基于局部頻率約束的智慧熱網運行安全自動監管系統設計

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、結構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有發生，給城市建設帶來了嚴重影響，同時威脅智慧熱網供熱系統的安全運行，增加了供熱能耗。為了適應社會的發展，我國供熱行業已由傳統供熱向信息化、智能化以及網絡化方向發展，智慧熱網逐步成熟。以能量存儲裝置、熱交換站以及熱媒為主體，運用先進的網絡技術、大數據技術、供暖網絡以及熱源等技術，形成了智能熱網系統。智能熱網系統具有控制、監測、計量以及綜合自動調節等功能，可確保系統安全穩定運行。熱控系統可以完成數據采集、管理、診斷以及分析等功能。智慧熱網通過信息傳感層、數據傳輸層以及人工智能數據挖掘層的嵌入式信息化改造和升級，進一步實現了供暖行業的自動化、智能化以及信息化。但是，傳統系統由于設備、技術以及系統等方面的滯后，使得我國現有的供熱管網系統在實際運行中還存在著諸多問題和矛盾，為此設計了一個基于局部頻率約束的智慧熱網運行安全自動監管系統，可有效實現監測的實時性能。

1 智慧熱網運行安全自動監管系統硬件部分

1.1 主控芯片設計

目前，常用的單片機系列有51單片機、TM32單片機、AVR單片機以及PIC單片機等。常規51單片機應用廣泛，生產歷史長，但運行速度慢，防護能力差。智慧熱網功能需要向外擴展，因此增加了軟硬件的負擔。根據本課題的設計要求，選用STM32系列單片機作為主控制器芯片進行電力采集。STM32單片機具有性能強、實時性好、成本低、功耗低以及電壓低的優勢[1]。AVR單片機具有高性能、快速以及低功耗的特點，但是不需要對位操作。PIC單片機功能全、型號多、抗干擾能力強以及兼容性好，但是其寄存器分布在4個地址，編程比較困難。在應用層面上，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限系列處理器[2]。從產業、應用環境、成本以及性能等方面進行考慮，選取ARMCortex-M3主流ARM32F103系列單片機作為用電信息采集的主控制器芯片。

1.2 計量芯片設計

計量芯片為三相計量芯片，功能齊全且精度高，可測量三相電壓、三相電流、剩余電流、有功功率以及無功功率等電網參數，最大測量誤差不超過1%，并具有計量耗電的功能，可編程實現電壓相序誤差檢測、欠壓指示、欠壓閾值設置、過壓檢測以及過流檢測等功能[3]。采用3.3 V電源供電的計量芯片，其內置基準電壓，具有高速串口通信，處于從屬模式工作運行狀態，最大傳輸速率為3.5 Mb/s。通過讀寫串口，實現了主控制器芯片STM32的三相電壓、電流、有功功率以及剩余電流的讀寫，可以用很多方法校準芯片收集的數據，包括電壓、電流、功率增益、有功、無功以及有效失調校準等。

1.3 通信芯片設計

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導致電感采集量的偏差，因此有必要校正采集數據。上位機通過RS-485串口與采集器通信，讀寫采集器電量信息，實現了電量的標定和GPRS模塊配置參數的寫入。選用德州儀器半導體技術有限公司的SN65HVD72系列RS-485總線通信芯片，該芯片內部的差分驅動程序與差分接收器連接，差分驅動程序為差分輸出，接收器為差分輸入，可以實現半雙工模式的數據通信[4]。通信芯片由3～3.6 V功率驅動，傳輸速度可達250 kb/s。為滿足工業應用的要求，采用小型封膜機封裝通信芯片[5]。

設計RS-485通信電路，并通過RS-485串口與上位機進行通信，實現了電子參數的初始化校準和GPRS參數的配置。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收發器，通過設置RS-485通信串口進行半雙工模式數據通信，實現了TTL級信號轉換成差分接口信號形式進行通信的目的。

1.4 存儲芯片設計

存儲芯片是一種串行閃存的裝置，可用于存儲聲音和文本數據等。工作運行狀態下，它的工作電壓為2.7～3.6 V、工作電流為4 mA，而睡眠狀態下的工作電流可以達到1 μA以下。存儲芯片包含65 536個可編程的頁面，每頁256 B，每次可以寫到256 B。存儲芯片有4 096個可清除的扇區、256個可擦除塊、16頁4 kB扇區、128頁32 kB塊以及256頁64 kB塊，整個芯片都可以一次擦除，支持高速串口通信的存儲芯片接口，引腳功能如表1所示。

表1 存儲芯片引腳功能

2 智慧熱網運行安全自動監管系統軟件部分

系統軟件部分主要采用局部頻率約束分析方法觀測系統中的熱網信號。局部頻率約束分析方法描述的智能熱網特征不依賴于每個數據點的瞬時值，而是在參考該數據點的局域鄰近值基礎上引入局部頻率約束的整體正則化，以保證局部頻率的穩定和可靠。

智慧熱網運行安全自動監管方式由最初的廣泛性監管逐漸轉變為定向監管。早期的監管系統監管時做出連環性的識別和響應，工作人員利用發出的報警信號來抑制后期的監管。網絡的不斷發展使監管系統不斷進步，從單一的網絡監管防御系統變為連環性的網絡監管防御系統。自動監管系統具有數據識別、數據武器化、數據保護屏障、數據程序安裝以及執行命令信息5個步驟。為了能更快地進行數據識別，需要不斷提升安全自動監管系統，使其保持敏銳的反應，對信息漏洞做出及時的報告。因此，需要設計智能熱網運行安全自動監管系統軟件部分。分析軟件部分數據的異常行為時，需要在數據層采集安全自動監管系統的數據，通過智能熱網傳輸通道傳輸到業務層的中央處理器中對數據進行預處理，對整理后的數據進行分類并存儲至數據資料庫，然后分析存儲后的數據得到相關的分析結果。

3 實驗分析

為驗證基于局部頻率約束的智慧熱網運行安全自動監管系統的有效性，下面將進行實驗分析。實驗以某智慧熱網為對象，設置正常運行狀態，開關為聯絡開關，網絡形態呈現輻射狀。為了保證實驗的嚴謹性，將傳統的智慧熱網運行安全自動監管系統與此次研究的系統的實時性進行對比，結果如表2所示。分析表2可知，基于局部頻率約束的智慧熱網運行安全自動監管系統能夠在故障發生后短時間內發現故障情況，而傳統的系統在故障發生后很長一段時間才能發現故障，證明基于局部頻率約束的智慧熱網運行安全自動監管系統更加優越。

表2 故障監測實時性對比

4 結 論

智慧熱網運行安全自動監管系統主要以能量儲存裝置、熱交換站以及熱媒為基礎，利用先進的計算機技術、大數據技術、供熱網絡技術以及熱源技術等技術，形成了新型的供熱網絡系統。本文設計了一個智慧熱網運行安全自動監管系統，并通過實驗驗證了設計的系統的有效性。智能化熱網系統具有控制、監測、計量以及綜合自動調節等功能，保證了系統的安全穩定運行。智慧熱網運行安全自動監管系統能夠實現數據采集、數據管理、數據診斷以及數據分析，具備重要的應用價值。