基于局部频率约束的智慧热网运行安全自动监管系统设计

甄丽靖

（宁夏华电供热有限公司，宁夏 银川 750000）

0 引 言

由管道腐蚀、受力、结构破坏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时有发生，给城市建设带来了严重影响，同时威胁智慧热网供热系统的安全运行，增加了供热能耗。为了适应社会的发展，我国供热行业已由传统供热向信息化、智能化以及网络化方向发展，智慧热网逐步成熟。以能量存储装置、热交换站以及热媒为主体，运用先进的网络技术、大数据技术、供暖网络以及热源等技术，形成了智能热网系统。智能热网系统具有控制、监测、计量以及综合自动调节等功能，可确保系统安全稳定运行。热控系统可以完成数据采集、管理、诊断以及分析等功能。智慧热网通过信息传感层、数据传输层以及人工智能数据挖掘层的嵌入式信息化改造和升级，进一步实现了供暖行业的自动化、智能化以及信息化。但是，传统系统由于设备、技术以及系统等方面的滞后，使得我国现有的供热管网系统在实际运行中还存在着诸多问题和矛盾，为此设计了一个基于局部频率约束的智慧热网运行安全自动监管系统，可有效实现监测的实时性能。

1 智慧热网运行安全自动监管系统硬件部分

1.1 主控芯片设计

目前，常用的单片机系列有51单片机、TM32单片机、AVR单片机以及PIC单片机等。常规51单片机应用广泛，生产历史长，但运行速度慢，防护能力差。智慧热网功能需要向外扩展，因此增加了软硬件的负担。根据本课题的设计要求，选用STM32系列单片机作为主控制器芯片进行电力采集。STM32单片机具有性能强、实时性好、成本低、功耗低以及电压低的优势[1]。AVR单片机具有高性能、快速以及低功耗的特点，但是不需要对位操作。PIC单片机功能全、型号多、抗干扰能力强以及兼容性好，但是其寄存器分布在4个地址，编程比较困难。在应用层面上，它可分为高性能微处理器、主流微处理器、超低功耗微处理器以及无限系列处理器[2]。从产业、应用环境、成本以及性能等方面进行考虑，选取ARMCortex-M3主流ARM32F103系列单片机作为用电信息采集的主控制器芯片。

1.2 计量芯片设计

计量芯片为三相计量芯片，功能齐全且精度高，可测量三相电压、三相电流、剩余电流、有功功率以及无功功率等电网参数，最大测量误差不超过1%，并具有计量耗电的功能，可编程实现电压相序误差检测、欠压指示、欠压阈值设置、过压检测以及过流检测等功能[3]。采用3.3 V电源供电的计量芯片，其内置基准电压，具有高速串口通信，处于从属模式工作运行状态，最大传输速率为3.5 Mb/s。通过读写串口，实现了主控制器芯片STM32的三相电压、电流、有功功率以及剩余电流的读写，可以用很多方法校准芯片收集的数据，包括电压、电流、功率增益、有功、无功以及有效失调校准等。

1.3 通信芯片设计

电感采集器硬件中焊接部件的精度误差和电流互感器的精度误差都会导致电感采集量的偏差，因此有必要校正采集数据。上位机通过RS-485串口与采集器通信，读写采集器电量信息，实现了电量的标定和GPRS模块配置参数的写入。选用德州仪器半导体技术有限公司的SN65HVD72系列RS-485总线通信芯片，该芯片内部的差分驱动程序与差分接收器连接，差分驱动程序为差分输出，接收器为差分输入，可以实现半双工模式的数据通信[4]。通信芯片由3～3.6 V功率驱动，传输速度可达250 kb/s。为满足工业应用的要求，采用小型封膜机封装通信芯片[5]。

设计RS-485通信电路，并通过RS-485串口与上位机进行通信，实现了电子参数的初始化校准和GPRS参数的配置。采用RS-485接口作为RS-485通信串口，采用SN65HVD72作为RS-485接口的低功耗差分信号收发器，通过设置RS-485通信串口进行半双工模式数据通信，实现了TTL级信号转换成差分接口信号形式进行通信的目的。

1.4 存储芯片设计

存储芯片是一种串行闪存的装置，可用于存储声音和文本数据等。工作运行状态下，它的工作电压为2.7～3.6 V、工作电流为4 mA，而睡眠状态下的工作电流可以达到1 μA以下。存储芯片包含65 536个可编程的页面，每页256 B，每次可以写到256 B。存储芯片有4 096个可清除的扇区、256个可擦除块、16页4 kB扇区、128页32 kB块以及256页64 kB块，整个芯片都可以一次擦除，支持高速串口通信的存储芯片接口，引脚功能如表1所示。

表1 存储芯片引脚功能

2 智慧热网运行安全自动监管系统软件部分

系统软件部分主要采用局部频率约束分析方法观测系统中的热网信号。局部频率约束分析方法描述的智能热网特征不依赖于每个数据点的瞬时值，而是在参考该数据点的局域邻近值基础上引入局部频率约束的整体正则化，以保证局部频率的稳定和可靠。

智慧热网运行安全自动监管方式由最初的广泛性监管逐渐转变为定向监管。早期的监管系统监管时做出连环性的识别和响应，工作人员利用发出的报警信号来抑制后期的监管。网络的不断发展使监管系统不断进步，从单一的网络监管防御系统变为连环性的网络监管防御系统。自动监管系统具有数据识别、数据武器化、数据保护屏障、数据程序安装以及执行命令信息5个步骤。为了能更快地进行数据识别，需要不断提升安全自动监管系统，使其保持敏锐的反应，对信息漏洞做出及时的报告。因此，需要设计智能热网运行安全自动监管系统软件部分。分析软件部分数据的异常行为时，需要在数据层采集安全自动监管系统的数据，通过智能热网传输通道传输到业务层的中央处理器中对数据进行预处理，对整理后的数据进行分类并存储至数据资料库，然后分析存储后的数据得到相关的分析结果。

3 实验分析

为验证基于局部频率约束的智慧热网运行安全自动监管系统的有效性，下面将进行实验分析。实验以某智慧热网为对象，设置正常运行状态，开关为联络开关，网络形态呈现辐射状。为了保证实验的严谨性，将传统的智慧热网运行安全自动监管系统与此次研究的系统的实时性进行对比，结果如表2所示。分析表2可知，基于局部频率约束的智慧热网运行安全自动监管系统能够在故障发生后短时间内发现故障情况，而传统的系统在故障发生后很长一段时间才能发现故障，证明基于局部频率约束的智慧热网运行安全自动监管系统更加优越。

表2 故障监测实时性对比

4 结 论

智慧热网运行安全自动监管系统主要以能量储存装置、热交换站以及热媒为基础，利用先进的计算机技术、大数据技术、供热网络技术以及热源技术等技术，形成了新型的供热网络系统。本文设计了一个智慧热网运行安全自动监管系统，并通过实验验证了设计的系统的有效性。智能化热网系统具有控制、监测、计量以及综合自动调节等功能，保证了系统的安全稳定运行。智慧热网运行安全自动监管系统能够实现数据采集、数据管理、数据诊断以及数据分析，具备重要的应用价值。