备的保护措施基本上都是被动的保护措施, 为了保证安全生产, 要构建健全的井下供电设备监控监测系统来助动保护井下供电设备的正常运行。通过系统的构建来实时采集井下供电设备的运行情况, 及时对异常情况进行处理, 从而降低井下安全事故发生的隐患, 为企业创造更大的效益。
摘要：为了降低井下供电设备发生故障的几率, 探究了煤矿井下供电设备监测监控系统的构建。通过对煤矿井下供电设备监测监控系统的构建, 能够有效地从地面了解井下各供电设备的运行状态, 保证井下供电设备的有效运行, 降低安全隐患, 从而为煤矿的安全生产提供可靠的保障。
关键词：煤矿,井下,供电设备,监测监控系统
参考文献
[1]廖志伟, 曹培荣.煤矿井下供电设备监测监控系统研究[J].中国科技纵横, 2015 (6) :186.
[2]彭林.刍议煤矿井下供电系统的漏电原因及防治措施[J].中华民居, 2011 (9) :701-702.
[3]强建.煤矿井下低压供电系统漏电保护及分析[J].中国科技纵横, 2015 (2) :156.
电力监测系统在煤矿供电中的应用 篇4
近年来, 随着电力系统管理体制的深化改革, 变电站的无人值守、综合管理和安全管理是电网现代化的必由之路。远程视频/环境监控系统已逐步成为无人值班变电所新增的十分必要的自动化项目, 通过远程视频/环境监控系统, 安全值班人员、企业领导可以随时对电站的重点部位进行监控和监视, 以便能够实时、直接地了解和掌握各变电站的安全情况, 并及时对发生的情况做出反应。
为实现供电系统和设备的在线参数监测、远程操作控制、实时事故报警、数据统计分析、运行安全保护、用电计量管理;实现了“四遥操控”, 对故障监测预警、保护、定位, 上传故障数据和信息, 提供了快速解决手段, 也解决了煤矿供电系统越级跳闸、电压波动跳闸、漏电接地选线、突发大面积和长时间停电等困扰煤矿供电的运行难题, 我矿2008年按计划引进了KJ 357矿用电力监控系统。
2 系统总体结构
系统分为四个层次:设备层 (即高开综合保护层) 、变电层 (即变电所内的当地监控和自动化设备———井下测控分站) 、通讯平台层 (即变电所与地面间的公共通讯平台———光纤以太网平台) 、地面监控层。
设备层主要完成数据采集、计算、保护和控制执行, 并通过RS485总线接入变电所的测控分站中。测控分站一方面完成数据转发, 另一方面实现变电所综合选漏、录波存储、时钟同步和当地监控, 并通过光纤以太网, 完成与监控主站的通讯。通讯平台是由分站光端设备构成的光纤以太网或是专门的光纤以太网。监控主站是一套供电系统专业版组态系统, 可按照供电系统的规范, 对供电系统进行监测、控制、统计和分析。
一个变电所装设一台井下监控分站。变电所的高低压综合保护用双绞线接入变电所的测控分站, 监控分站直接接入现有环网, 以太网与地面监控主站通讯。
系统后台可以用OPC方式将数据传输到矿井综合自动化平台, 实现数据共享和网络发布。
3 实施方案
3.1 系统原理图 (图1)
井下各6k V变电所的高、低压开关通过RS485通讯线接入分站, 分站通过网线接入千兆环网, 监控中心服务器、监控主机通过环网读取各变电所的高、低压开关数据, 从而实现监测和控制。
3.2 系统连接
电力监控系统设备连接, 在井下泵房和变电所各安装一台监控通讯分站, 各变电所的监控摄像头通过网线或光缆 (根据现场传输距离情况决定) 连至电力监控分站, 由电力监控分站将电力监控数据和视频监控数据由网线连至环网交换机, 通过环网传至监控服务器和主机。
3.3 电力监控中心站的建立
在调度中心建立电力监控后台, 对地面35k V配电房和东地6k V配电房的开关柜进行数据监测和分、合闸控制, 井下16个变电所的高、低压开关进行远程监测、遥控、遥信、遥调和遥视。
3.4 地面配电房的接入需
将矿内地面35k V配电房和东地6k V配电房接入要建的电力监控系统实现配电室的监测、监控。
3.5 电力监控分站的建立
在井下共16个变电所中各安装一台电力监控分站。电力监控分站与变电所内的高、低压开关的综合保护器用RS485通讯方式进行联网, 实现变电所的就地监控、通讯转发等。电力监控分站就近接入变电所附近的千兆环网交换机, 通过已有的工业以太网与地面电力调度中心后台进行数据交换。
3.6 视频的建设
在井下变电所安装带云台隔爆摄像机, 并接入变电所的测控分站, 进行数据编码和压缩, 并通过以太网, 将视频传输到地面电力调度中心, 实现井下变电所的视频监视, 实现变电所的图像监视即遥视, 从而可以实现变电所的无人值班。
3.7 与综合自动化平台的连接
(1) 目前我矿已有千兆工业环网, 工业以太网共安装12台环网交换机, 地面4台工业环网交换机, 井下8台矿用防爆环网交换机。地面除了在机房安设两台核心交换机外, 还分别在35k V变电站和洗煤厂 (正在建设中) 各安装一台交换机。井下分别在8个变电所各安装一台防爆环网交换机。地面、井下通过单模光缆构成两个1000M高速光纤环网并实现冗余 (环网系统如图2所示) 。 (2) 现有综合自动化集成软件平台主要包括操作系统、数据库系统、组态平台及应用平台。操作系统选用Windows2003简体中文版, 数据库系统使用SQL2005简体中文版。组态平台作为整个系统组态开发平台, 采用HMI/SCADA自动化监控组态软件i FIX简体中文版作为组态平台。
综合自动化集成软件平台利用标准软件接口采集不同系统的数据信息, 进行集中处理、存储和发布, 以i FIX组态软件模拟生产过程, 将数据以图形及表格的方式动态表现出来, 并通过Web方式在网络上发布, 使信息资源有机整合到一起, 得到最大限度的利用, 便于企业领导及时掌握煤矿生产情况并做出合理决策。
综合自动化集成软件平台使用两台i FIX管控服务器, 一台运行, 另一台备用;还有两台数据库服务器负责对iFIX管控服务器收集的数据进行存储备份, 一主一备, 一台数据库服务器运行时如发生故障, 另一台自动投入运行, 确保对i FIX管控服务器所收集数据的正常存储。
电力监测系统通过OPC SERVER与全矿井综合自动化平台接口, 实现两者的无缝连接。
3.8 系统效益分析
(1) 使各变电站真正做到无人值班, 以综合性保护和控制增加了变电站整体安全和设备运行可靠性。 (2) 极大提高上级管理部门对下级操作部门、操作部门对所属变电站的监督和管理水平:a上级管理部门实时监督操作人员的工作状态和规范程度。b实时管理和监控变电站有关人员、物品进出等安全防护情况。c操作部门可实时监控变电站主要设备的运行状态。d优化相关操作、维护人员的派出和工作计划, 极大提高生产效率。e管理部门对变电站的突发事件能清晰看到、准确决策并在第一时间传达指令到现场。 (3) 降低变电站的日常维护成本, 每个变电站最少可节约两名值班人员人工成本。
4 结束语
该系统还可通过智能分析, 预告事故隐患, 预防突发电力事故, 具有应对突发安全事故时的电力预案程控操作功能, 可用于高效准确处置重大安全事故;系统的高精度计量监测、专业图表分析工具、录波分析工具和智能专家系统, 是加强供电管理、减少事故、降低损耗、节约电能、提高运行效率和管理水平的最新现代化工具, 运用系统网络远程操作控制和智能程控技术, 能实现煤矿供电系统和生产设备的全面自动化监控无人管理, 很值得推广。
参考文献
[1]高峰.煤矿电力监测监控系统的设计与开发[J].科技致富向导, 2013 (23) .
[2]王朝阳.矿用电力监测系统研制成功[J].河北煤炭, 1998-05-30.
供电监测 篇5
1 供电远程监测系统结构设计
煤矿供电远程监测监控系统是煤矿井下安全的控制指导核心, 它能够连接井下的每一个中心, 方便对井下的每一处地方进行控制, 并和井上的监控主机进行传送信息。通过对井下的相关供电数据进行收集, 向地面传送消息, 同时可以下达一些命令, 及时有效的向每个监控单元进行无误的传达。供电远程监测系统主要是由井上控制中心、数据交换中心以及井下监控三个部分组成。
煤矿的远程供电监控系统其主要的目标就是将井下和井上的数据传送到集体控制和调度中心, 以方便相关人员对矿井内部信息进行了解, 并做出综合的分析和调度, 从而在很大程度上保障矿井安全作业。
目前, 采用的主要就是智能化和新型的煤矿监测系统, 这样和传统的井下供电站的管理方式有所区别, 可以在地面上就可以实现实时监控, 从而在很大程度上保证井下供电安全。
2 煤矿供电远程监控系统的应用
2.1 井下监控站点
井下电力监控站是中心主站和电力监测的联系中心, 它是井下通讯的一个保护点, 通过将井下的供电状况及时有效地进行梳理和整合, 从而对井下的数据进行采集和分析, 实现和地面数据之间的装换。一般情况下, 如果井上集控中心有命令需要传达, 那么接受信息后也是需要将其进行完成。
井下监控站点一般会配置一些供电数据, 这些数据会和井上的数据相结合, 实现联动报警。当井下出现一些短路、漏电现象时, 井下监控站点就会及时采集信息, 并通过联动装置进行传达, 将数据传送到井上集控中心, 以加快井上相关人员及时发现问题进行处理。一把情况下, 它发出的报警信号主要是明灯和鸣笛。鸣笛时可能产生的问题较大, 需要重点进行检查和处理。
在处理的过程中, 首先要求井下进行处理。如果信号传递到井下, 经过一定的时间没有加以处理, 就会将此信号传送到井上控制中心, 交由他们来处理。
2.2 数据交换中心
数据交换中心核心部分主要是数据采集器, 利用数据采集器可以将矿井下的电力分布和使用情况传送到服务器中, 从而实现数据之间的备份, 并能够很好地对数据进行分析。数据交换中心的设置是井上和井下实现信息沟通的重要途径, 它有助于煤矿供电监测监控, 从而保证安全。
2.3 井上集控站
井上集控站主要由两部分组成, 分别是中心图像处理器和报警软件。中心图像处理器主要是用来接收现场的一些数据和信息, 其主要功能是将数据交换中心所反馈的信息进行监测和管理。在管理中, 只需要工作人员将电脑打开就可以看到煤矿的供电数据, 并且在电脑中会有备份资料, 通过一定的人员进行调取资料, 从而能够对故障地点进行维护和检修。
报警软件主要是在对数据分析过程中, 对一些故障要及时反馈出报警信号, 并通过相关的保安人员采取一定的措施, 进行井下开合闸, 通过在客户机端实现远程的分合闸, 从而可以减少短路、过载等现象, 从而对故障及时进行报警以确定位置的准确性。
3 煤矿供电远程监控系统的运行效果
3.1 提高安全保障能力
煤矿供电远程监测监控系统的设立, 为供电系统设备的运行提供了一些有效的监控手段, 能够确保供电远程监控系统全天对设备的运行状况进行监控, 在发生任何故障或者不良情况时, 会及时将结果反馈给数据控制中心。随着科技的不断进步, 信息反馈所采用的时间也在相应的不断缩短, 这在很大程度上会使煤矿用电得到很好的保障, 同时能够在很大程度上提高系统的安全保障能力, 从而促进煤矿事业的顺利发展。
3.2 提高设备的使用率
煤矿供电实现远程监控, 可以实时提取相关数据, 在对这些数据进行分析的基础上, 能够得到一系列的运行规律, 并在此基础上提出一系列的优化方案, 从而提高设备的使用效率。对供电远程进行监控, 能够实时掌握用电新动态, 从而合理的分配相关的数据资源, 在一定程度上得到合理的使用和划分, 加快提高设备的使用效率, 促进煤矿供电向着高效率的方向发展。
3.3 提高管理效益, 减少成本
供电远程监控设备投入使用后, 对人员的需求会减少。一般情况下, 只需要配备一定的监测人员就可以对整个变电站进行管理。传统的供电站中可能会需要40人进行值班, 而在实现了远程监控之后, 只需要15人进行安全巡查, 其他人员可以正常的休息, 这在很大程度上减少了人工使用的成本, 使得工作效率大大提高, 在其他的方面更有益于企业管理的效益。
4 结语
煤矿企业采用供电远程监测, 提高了矿井供电的安全性, 并使矿井的综合效益得到很大程度上的改善。煤矿远程监测系统比原先的系统更加功能齐全, 在运作中性能更加稳定。通过实时掌握矿井下面的信息, 并通过语音警报声进行预警, 在此基础上加快对故障的解决和处理, 以此来更好地实现矿井安全运营, 加快煤矿企业向着更好的方向发展。
参考文献
[1]杨洋.基于工业以太网与现场总线的煤矿井下供电监控系统设计[D].太原理工大学, 2015.
[2]张凯, 等.煤矿供电远程监测监控系统设计及应用[J].煤矿机械, 2012, 10:171-173.
[3]王旭波.煤矿井下供电监控系统的设计及应用[D].西安科技大学, 2013.
[4]王广.煤矿供电远程监测监控系统设计及应用[J].机电技术, 2010, 05:76-79.
供电监测 篇6
阴极保护对地下金属管网的稳定运行非常重要, 无论是输水、输油还是输气, 均需要采用外加电流或者牺牲阳极进行保护, 确保保护电位在全寿命期均符合设计要求。长期以来, 在管道建设中, 特别是西部和比较偏远地区, 在长距离输管道建设中, 沿线设置的阀室、阴极保护站和通信中继站, 几乎都是建在环境恶劣、人烟稀少的地区, 站间距离远, 又不便利用交流市电。太阳能供电的阴极保护无线监测系统实时监测金属管线的保护电位 (阴极对地电位) , 蓄电池的输出电压、输出电流, 所有数据通过GPRS模式上传到控制中心, 控制中心的PC机以图形化方式显示各状态参量, 为用户提供准确金属管线保护状态。
1 系统组成及总体设计方案
太阳能供电的阴极保护无线监测系统是为了严密监测地下管道腐蚀保护情况, 主要包括GPRS无线终端、太阳能供电、GPRS适配器、监控中心 (PC机) 组成等构成, 如图1所示。
采用太阳能供电, 解决了偏远地区供电困难的问题, GPRS无线终端实时监测阴极保护电压、蓄电池输出电压电流等, 通过GPRS无线设备将数据发送给控制中心, 控制中心PC机存储数据并分析, 同时提供客户端基于浏览器前台应用程序, 以便于用户查询阴极保护电位、阴极保护电源电压、阴极保护电源电流、蓄电池的输出电压, 输出电流变化, 出现异常情况及时发出声光报警, 实现自动化管理;用户可以通过应用程序提供的列表和图形方式, 可以直观的观察到电位变化的情况, 极大的方便了用户对阴极保护设备运行状态的掌握, 也便于数据的积累和管理, 避免人员的更换导致工作的不延续。GPRS无线终端实时监测金属管道的阴极电压、蓄电池输出电压及输出电流, 根据GPRS无线终端的功能, 设计时采用如图2所示总体设计方案。
太阳能电池板将太阳能转化为电能;蓄电池用来存储太阳能电池板转换的电能, 保证夜间或阴天没有阳光时正常供电。
智能充电电路的作用是使太阳能电池板输出电压随着光线、环境的变化而变化, 电压低时进行自动升压, 电压过高时自动降压, 对蓄电池的充电电压维持在适宜的范围之内。
信号输入电路主要对阴极对地电压、阴极保护电源的电压电流、蓄电池输出电压电流等电参数匹配处理, 提供适合MSP430单片机内部A/D转换器的电信号。
MSP430F149单片机的作用是将信号处理电路输送的电信号进行A/D转换, 并进行数据分析、处理、保存。
GPRS模块作用就是将MSP430单片机处理后阴极对地电压、阴极保护电源的电流电压、蓄电池输出电流电压上传到控制中心。
2 阴极保护硬件设计
2.1 太阳能电池板的选择
由于在长输管道建设中, 沿线的一些阀室、阴极保护站和通信中继站大多建在环境恶劣、人烟稀少的地区, 不便利用交流市电, 监测设备的电源成为一大问题。本次研制的阴极保护监测系统的无线终端采用太阳能供电, 解决了荒漠丘陵等偏远地区电源少或没有电源的问题, 增大了无线监测系统的应用范围。根据系统功能, 无线终端总耗电量小于10W, 因此, 选择了一块30cm×25cm的太阳能电池板作为太阳能采集模块, 并对该太阳能电池板的开路电压和短路电流进行测量 (冬天测量) , 其测量数据如图表1所示。
2.2 蓄电池学则及其特性测量
因为太阳能电池板输出的电压电流等会随着阳光的强弱变化而变化, 具有不稳定性, 而且在夜间或阴天没有阳光后就不能产生电能, 不能用太阳能电池板直接给系统供电, 需要选择蓄电池将太阳能电池板转换的电能存储起来, 然后利用蓄电池给系统供电, 这样能够保证系统的稳定和连续工作。结合太阳能电池板供电量和整个系统的耗电量统计, 选择额定电压为12V, 容量为1.2AH的铅酸蓄电池, 循环充电电压 (快速充电电压) 为14.5~14.9V, 补充充电电压为13.5~13.8V, 充电电流小于0.36A。
通常情况下, 太阳能电池板提供的电压要超过蓄电池额定电压的130%, 蓄电池在被充满时电压达到其额定电压的120%。若进行放电, 在其电压下降到其额定电压的80%时就应停止放电。表2是对蓄电池充电实验数据, 表3是对蓄电池放电实验数据表。
在此次放电试验中, 使用的是输出电压为16V的充电电路为蓄电池充电, 由于随着时间的推移蓄电池电量不断增加, 实验中发现蓄电池电压在其额定电压附近充电时电压上升较慢, 当高于额定电压后电压上升地越来越慢, 当低于额定电压充电时时电压会上升较快。
在此次放电试验中, 使用的负载是两个串联、功率为20W的陶瓷电阻, 由于随着时间的推移负载不断消耗蓄电池的电能, 实验中发现蓄电池电压在其额定电压附近放电时, 电压下降地较慢, 当低于额定电压时电压会急剧下降。这2组数据是设计充、放电电路基础, 对设计充、放电电路起指导作用。
2.3 智能充电电路模块设计
一般情况下, 蓄电池的充放电时间, 按10小时充放电率为宜。用太阳能电池给蓄电池充电时, 太阳能电池的电压要超过蓄电池的工作电压15%~20%, 才能保证给蓄电池正常充电[1]。本设计中采用的蓄电池的额定电压为12V, 设置的充电电压为16V。智能充电电路由恒压限流充电电路组成。
图3为恒压电路, 该电路可满足光照较弱条件下, 最大限度输出。恒压电路先由LM2576降压, 以适应太阳能电池较宽的波动范围, LM2577将稳定的电压提升到充电电压幅值, 稳定输出16V直流电压。
图4为限流充电电路, 由60N06及8050构成, 通过调节电位器Rp1, 改变充电电流的大小, 蓄电池充满后自动进入浮充状态, 以补充自损耗。
2.4 单片机选择及最小系统设计
在阴极保护无线监测终端的设计中, 单片机是其核心部件, 它接收来自调理电路的模拟量信号, 通过A/D转换器得到数字量, 供CPU对数据进行分析、处理, 实现实时监测阴极保护电压以及实现控制充电电路。
降低系统功耗也是开发系统的一项重要技术指标, 美国德州仪器公司最新低功耗技术MSP430F149单片机, 它是一种新型的混合信号处理器, 将大量的外围模块集成到片内, 内部集成了12位的A/D转换器, 综合考虑系统的实际需求, 采用了MSP430F149单片机.
2.5 信号输入 (检测) 电路设计
信号输入 (检测) 电路主要对阴极对地电压、阴极保护电源电流电压、蓄电池输出电流电压等等电参数进行检测处理。由TL084构成信号放大电路, 经过这样的信号检测电路, 均输出电压信号, 阴极保护电源和蓄电池充放电管理采用相同的测量电路。
2.6 GPR S模块选择
在选择GPRS数据通信时要注意是否需要内嵌TCP/IP协议, 一般是GPRS模块+SIM卡+电源变换+RS232接口及简单的控制电路组成, 甚至对于自带协议的型号, 采用数据信号“直通”模式, 综合考虑, 选择SIM900A模块。采用GPRS无线方式, 系统流量费用目前有包月制和按数据量两种收费方式, 按流量计算0.03元/K[2], 而包月制20元/月有1024k Bytes流量, 可满足采集系统的实际数据量, 具有产品生产成本低、运行费用低的优点。
3 装置的软件设计
3.1 主程序设计
无线终端主程序对串口初始化, 并循环检测数据, 监视蓄电池电压, 即循环启动AD转换, 监视串口, 随时接受来至GPRS模块的管理机命令。
3.2 数据采集子程序设计
数据采集子程序主要驱动MSP内部的A/D转换器的INCH0、INCH1、INCH2、INCH3、INCH4进行A/D转换, 通过中断服务程序读取转换得到数据, 将数据存入指定内存单元。
3.3 数据发送子程序设计
数据发送子程序, 当串口收到数据之后, 触发串口中断, 中断后首先判别命令是否全部接收完毕, 并判断是不是本机命令, 如果是本机命令, 将要发送的数据进行格式化处理, 并连续发出, 具体流程如图5所示。
4 结论
利用GPRS制作的无线监测系统相较于有线通信方式, 该方案不需要铺设昂贵的电缆、光缆、单此一项就可以省下一笔较大的投资, 而且不需要通信电缆的保护, 防盗问题。相对于巡逻车载计算机抄数据方式, 该方案无需巡逻车, 可以节省大量费用, 而该方案日常运行时, 不需要每天驾车到各监测点进行巡逻, 只需每天通过几条短信息传输数据, 因此可省下昂贵的汽车燃油、维护费用、人力和时间, 具有广阔的市场应用前景, 带来较大的经济效益和经济效益。
参考文献
[1]刘冬, 吕俊良.HFC网系统中一种新的供电方式[J].科技资讯, 2006.
供电监测 篇7
繁昌位于安徽省东南部,地处沿江平原与丘陵交错地带,居民居住较为分散。繁昌用电量以大工业用电为主,随着人民群众收入水平的提高,居民用电的规模也在大幅增加。
10千伏架空依然是居民及小型企业供电主体,随着用户对供电质量要求不断提高,要求10千伏配网能够不断提高供电的可靠性。繁昌县域10千伏电网分布范围广、结构复杂,线路故障判断难度大。现有故障判断及查找的方法较为原始,不仅耗费时间长,而且停电范围广。如果不能及时确认故障位置,将对配网的可靠运行和用户正常供电造成影响。严峻的形势迫切要求我们必须采取合适方法及时发现故障,并在最短时间内恢复供电。
二、项目研究内容
2.1项目研究解决的关键问题和主要思路
在10千伏线路上,及时准确地判断故障发生点一直困扰电力工作者的一大难题。目前,国内10千伏架空线路故障检测系统偏重于指示器阈值范围的判断,功能单一,数据应用水平不高。如果能够构建一套故障定位检测网络来高效地查找和处理,就可以有效提高配网接地故障处理的效率,缩短故障查找时间,提高供电企业的经济和社会效益。
2.2工程概况
为提高生产管理水平,打造生产管理的科技平台,加强对大用户和10千伏配网的动态监控,繁昌供电公司提出了构建“输配电线路故障在线监测网络”的概念。
繁昌输配电线路故障在线监测网络于2010年研制成功并投入试运行,主要用于10千伏等小电流接地系统的各种故障检测和运行监测,包括短路故障、单相接地故障的准确检测与定位、线路失压、负荷测量等,在故障发生后几秒钟内即可准确指示出故障类型、故障时间、故障区段以及故障参数,同时短信平台还可将故障信息以短信方式发给相关人员。生产人员能够通过WEB浏览器监控实时数据传输,并及时获知故障点的准确位置以及故障类型。
2.3工程内容
1)一期在5条10千伏线路共20个点上安装线路故障检测仪,并试运行。后期逐步扩大到安装28条线路共150个点。
2)根据安装密度,在线路分支点配置无线传输装置,及时将信号传输到数据中心进行数据分析。
3)安装数据接收设备,将接收到的信号传送到主站服务器上进行数据处理。
2.4预期目标
实现对10千伏架空线路的不间断监控,及时发现并上报故障点位置和类型。
主要实现以下目标:
1)实现对10千伏架空线路的24小时监控。
2)及时准确地发现故障点位置以及故障类型。
3)通过SMS信息以及软件系统及时向值班人员反馈出故障点的准确位置以及故障类型。
4)故障现场采用灯光预警指示出故障区域,提示抢修人员故障现场具体位置。
5)通过减少查找故障点的时间来提高工作效率从而提高供电可靠率。
三、项目执行情况
从2010年开始,繁昌公司逐步对部分的10千伏架空线路进行故障指示设备的安装,并建立完善了计算机监测系统和网络。多年来,网络运行稳定、故障判断准确、定位及时确切、告警提示全面。
四、应用效果分析
繁昌输配电线路故障在线监测网络投入运行后,实现了对10千伏供电线路的实时数据采集和故障监测;通过对各电网的数据监测,结合GIS(电网地理信息系统)确定线路各负荷点的分布,有助于低压配网的合理规划。
输配电线路故障在线监测网络的建成使用,能帮助生产人员快速找到故障点,并及时排除故障,在最短的时间内恢复电网正常运行,减少用户的经济损失,也减轻检修人员的劳动强度,保证了供电的安全性和可靠性。一条10千伏线路发生接地故障,原先一般每次都要动用3至4人,少则两三个小时、多则一天才能排查出故障点。采用该监测网络后,人员在数分钟即可到达故障点。
五、结论
繁昌输配电线路故障在线监测网络实现了10千伏线路实时电网数据的实时采集、监测和分析。检测网络对提高繁昌电网科技含量和现代化水平,提高电网的安全运行水平和供电可靠性起到了极大的推动作用。
参考文献
[1]姚昌模,张占龙.输电线路运行故障分析与在线检测.重庆电力高等专科学校学报.2011.01
供电监测 篇8
森林环境是人类自然环境中生物环境的重要组成部分, 是地球生物圈中的重要成分, 也是地球陆地生态系统的主体。森林环境具有的生态效能包括涵养水源、保持水土、防止土地沙化、防止土壤退化等。此外,森林不仅是人类的重要环境条件, 也是人类可利用的再生资源, 它对人类有着重要的经济价值。同时森林对CO2的影响, 可使温室效应减缓, 对防止地球气候变暖能起一定的遏制作用。因此, 做好森林环境监测工作对于人类社会与环境的协调发展和课持续发展有着极为重要的意义。
森林监测节点具有大空间范围分布的特点, 无法用物理连线为传感器节点提供电源。因此, 持续、稳定可靠的电源来源是大范围分布无线传感网络面临的一大技术挑战。基于森林环境太阳能丰富的事实, 本文提出基于反激变换电路拓扑将太阳能能量转化为电能为无线传感器节点提供能量。
同时, 基于太阳能供电情况, 设计了基于CC2430+STM32+GPRS的森林环境无线监测系统。通过安装在森林中的无线传感器节点, 实时采集温湿度及二氧化碳浓度等关键参数, 以多跳方式将数据包及时发送至网关控制中心。然后, 通过GPRS网络将数据发送到工作人员手机和监控中心, 对森林环境进行实时有效监测。
2 基于反激变换电路拓扑的太阳能量管理系统
本文利用非连续电流模式(DCM) 下的定导通时间反激变换器(flyback) 实现电源与负载动态阻抗匹配,既能完成太阳能最大功率点追踪(MPPT), 又能在没有备份电池的前提下有效解决冷启动问题。
本文所设计的太阳能量管理系统如图1 所示, 该系统采用反激变换电路拓扑, 实现输入电压的升降变化。线性稳压器1 和振荡器用来实现系统的启动。无线传感网络中充当节点的低功耗的无线单片机CC2430 作为整个系统的控制器, 可以实现太阳能的MPPT算法。
反激变换器的电路结构如图2 所示, 升降压变换器可以应对大范围的输入电压, 非连续电流模式下的反激变换器充当一个无损耗的电阻, 可以有效地降低系统功耗, 提高能量转换效率。为了实现MPPT算法, 控制器可以通过感知Rsense的电流计算出流向反激变换器的平均能量, 这种方式既降低了电路的复杂性又简化了MPPT算法, 达到了降低功耗的目的。控制器的动态功耗与自身的时钟频率成正比, 这是该系统的主要功耗来源。相比于定频率工作模式, 定导通时间工作模式要求更小的时钟频率, 所以为了降低系统功耗, 反激变换器采用定导通时间的工作模式。
在定导通时间工作模式下, 控制器按照如下步骤实现MPPT算法: 控制器在反激变换器导通时间的中间点电感电流, 并计算出平均利用的能量。如果输入的平均能量增加, 反激变换器的切换周期会按照预定的阶段减小, 反之, 切换周期会增加。爬山法会在最佳切换时间周围继续进行。因为环境条件比如温度、光照强度等变化的速度比处理器的速度要慢, 为降低功耗,MPPT算法会周期性的执行。本系统实验条件下, 控制器以8 兆赫兹的频率执行20 毫秒的MPPT算法, 然后以1 兆赫兹的频率进行2 秒的休眠。数据显示, 在执行MPPT算法期间消耗了780 毫瓦的能量, 休眠期间消耗了330 微瓦的能量, 控制器消耗的平均能量为408 微瓦。
系统的启动: 为了降低阻抗匹配机制并且不改变反激变换器的输入阻抗, 控制器由反激变换器的输出电压经稳压器后直接供电, 这就引起了起始阶段由于储存在DC总线中的能量几乎为零而导致的冷启动问题。为解决冷启动问题, 本系统采用直接由太阳能供电的低功耗振荡器, 产生起始阶段驱动反激变换器的脉冲信号,使反激变换器正常工作。本系统采用两个电压比较器和二选一多路复用器, 动态比较两组电压大小, 当太阳能电池板输出电压和反激变换器输出电压都大于阈值电压时, 系统选择控制器取或者代振荡器产生脉冲信号并进行动态的阻抗匹配, 实现MPPT算法。控制器与振荡器工作条件下不同输入电压所对应的系统功率输出如图3所示(MCU表示控制器,OSC表示振荡器)。
3 基于锂离子电池和超级电容器的混合储能系统
锂离子电池与超级电容器这两种储能器件各具优势。对比超级电容器, 锂离子电池的充放电倍率较低,为0.2C~1C。锂离子电池在充/ 放电倍率和循环寿命上与超级电容器无法比拟, 但是锂离子电池的能量密度却远远大于超级电容器的能量密度。如果将锂离子电池与超级电容器混合使用, 可以减小锂离子电池的输出电流, 降低内部损耗, 延长放电时间。由于减少了锂离子电池的输出电流和充放电次数, 因此可以延缓失效进程。混合储能系统具有很好的负载适应能力, 能够提高供电的可靠性, 缩小储能系统的体积, 减小重量。总之, 超级电容器和锂离子电池混合使用, 可以扬长避短, 优势互补, 形成高容量、高功率、长寿命的混合储能系统,将扩展锂离子电池和超级电容器的应用空间。
太阳能存储系统结构框图如图4 所示, 本系统采用两个双向的升降压DC-DC变换器将DC-BUS分别同锂离子电池和超级电容器并行连接, 实现能量的双向流动控制。由于DC总线的电压为3.3V, 典型超级电容器的最大电压为2.5V, 锂离子电池的标称电压为4.2V,所以DC总线可直接与传感器节点为其供电。当电流由DC总线流向超级电容器时, 变换器工作在降压模式,反之变换器工作在升压模式。当太阳光照较强时, 多余的能量存储在超级电容器内, 当超级电容器的电压达到1.9V时, 太阳能提供恒定电流为锂离子电池充电, 直到超级电容器和锂电池充满电为止。当太阳能不足时,首先超级电容器放电至DC总线。当超级电容器电压下降到0.8V时, 锂离子电池开始放电至DC总线。实验证明, 该能量存储系统可以稳定高效地完成能量流向和流量控制, 可以保证传感器节点在森林环境下连续工作。
4 系统的组成与原理
Zigbee网络主要有星形网和网状网2 种拓扑。在各种无线传感网络中, 基本的星状网络是一个单挑(single-hop) 系统, 星状拓扑结构简单, 整体功耗最低,但是节点与几站间传输距离有限, 通常ISM频段的传输距离为10-30 米。与星状拓扑相比, 网状拓扑系统是多跳( 即多次中继) 系统, 传输距离比星状网远得多, 但是功耗较大。一般情况下, 森林地区环境恶劣, 植被茂密, 天气多变, 这些不利因素会缩短传感器节点的有效通信距离, 导致数据丢失。为了提高无线传感网络的鲁棒性, 避免数据丢失, 系统采用星状—簇首—路由拓扑结构。该拓扑结构综合了星形网和网状网的优点, 能够有效提高网络的可靠性与稳定性。
在无线传感网络中, 传感器终端节点随机部署在森林内, 配置有低成本、低功耗的微处理器, 可采集森林温湿度和二氧化碳等环境监测参数。若干个相邻的终端节点构成一个称为簇的自组织网络, 簇中的传感器节点又分为簇首和普通节点。簇首主要用于数据的转发及融合。普通节点只能与簇首通信, 即把采集到的数据跳转至本簇的簇首。汇聚节点( 协调器) 主要负责网络的建立, 以及网络的相关配置。最终汇聚节点将监测到的数据转发到网关控制中心, 经过数据打包, 再由网关通过GPRS网络将数据发送到工作人员手机和监控中心。一般情况下, 监控中心对接收到的数据进行处理分析, 并提供数据查询和管理等功能。紧急情况下, 工作人员收到短信提醒后会立即启动响应, 能有效避免火灾等各类自然灾害的发生。无线监测系统整体示意图如图5 所示。
5 系统硬件设计
5.1 终端节点硬件设计
监测终端节点主要由传感器模块、无线通信模块和电源模块组成, 如下图6 所示。
数据采集模块主要由温湿度传感器和二氧化碳浓度浓度传感器以及A/D转换器组成, 负责采集森林环境温湿度及二氧化碳浓度等参数, 并且完成数据的A/D转换。数据处理模块负责处理、存储采集的数据。无线通信模块与簇内其他节点和簇首节点交换信息, 保存和转发相关数据。
传感器节点选用TI公司生产的CC2430 作为核心器件。CC2430 整合了业界领先的2.4GHz IEEE802.15.4/Zigbee RF收发机CC2420 以及工业标准的增强型8051MCU的卓越性能, 还包括了8KB的SRAM、大容量闪存以及许多其他的强大特性。CC2430采用低电压(2.0V - 3.6 V) 供电, 在接收机传输模式下的电流损耗分别为27m A及25m A。CC2430 的睡眠模式及其工作模式间的激活转换时间极短, 约为15ms。这些特性使得CC2430 适合于能量有限但又要求长期连续工作的森林环境监测。而电源模块采用前面介绍的的反激变换器进行太阳能量管理, 并通过太阳能量存储系统对节点进行供电。
温度传感器(AD590) 是美国ANALOG DEVICES公司生产的。它采用I2C总线的数字输出接口, 适用于150° C以下、传统电气温度传感器的任何温度检测应用。湿度传感器采用HS1101, 二氧化碳浓度传感器采用MG811, 光照传感器采用PGM5526。
5.2 网关控制中心硬件设计
网关控制中心如图7 所示, 由汇聚节点、STM32 控制器和GPRS通信模块组成。汇聚节点与STM32 芯片通过串口RS232 通信。
汇聚节点与终端节点硬件结构相同, 在此就不再做介绍。控制中心我们采用ARM公司推出的STM32F103系列增强型MCU。该MCU使用了ARM最新的、先进架构的Cortex-M3 内核, 该内核具有3 段流水线,可在单周期内完成32 位乘法等优点。STM32 采用低电压(2.0V—3.6V), 同时具有带唤醒功能的低功耗模式。在以72MHz的全速运行时, 处理器仅消耗27m A的电流; 待机状态时, 典型的耗电值下降到2µA。
GPRS通信模块我们采用的是SIMCOM公司的SIM900A模块。比起传统的SIM300CZ模块具有更加低功耗设计, 睡眠模式下的电流消耗仅为1.0m A。且内部集成了TCP/IP协议栈, 包含了功能强大的AT指令集, 便于用户开发使用。
6 系统软件设计
由于森林这一特定环境, 致使本监测系统各节点的能量消耗严重不均匀。越接近监测中心的节点数据传输量大, 导致其寿命短, 最终导致整个网络不能正常工作。为了降低功耗, 系统采用休眠—唤醒—休眠的工作方式。无线传感器网络中的节点并不是一直处于工作状态, 传感器节点通过时钟芯片PCF8563 间隔固定时间定时唤醒进行各个参数的采集并存储, 采集设定次数之后, 汇聚节点进行节点点名, 接收各个传感器节点的数据并通过其串口上传至网关控制器STM32,STM32 将接收的数据打包后利用AT指令控制GPRS模块将数据发动到工作人员手机和监控中心。
6.1 网关控制中心软件设计
网关控制中心由汇聚节点和GPRS通信模块组成。汇聚节点实现两方面功能: 一方面建立网络, 接收各个节点数据; 另一方面将数据存储后等待中断, 通过串口将其传输到STM32 中, 通过GPRS通信模块将数据发送到监测中心和工作人员手机。
汇聚节点工作流程如图8 所示。汇聚节点上电后,首先网络层通知物理层进行信道扫描, 寻找空闲信道建立新网络, 同时为新网络选择一个唯一的PAN标识符, 并为自己选择一个16bit的MAC短地址( 一般为0x0000), 当有终端节点加入网络时, 汇聚节点给它分配一个唯一的网络地址, 如此完成建立网络的过程。启动网络后启动任务循环, 以中断的形式接收来自串口的控制命令和无线传感器节点的数据并进行相关处理。其处理的工作主要包括在接收时去掉冗余和丢弃多余数据帧。然后调用函数Uart TX_Send_String() 将处理好的数据通过UART0 发送到网关控制器STM32。STM32处理器将数据打包并通过向GPRS模块写入AT指令将数据发送出去。
6.2 终端节点软件设计
终端节点主要负责采集并向汇聚节点传输温湿度和二氧化碳浓度等数据。为了达到高效节能的目的, 传感器节点平时处于最低功耗的运行模式PM3, 此时稳压器供电的所有内部电路都关闭, 只有通过上电复位和外部中断才能唤醒设备, 使它返回活动模式。本文利用时钟芯片PCF8563 的RTC定时器为传感器节点提供外部中断信号。终端节点工作流程图如图9 所示。
节点上电后, 首先进行初始化并加载PCF8563,然后寻找路由加入网络。加入网络成功后设备NWK层将其父节点相关信息保存在关联表中。加入网络成功后, 判断计数器n的值。若n小于30, 则调用函数send Data() 将采集到的参数结合时间打包发送, 若发送未成功, 在下次启动时重新加入网络; 若发送成功后执行n+1 操作, 进入PM3 休眠模式。若计数器n=30, 则重新初始化, 重新加入网络。工作正常恢复后调用函数send Data(), 采集相关参数并发送, 然后加载PCF8563并清除中断标志等, 最后使传感器节点重新进入PM3休眠模式等待下一次唤醒。
7 实验测试及分析
由于森林环境比较复杂, 野外森林条件恶劣。无线信号传输距离收到一定限制。针对该情况, 在南京钟山景区某森林做了小规模测试。
实验使用了10 个终端节点与2 个汇聚节点共12 个节点做测试。数据采集周期为每10 秒采1 次; 唤醒通信周期为1 分钟中的前15 秒, 其余时间节点处于PM3休眠模式。
该部分对系统的可行性进行整体测试。首先分别将汇聚节点无线通信模块和传感器模块的.hex文件烧入,打开监控中心上位机端的GPRS远程监测管理软件, 并设置好本地IP地址、端口号等, 将汇聚节点和STM32控制的GPRS模块用RS232 连接起来, 并打开GPRS模块和无线通信模块, 然后将12 个传感器节点打开,进行测试。测试结果如下图10 所示。
经过系统整体测试, 虽然节点都采用了功率放大芯片来增加无线射频的通信距离, 但由于森林环境的各种干扰, 节点的现场最大单跳稳定通信距离只有大约60m, 数据传输成功率则可达到95% 以上, 满足森林环境监测指标; 同时, 经过连续一周实验后, 通过10 个终端节点的锂离子电池电量剩余量显示, 该太阳能供电方案能够有效增加Zigbee无线传感网络的寿命。
8 结束语
本文介绍的基于太阳能供电的森林环境监测系统,是通过无线传感网络数据采集节点获取所需的温湿度及二氧化碳浓度等参数, 利用汇聚节点把这些参数整合后, 通过GPRS无线通信的方式将数据经由移动基站和Internet网络送至工作人员手机和远程监控中心。经测试, 天气晴好状况下, 该系统的前端太阳能供电部分能够持续为传感器节点供电。整个监测系统能够实时监测森林环境温湿度等参数, 并能通过检测二氧化碳浓度实现火灾预警, 具有很好的实用性。
参考文献
[1]孙利民,李建中,陈渝等.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005,10.
[2]S.P.BEEBY,M.J.TUDOR,and N.M.WHITE,“Energy harvesting vibrationsources for microsystems applications,”Meas.Sci.Technol[J],2006,(17):175–195,.
[3]张单群,李斌.基于ARM的无线传感器网络网关设计[J].国外电子测量技术.2010,29(5):60-62.
[4]H.J.PARK,Y.W.PARK and H.W.CHOI.Development of Inverse Magnetostrictive Actuator.IEEE Transactions on Magnetics,2008,44(11):123-125.
[5]汪小燕,王峻峰,何岭松.基于能量采集技术的无线传感网络研究进展[J].微计算机信息(测控自动化)2006(22):23-25
[6]汤文亮,曾祥元,曹义亲.基于Zig Bee无线传感器网络的森林火灾监测系统[J].实验室研究与探索,2010,29(6):49-53.
[7]S.SAGGINI,P.MATTAVELLI,Power management in multi-source multi-load energy harvesting systems[J],European Conference on Power Electronics and Applications,EPE2009,8-10Sept.2009,2(2):1–10.
[8]唐文尧.基于Zig Bee的无线数据采集系统设计与实现[D].成都:西南交通大学,2006.
[9]崔岩,黄宏生,李大勇.太阳能光伏系统最大功率跟踪器的研究[J].哈尔滨理工大学学报,2005,10(6):7-9.
[10]李成法,陈贵海,叶懋,吴杰.一种基于非均匀分簇的无线传感器网络路由协议[J].计算机学报,2007,30(1):28-36.