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(shí)有發(fā)生，給城市建設(shè)帶來(lái)了嚴(yán)重影響，同時(shí)威脅智慧熱網(wǎng)供熱系統(tǒng)的安全運(yùn)行，增加了供熱能耗。為了適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)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(chǔ)裝置、熱交換站以及熱媒為主體，運(yùn)用先進(jìn)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(cè)、計(jì)量以及綜合自動(dòng)調(diào)節(jié)等功能，可確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)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(guò)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?jí)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了供暖行業(yè)的自動(dòng)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(guó)現(xiàn)有的供熱管網(wǎng)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中還存在著諸多問(wèn)題和矛盾，為此設(shè)計(jì)了一個(gè)基于局部頻率約束的智慧熱網(wǎng)運(yùn)行安全自動(dòng)監(jiān)管系統(tǒng)，可有效實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性能。

1 智慧熱網(wǎng)運(yùn)行安全自動(dòng)監(jiān)管系統(tǒng)硬件部分

1.1 主控芯片設(shè)計(jì)

目前，常用的單片機(jī)系列有51單片機(jī)、TM32單片機(jī)、AVR單片機(jī)以及PIC單片機(jī)等。常規(guī)51單片機(jī)應(yīng)用廣泛，生產(chǎn)歷史長(zhǎng)，但運(yùn)行速度慢，防護(hù)能力差。智慧熱網(wǎng)功能需要向外擴(kuò)展，因此增加了軟硬件的負(fù)擔(dān)。根據(jù)本課題的設(shè)計(jì)要求，選用STM32系列單片機(jī)作為主控制器芯片進(jìn)行電力采集。STM32單片機(jī)具有性能強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好、成本低、功耗低以及電壓低的優(yōu)勢(shì)[1]。AVR單片機(jī)具有高性能、快速以及低功耗的特點(diǎn)，但是不需要對(duì)位操作。PIC單片機(jī)功能全、型號(hào)多、抗干擾能力強(qiáng)以及兼容性好，但是其寄存器分布在4個(gè)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(wú)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(jìn)行考慮，選取ARMCortex-M3主流ARM32F103系列單片機(jī)作為用電信息采集的主控制器芯片。

1.2 計(jì)量芯片設(shè)計(jì)

計(jì)量芯片為三相計(jì)量芯片，功能齊全且精度高，可測(cè)量三相電壓、三相電流、剩余電流、有功功率以及無(wú)功功率等電網(wǎng)參數(shù)，最大測(cè)量誤差不超過(guò)1%，并具有計(jì)量耗電的功能，可編程實(shí)現(xiàn)電壓相序誤差檢測(cè)、欠壓指示、欠壓閾值設(shè)置、過(guò)壓檢測(cè)以及過(guò)流檢測(cè)等功能[3]。采用3.3 V電源供電的計(jì)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(yùn)行狀態(tài)，最大傳輸速率為3.5 Mb/s。通過(guò)讀寫(xiě)串口，實(shí)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(xiě)，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(wú)功以及有效失調(diào)校準(zhǔn)等。

1.3 通信芯片設(shè)計(jì)

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(huì)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(jī)通過(guò)RS-485串口與采集器通信，讀寫(xiě)采集器電量信息，實(shí)現(xiàn)了電量的標(biāo)定和GPRS模塊配置參數(shù)的寫(xiě)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(dòng)程序與差分接收器連接，差分驅(qū)動(dòng)程序?yàn)椴罘州敵?，接收器為差分輸入，可以?shí)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(dòng)，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(jī)封裝通信芯片[5]。

設(shè)計(jì)RS-485通信電路，并通過(guò)RS-485串口與上位機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)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(hào)收發(fā)器，通過(guò)設(shè)置RS-485通信串口進(jìn)行半雙工模式數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)了TTL級(jí)信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分接口信號(hào)形式進(jìn)行通信的目的。

1.4 存儲(chǔ)芯片設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)芯片是一種串行閃存的裝置，可用于存儲(chǔ)聲音和文本數(shù)據(jù)等。工作運(yùn)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(chǔ)芯片包含65 536個(gè)可編程的頁(yè)面，每頁(yè)256 B，每次可以寫(xiě)到256 B。存儲(chǔ)芯片有4 096個(gè)可清除的扇區(qū)、256個(gè)可擦除塊、16頁(yè)4 kB扇區(qū)、128頁(yè)32 kB塊以及256頁(yè)64 kB塊，整個(gè)芯片都可以一次擦除，支持高速串口通信的存儲(chǔ)芯片接口，引腳功能如表1所示。

表1 存儲(chǔ)芯片引腳功能

2 智慧熱網(wǎng)運(yùn)行安全自動(dòng)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(cè)系統(tǒng)中的熱網(wǎng)信號(hào)。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(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的瞬時(shí)值，而是在參考該數(shù)據(jù)點(diǎn)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(yùn)行安全自動(dòng)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(shí)做出連環(huán)性的識(shí)別和響應(yīng)，工作人員利用發(fā)出的報(bào)警信號(hào)來(lái)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(jìn)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(dòng)監(jiān)管系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)識(shí)別、數(shù)據(jù)武器化、數(shù)據(jù)保護(hù)屏障、數(shù)據(jù)程序安裝以及執(zhí)行命令信息5個(gè)步驟。為了能更快地進(jìn)行數(shù)據(jù)識(shí)別，需要不斷提升安全自動(dòng)監(jiān)管系統(tǒng)，使其保持敏銳的反應(yīng)，對(duì)信息漏洞做出及時(shí)的報(bào)告。因此，需要設(shè)計(jì)智能熱網(wǎng)運(yùn)行安全自動(dòng)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(shí)，需要在數(shù)據(jù)層采集安全自動(dòng)監(jiān)管系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，通過(guò)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)整理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類并存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)資料庫(kù)，然后分析存儲(chǔ)后的數(shù)據(jù)得到相關(guān)的分析結(jié)果。

3 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證基于局部頻率約束的智慧熱網(wǎng)運(yùn)行安全自動(dòng)監(jiān)管系統(tǒng)的有效性，下面將進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)以某智慧熱網(wǎng)為對(duì)象，設(shè)置正常運(yùn)行狀態(tài)，開(kāi)關(guān)為聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，網(wǎng)絡(luò)形態(tài)呈現(xiàn)輻射狀。為了保證實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性，將傳統(tǒng)的智慧熱網(wǎng)運(yùn)行安全自動(dòng)監(jiān)管系統(tǒng)與此次研究的系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性進(jìn)行對(duì)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(yùn)行安全自動(dòng)監(jiān)管系統(tǒng)能夠在故障發(fā)生后短時(shí)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(zhǎng)一段時(shí)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(yùn)行安全自動(dòng)監(jiān)管系統(tǒng)更加優(yōu)越。

表2 故障監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性對(duì)比

4 結(jié) 論

智慧熱網(wǎng)運(yùn)行安全自動(dòng)監(jiān)管系統(tǒng)主要以能量?jī)?chǔ)存裝置、熱交換站以及熱媒為基礎(chǔ)，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)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(jì)了一個(gè)智慧熱網(wǎng)運(yùn)行安全自動(dòng)監(jiān)管系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的有效性。智能化熱網(wǎng)系統(tǒng)具有控制、監(jiān)測(cè)、計(jì)量以及綜合自動(dòng)調(diào)節(jié)等功能，保證了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。智慧熱網(wǎng)運(yùn)行安全自動(dòng)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(jià)值。