企业电力网络智能化监控系统设计

郎福成，杨华松

（1.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006；2.国家电网公司高电压强电流实验室，辽宁 沈阳110006；3.煤科集团沈阳研究院有限公司,辽宁 抚顺 113122）

0 引言

随着我国工业产值的不断增长，对电力的消耗和依赖也在不断上升。近年来，在电力需求的快速增长大环境下，全国范围内用电形势面临的问题十分严峻，电力供应持续偏紧。电力一般通过煤炭、天然气、石油等自然资源转换而来，而不断开发此类非可能生资源自然资源对于环境的破坏是毁灭性的，由此产生的空气污染、水质损坏、土壤流失等环境污染问题是不可估量[1-2]。风能、太阳能和生物质能的提出在一定程度上缓解了资源紧张和环境污染的问题，但新型资源的发展受到技术水平的限制，目前仍处于小规模应用阶段，不能缓解经济高速增长带来能源紧张和电力供应偏紧的问题。因此，在现有资源基础上进行科学研究和有效管理，能够缓解电力需求增加造成的能源紧张问题，同时也为可再生能源的重新恢复和已污染环境的自我调节争取宝贵的时间。

工业用电在电能消耗中占有重大比例，据中国电力企业联合会统计：2014年，第一产业用电量994亿千瓦时，占全社会用电量比重为1.80%；第二产业用电量4.07万亿千瓦时，占比为73.60%；第三产业用电量6660亿千瓦时，占比为12.06%。从电力消费结构上看，第二产业即制造业、采矿业、电力、燃气及水生产和供应业等传统工业行业对于电能的消费比例最高。智能灯具、智能电机等节能型设备的发展在一定程度上改变了电能浪费和滥用的现象，但不同设备之间缺乏联系，工业企业对于不同设备的管理需要分开进行，缺乏对整个工厂设备的统一监控和综合管理[3]。

1 监控系统设计

企业电力网络智能化监控系统是安装在工厂中的一套智能化监控设备，系统主要包括数据采集装置、智能显示终端、用户手机、用电设备、电网服务器，如图1所示。企业电力网络智能化监控系统中数据采集装置对运输设备、生产设备、照明灯具、办公设备等用电设备的用电数据进行采集和处理，并与智能显示终端之间通过无线网络进行通讯[4-5]。智能显示终端接收数据采集装置发送的关于用电设备运行状态数据，对用电情况进行实时监控和优化，完成用电综合管理。用户手机与智能显示终端之间通过GSM网络进行通讯，实现对用电情况的移动式远程监控和管理。智能显示终端还能可以通过工业以太网与电网服务器进行通讯，为用电公司为工厂制定合理的供电方案提供数据基础。数据存储设备用于对工厂用电数据进行存储，方便后续对数据进行综合分析时快速调用。

图1 企业电力网络智能化监控系统结构简图

企业电力网络智能化监控系统具有远程监控和本地监控两种工作方式，用户可以根据需要选择合适的方案。本地监控以智能显示终端为核心，智能显示终端通过无线网络与数据采集装置进行数据通讯，数据采集装置对用电设备的数据进行采集和处理，完成对用电情况的本地监控功能，同时智能显示终端可以对用电设备的工作状态进行控制，实现用电情况的管理。远程监控以智能显示终端没媒介通过用户手机实现，用户手机通过GSM网络与智能显示终端相连接，智能显示终端将本地监控数据发送给用户手机，同时接受用户手机的控制指令，完成远程监控和管理功能。

2 智能显示终端

智能显示终端为企业电力网络智能化监控系统的核心部件，通过PIC单片机对数据采集装置的信号进行运算处理，在显示磨矿上显示用电设备运行状态，同时具有对用电设备合理控制和数据多通道通讯功能。智能显示终端组成图图2所示，主要包括单片机、GSM模块、显示模块、、时钟模块、编程模块、复位模块、无线通讯模块、电源模块、操作模块等[6]。其中，主芯片选择用Microchip公司的PIC32MX460F512L单片机作为微处理器，最高处理频率可以达到80Mhz，工作电压范围广（2.3V-3.6V），GPIO资源比较丰富，支持多种功耗管理模式。显示模块采用彩色液晶屏，屏幕分辨率为320×240，总线型为256色，背光电流大约为140 mA，可以通过软件实现调节8种不同的亮度调节。电源模块采用锂电池和开关电源两种方式集中供电，备用电池为3.6 V的锂电池。操作模块为外接电阻式触摸屏，实现外界指令的可视化输入。

2.1 GSM模块

根据监控系统单片机与用户手机之间通讯实时性和安全性的需求，对比各类无线通讯模块的技术参数和主要性能，选择西门子公司生产的TV35i无线通讯模块作为GSM模块[7]。TV35i芯片属于西门子公司生产的经典型GSM模块，工作电压为3.3 V-3.5 V，工作频率分为900 MHz和1800 MHz两种，功耗为2 W、1 W，具有省电模式、IDLE模式和TALK模式三种工作模式，采用40脚ZIF连接器将指令数据线、电源和语音控制信号线集中连接。TV35i芯片内部集成闪存存储器、供电模块、射频模块、基带处理器、天线接口和ZIF连接器六个组成部分，其功能图如图3所示。

图2 智能显示终端组成图

图3 TC35i功能框图

2.2 无线通讯模块

无线通讯模块是实现数据采集装置与智能显示终端之间数据传输的载体，通过建立的无线通讯网络将智能显示终端通过数据采集装置发送控制指令，实现智能显示终端对工厂用电设备的控制与管理。在常用几种通信技术中，ZigBee无线通讯技术在成本、可操作性和安全性能方面具有较大优势，适合于智能工业用电网络无线传感器监控系统数据通讯需求[8]。ZigBee无线通讯技术为近距离通讯技术，一般数据传输距离为10m-100m，具有数据加密功能，能够组成星型网络、串行网络和网型网络。选用美国TI公司的CC2530无线模块，CC2530芯片协议简单，具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能、可编程的输出功率高达4.5 dBm、只需极少的外接元件，奇外围电路如图4所示。

图3 CC2530 外围电路图

2.3 操作模块

操作模块指令输入采用物理按键和触摸屏两种方式进行操作，触摸屏相比于物理按键具有操作简单、安全性好、坚固耐用等优点，为数字化设备的发展提供新的动力[9]。按照工作原理不同，触摸屏可以分为电阻式触摸屏、电容式触摸屏、表面声波式触摸屏和红外式触摸屏四类，其性能对比如表1所示。

表1 触摸屏性能对比

通过表1所示，在四种触摸屏中电阻式触摸屏的性价比远远高于其他三种触摸屏，同时也能够满足企业电力网络智能化监控系统稳定性、抗干扰能力和实时性的需求，所以选在电阻式触摸屏作为外界指令输入模块。电阻式触摸屏具有五层结构，底层和顶层为光滑玻璃结构，用于稳固和保护屏体。中间层为具有隔离功能的玻璃珠，用于将第二层和第四层阻性涂料的导电涂层隔离，保证只有在按下情况下第二层和第四层才能够接触，从而产生变化的接触电压（经过引出线引出）。触摸屏控制器采集变化电压信号，经过数字化处理后判断触摸点的具体位置，识别不同的外界指令。

3 结论

企业电力网络是整个供电网络的重要组成部分，其智能化水平直接关系到智能化电网技术的发展[10]。企业电力网络智能化监控系统能够对企业运输设备、生产设备、照明灯具、办公设备等用电设备的用电数据进行采集和处理，利用智能显示终端和用户手机对用电情况进行双重管理，同时通过工业以太网与电网服务器进行通讯，为用电公司为工厂制定合理的供电方案提供数据基础。

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