基于物联网的智能分布式直流操作电源系统

2015-03-22陈琪琅范新权何用辉

现代建筑电气 2015年3期

关键词：蓄电池直流分布式

陈琪琅, 范新权, 何用辉

(1.福建省电力有限公司泉州电业局, 福建泉州 362000; 2.福建省瑞盛电力科技有限公司, 福建福州 350003; 3.福建信息职业技术学院, 福建福州 350003)

基于物联网的智能分布式直流操作电源系统

陈琪琅1, 范新权2, 何用辉3

(1.福建省电力有限公司泉州电业局, 福建泉州 362000; 2.福建省瑞盛电力科技有限公司, 福建福州 350003; 3.福建信息职业技术学院, 福建福州 350003)

为了适应信息化建设和智能电网的需要,介绍了一种基于GPRS的智能分布式直流操作电源系统。阐述了电源系统的总体结构和功能,重点分析了电源系统主要模块的技术实现方法和特点。最后,介绍了电源系统远程监控软件的组成和主要功能。指出智能分布式直流操作电源系统能有效降低成本,提高维护效率,并降低供电风险,具有很好的经济、社会效益。

物联网; GPRS模块; 分布式直流操作电源; AC/DC模块

0 引言

直流操作电源是电力系统的重要设备,作为智能电网自动化配网设备和变电站等场合的自动控制、保护、开关分/合等的重要电源,其性能和质量的好坏直接关系到电网的稳定运行和设备安全[1]。直流操作电源现在主要以直流屏的集中式供电为主,但一旦电源系统失效,会造成大范围的故障,危险性高。对于电源可靠性和稳定性要求较高的电力系统,分布式供电直流操作电源是设备供电电源的发展方向。

由于操作电源应用场合特殊性和电力系统设备分布广泛,造成有线网络化工程庞大、联网困难、成本高和维护不便等缺陷,对其信息采集不能及时有效。因此,随着信息化建设和智能电网的需要,基于物联网的智能分布式直流操作电源向远程信息化、智能化的方向发展。

1 系统总体结构及功能

本文设计了一种集嵌入式计算机、高效电源变换、蓄电池智能管理和基于GPRS的物联网等技术于一体的智能分布式直流电力操作电源系统,有效解决效率低、维护难度大、运行风险高等问题,为智能电网自动化配网设备等提供高性价比电源。

直流操作电源系统结构如图1所示,主要由嵌入式控制系统、高效电源变换系统、智能蓄电池管理系统、无线通信系统以及现场监控系统等五大部分组成。

该电源各组成部分的功能如下:

(1) 嵌入式控制系统基于高速的ARM核心控制处理平台,在嵌入式控制中高效实现特定算法,进行精确的数据分析与处理,协调整个电源系统的智能控制运行,主要实现对高频开关电源变换电路、蓄电池智能管理电路、无线通信和现场监控部件的控制,实现整机的智能控制与管理。

(2) 高效电源变换系统可自动依据负荷情况调整供电模式,实现交流电源或蓄电池供电的高效变换处理,以输出可靠的不间断操作电源。

图1 直流操作电源系统结构

(3) 蓄电池智能管理系统用于后备蓄电池的智能充电管理,通过实时在线监测系统软件实时在线监测蓄电池的电压、内阻及温度等信息,来判断其运行状态。

(4) 无线通信系统主要应用基于GPRS无线通信技术实现电源系统的远程物联管理,将操作电源设备联入智能电网综合配电自动化系统,将实时信息共享利用,实现远程智能化和互动化的功能目标。电源系统与服务器数据传输过程如图2所示。

图2 电源系统与服务器数据传输过程

(5) 现场监控系统通过友好的人机界面,实现对系统中输出电压、电流、蓄电池内阻、端电压、温度等各种重要参数的现场实时监控[2]。

2 系统主要模块技术实现

系统功能模块如图3所示。基于嵌入式控制器的系统监控模块是操作电源的处理核心,协调控制其他模块有序、稳定工作,高效实现系统算法,完成对系统监测、保护、设置和通信等任务。AC/DC模块把电网的交流电转换成一定规格的直流电;DC/DC模块则是把AC/DC输出的直流电或蓄电池输出电源转换成满足负载要求的各种规格直流电源;电池充电和在线监测模块实现对电池进行智能充电和蓄电池的工作状态监测;GPRS无线通信模块用于电源系统的无线物联网连接,实现远程监控,满足智能电网的要求。

图3 系统功能模块

2.1 AC/DC模块电路的设计

考虑到电源系统的输出功率、效率和可靠性,AC/DC电路采用有源功率因数矫正和双软开关电路。

(1) 前端采用有源功率因数校正电路[3]。其校正方法是在输入端加入1个高频电感、1个二极管、1个高频开关管以及相应的控制器,组成升压变换器。控制器通过采集交流输入的电压信号和电流信号,控制开关管的开通与关断,从而使输入电流波形始终跟随输入电压波形,使高频开关电源模块的功率因数达到0.99以上,谐波失真小于5%。

(2) 软开关技术解决硬开关变换器中的硬开关损耗、容性开通、感性关断及二极管反向恢复等问题,而且还能解决硬开关引起的电磁干扰等问题。在电路设计上采用了无损耗缓冲技术和谐振技术组合而成的新型软开关技术,该技术能有效解决通用的软开关技术在电路中由于并联或串联谐振网络而产生的谐振损耗及电路受到固有影响的问题。

2.2 DC/DC稳压电路的设计

为确保电网失电处于电池供电模式时,DC/DC模块能够为负载提供稳定可靠的电源,并且提高系统冗余能力,DC/DC模块采用两个模块并联供电。为使两个模块输出均流,采用基于最大电流法的均流控制策略。基于系统中蓄电池充放电时电池端电压的差异,如24 V的蓄电池电压为21～36 V,DC/DC模块输入电压范围较宽,当采用动态特性较好的电流型控制芯片(如UC2843)时,需要增加斜率补偿电路。基于UC2843芯片的补偿电路如图4所示。图4中,在斜率补偿控制环路设计调试时,需要兼顾系统的稳定性和动态特性。

图4 基于UC2843芯片的补偿电路

2.3 蓄电池在线监测的设计

蓄电池在线监测主要在线实时监测蓄电池的端电压、电池温度,并定期测试蓄电池内阻。采用精密的采样电路对蓄电池的端电压进行A/D变换,实现精确的电压检测。电池温度采用高稳定、低温漂的传感器进行采集。蓄电池内阻采用瞬间放电法测试,由电池产生瞬间负载电流,然后测出电池极柱上电压的瞬间变化,通过负载接通时的瞬间电压降和断开负载时的瞬间电压恢复,可以推导出相应的内阻。

A/D采样技术取得电压变化曲线后,通过ARM进行快速软件滤波,并分析取得变化的特征点,然后推导出内阻值。

2.4 GPRS通信应用设计

在系统中嵌入GPRS模块,将采集的数据以短信的方式发送到监控终端,监控终端也以短信方式实现对该系统的实时监控和管理。GPRS模块应用设计如图5所示。系统中各项参数经采集模块采集后送入MCU处理,再通过MCU串口将处理后的数据发送给GPRS通信模块。数据按照GPRS通信协议由GPRS模块发送到GSM基站,再由GSM基站发送到另一个GPRS终端[4]。

图5 GPRS模块应用设计

由于GSM网络无静态IP地址,故其他通信设备不能向它提出建立连接请求。监控终端必须拥有一个固定的IP,以便监测终端可以在登录GSM网络后通过该IP找到监控终端,用户只需向电信申请相应的服务。在监控终端安装监控软件,用户通过该软件实现远程自动控制。

3 系统远程监控软件开发

为了实现物联网下所有联网直流操作电源的实时监控与管理,采用VB语言开发设计了一套基于PC机的智能分布式直流电源在线监测系统软件,通过后台数据库可方便实现与智能电网管理系统连接[5]。该软件主要由安全登录界面、分组监控界面及故障报警界面等组成,主要实现对现场各电源运行数据进行实时分组监测与管理,并提供给工作人员一个良好的人机交互界面,可远程实时巡检现场的运行状况,并快速查找故障及分析故障原因。

在分组监控界面中主要实现对所选组别电源现场数据的直观图形化显示。图形化监控界面如图6所示,主要由站点信息分组区和状态信息区组成。站点信息分组区对各站点的控制显示,状态信息区用于显示各个站点的状态信息,具体显示信息包括操作电源的输出电压、输出电流、蓄电池的内阻、端电压以及温度等数据。数据列表监控界面如图7所示。

图6 图形化监控界面

图7 数据列表监控界面

为了保证整个电源系统的可靠运行,软件还设计了相关报警等功能界面。当某项监测数据超出报警设定的限值时,在报警界面上显示相关报警信息,方便工作人员对现场系统的故障检查及系统的维护。另外,该软件系统还设计了实时报告,生成固定的历史记录,工作人员可实时查询相应时间段中电源运行的状况。

4 结语

智能分布式直流操作电源符合智能电网的建设发展要求,可更好地替代现有的配网直流电源设备,为各种智能配网终端、智能化设备、微机保护等提供更加可靠、高效的直流操作电源,确保重要生产领域的供电安全,已广泛应用于环网柜、开闭所等场合。

[1] 廖革文.电力系统直流操作电源的发展趋势[J].电工技术杂志,2003(5):1-4.

[2] 于仲安,韩笑天.电力直流操作电源监控模块设计[J].低压电器,2009(1):55-58.

[3] 孙宝文.电力操作电源主电路参数设计[J].电子设计应用,2006(6):116-118.

[4] 林梅金,罗飞,李如雄.GPRS网络的远程监控系统[J].计算机工程,2006,32(3):240-247.

[5] 张艳莉,费万民.直流操作电源综合监控系统 [J].华东电力,2001(5):35-37.

Intelligent Distributed Direct Current Operation Power Supply System Based on Internet of Things

CHEN Qilang1, FAN Xinquan2, HE Yonghui3

(1.Quanzhou Power Supply Bureau of Fujian Electric Power Co., Ltd., Quanzhou 362000, China; 2.Fujian Razens Electric Power Science and Technology Co., Ltd., Fuzhou 350003, China; 3.Fujian Polytechnic of Information Technology, Fuzhou 350003, China)

In order to meet the need of information construction and intelligent electric grid,an intelligent distributed direct current operation power supply system based on GPRS was described.Based on describing the overall structure and function of the power system,the technical implementation methods and characteristics of the main module of the power system were explained.Finally,the configuration and main features of the system’s remote monitoring software were introduced.The power system can effectively reduce costs,improve maintenance efficiency,and reduce supply risk,and therefore it has good economic and social benefits.

Internet of Things; GPRS module; distributed direct current operation power supply; AC/DC module