杜亮, 王健, 馬來(lái)·對(duì)山拜, 徐靜

(新疆信息產(chǎn)業(yè)有限責(zé)任公司, 新疆 烏魯木齊 830013)

0 引言

我國(guó)早期將“智能電網(wǎng)”作為云計(jì)算的主體，極大地促進(jìn)了我國(guó)云計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展，增強(qiáng)我國(guó)的綜合實(shí)力[1]?，F(xiàn)如今，國(guó)內(nèi)不少企業(yè)也在應(yīng)用智能電網(wǎng)技術(shù)，甚至有些企業(yè)的設(shè)備已達(dá)到了世界一流水平，如聯(lián)通、移動(dòng)、華為等企業(yè)。智能電網(wǎng)的逐步完善，促進(jìn)企業(yè)快速發(fā)展，未來(lái)智能電網(wǎng)技術(shù)也會(huì)貫穿于社會(huì)中的各行各業(yè)。

近幾年以來(lái)，國(guó)內(nèi)外很多電力領(lǐng)域的學(xué)者都對(duì)智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)展開(kāi)了廣泛的研究。智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)主要是集圖像處理和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一身，利用中繼路由將數(shù)據(jù)傳送到用戶終端。文獻(xiàn)[2]提出并設(shè)計(jì)了基于云平臺(tái)的智能電網(wǎng)管理系統(tǒng)，在研究智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)源基本特征的基礎(chǔ)上，利用云平臺(tái)對(duì)智能電網(wǎng)管理過(guò)程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理，并采用Apriori算法對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而提高了管理的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[3]提出并設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，把信息模型引入到輸變電設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)中，根據(jù)輸變電設(shè)備全壽命周期管理業(yè)務(wù)所需的設(shè)備全景信息，針對(duì)智能變電站設(shè)備，提出一個(gè)全面的全景信息建模方案，通過(guò)仿真分析監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的性能。但是以上2種系統(tǒng)的智能電網(wǎng)監(jiān)控性能較差，不能保證電網(wǎng)安全。

針對(duì)上述系統(tǒng)存在的問(wèn)題，本文提出并設(shè)計(jì)了基于云計(jì)算的智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。

1 智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)收發(fā)器

監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的socket收發(fā)器以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體為基礎(chǔ)，通過(guò)服務(wù)器端與手機(jī)終端的連接進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控、認(rèn)證以及傳輸?shù)忍幚怼Ｖ悄茈娋W(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)主要依靠監(jiān)控傳感器的監(jiān)控性能、本身特點(diǎn)、電路的監(jiān)控電力以及監(jiān)控時(shí)間等因素來(lái)決定的[4]。但由于獲取的智能電網(wǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)量較大，且規(guī)定檢測(cè)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度、寬度，對(duì)于數(shù)據(jù)的監(jiān)控、認(rèn)證以及傳輸都會(huì)造成一定的困難。因此以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體的形式為基礎(chǔ)，將監(jiān)控的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)，利用數(shù)據(jù)本身類(lèi)型進(jìn)行分包和收發(fā)，再由監(jiān)控服務(wù)器端以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體的形式向用戶終端發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，最終用戶終端在接收到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后對(duì)其進(jìn)行解析、組合、拆分、提取、計(jì)算和判斷。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)收發(fā)器的通信原理如圖1所示。

圖1 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)收發(fā)器的通信原理

利用監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的監(jiān)控傳感器采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)類(lèi)型，通過(guò)監(jiān)控服務(wù)器對(duì)用戶終端傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)TCP通信連接。用戶終端接收到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以單鏈表形式存儲(chǔ)在用戶終端的緩沖區(qū)中[5]。當(dāng)系統(tǒng)更新數(shù)據(jù)獲取到新的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并將其傳輸?shù)接脩艚K端時(shí)，更新的數(shù)據(jù)就會(huì)被用戶終端本身系統(tǒng)自動(dòng)覆蓋掉之前的相關(guān)數(shù)據(jù)，從而減少數(shù)據(jù)收發(fā)器的存儲(chǔ)空間、緩存垃圾，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控[6]。

1.2 電能計(jì)量芯片

對(duì)于智能電網(wǎng)的電能計(jì)量監(jiān)控和實(shí)時(shí)采集，使用的電能計(jì)量芯片是能夠同時(shí)測(cè)量單向、雙向和三向電能。電能計(jì)量芯片將電能傳感器(圖2中CT1/CT2/CT3)采集到的電流進(jìn)行測(cè)量，并將其傳輸?shù)絊A9904B電能計(jì)量芯片的輸入口中。電能計(jì)量芯片選用的是模擬電流，在模擬電流中存在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電流的輸入值，所以必須設(shè)計(jì)一個(gè)分流電阻網(wǎng)絡(luò)將采集的電流轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電流，分流電阻網(wǎng)絡(luò)如圖2中的R1—R9所示，圖中的R1—R9均為分流電阻。分流電阻網(wǎng)絡(luò)先將采集的電流轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電流，將其通過(guò)電流通道輸入到芯片內(nèi)部并進(jìn)行存儲(chǔ)。其中一條電流感應(yīng)通道主要是由R4、R5分流電阻對(duì)輸入電流進(jìn)行感應(yīng)并定義電流端位，其余的電流感應(yīng)通道與其原理相同，對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的分流電阻[7-9],如圖2所示。

圖2 電能計(jì)量芯片硬件原理圖

電能計(jì)量芯片通過(guò)芯片外面接口SPI與用戶終端控制器進(jìn)行連接，輸入時(shí)鐘信號(hào)為SCK，輸入或輸出信號(hào)為DI/DO，終止數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸為CS，輸入或輸出外部信號(hào)為OSCI/OSC2。

電能傳感器將輸入電流進(jìn)行采集轉(zhuǎn)換后，存儲(chǔ)在電能計(jì)量芯片中，經(jīng)過(guò)SPI芯片外端接口，直接傳輸至用戶終端的節(jié)點(diǎn)監(jiān)控器中，并將其傳輸至網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電能計(jì)量芯片的控制、執(zhí)行、采集、傳輸，確保電壓平衡[10-12]。

利用監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)收發(fā)器的工作原理，將智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)分類(lèi)，通過(guò)監(jiān)控收發(fā)器的通信原理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和提取，完成監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)收發(fā)器的設(shè)計(jì)；將數(shù)據(jù)收發(fā)器采集到的智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)，通過(guò)電能計(jì)量芯片提取出智能電網(wǎng)的傳感電流，利用芯片外端接口實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的監(jiān)控，完成電能計(jì)量芯片的設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。

2 智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 智能電網(wǎng)監(jiān)控程序

在設(shè)計(jì)智能電網(wǎng)監(jiān)控程序時(shí)，以調(diào)節(jié)智能電網(wǎng)的電壓偏移為目的，首先運(yùn)行監(jiān)控服務(wù)器端L，運(yùn)用數(shù)據(jù)函數(shù)socket()進(jìn)行套接，表達(dá)為式(1)。

(1)

式中，n表示數(shù)據(jù)監(jiān)控收發(fā)器的類(lèi)別數(shù)量。根據(jù)式(1)，通過(guò)數(shù)據(jù)函數(shù)bind()綁定服務(wù)器的IP地址，運(yùn)行數(shù)據(jù)函數(shù)listen()監(jiān)控讀取表達(dá)為式(2)。

(2)

調(diào)用函數(shù)accept()進(jìn)行傳輸，等待用戶終端的請(qǐng)求連接，若終端客戶R同意請(qǐng)求連接，則數(shù)據(jù)函數(shù)accept()開(kāi)啟表達(dá)為式(3)。

(3)

根據(jù)式(3)，調(diào)用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)至recv()和send()函數(shù)進(jìn)行傳輸，完成整個(gè)通信設(shè)備監(jiān)控流程[13-14]，則終端客戶R同意請(qǐng)求連接下的通信設(shè)備監(jiān)控表達(dá)為式(4)。

S=Ryesrecv(A)send(A)

(4)

若終端客戶不同意請(qǐng)求連接，則accept()阻塞進(jìn)程，則需要3次握手建立連接，直到終端客戶同意請(qǐng)求連接后，才能完成整個(gè)通信設(shè)備監(jiān)控。3次握手建立連接后的通信設(shè)備監(jiān)控表達(dá)為式(5)。

S′=Rno(Third)accept(A)

(5)

智能電網(wǎng)的監(jiān)控程序結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 智能電網(wǎng)監(jiān)控程序結(jié)構(gòu)

智能電網(wǎng)的監(jiān)控程序設(shè)計(jì)主要利用了TCP連接模式下的Client及Server通信程序，調(diào)用socket()、bind()、listen()、accept()等數(shù)據(jù)函數(shù)，其中accept()數(shù)據(jù)函數(shù)為本程序設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用傳輸，采集了智能電網(wǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)的相互通信[15]。

2.2 監(jiān)控調(diào)度算法

智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的核心是獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，假設(shè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)收發(fā)器的監(jiān)控范圍為ri，i表示收發(fā)器的類(lèi)別編號(hào)，那么可以定義監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)收發(fā)器的平均監(jiān)控半徑為式(6)。

(6)

將智能電網(wǎng)開(kāi)放環(huán)境的空間面積定義為V，根據(jù)數(shù)據(jù)監(jiān)控收發(fā)器的平均監(jiān)控半徑，可以推測(cè)出實(shí)際需要的監(jiān)控器數(shù)量為式(7)。

(7)

式中，N表示空間面積為V的開(kāi)放環(huán)境中需要的監(jiān)控器總數(shù)。

監(jiān)控調(diào)度算法流程如下。

Step1：定義云計(jì)算的迭代次數(shù)I，得到計(jì)算速率為alpha,表達(dá)為式(8)。

(8)

式中，CN(r)計(jì)算速率的分布函數(shù)。

Step2：根據(jù)計(jì)算速率，構(gòu)建智能電網(wǎng)監(jiān)控?cái)M合函數(shù)hw(x)和代價(jià)函數(shù)Jw(x)為式(9)、式(10)。

(9)

Jw(x)=Vhw(x)

(10)

Step3：采用梯度下降法計(jì)算影響因子d的導(dǎo)數(shù)，得到影響因子d的權(quán)重wi為式(11)。

(11)

Step4：判斷代價(jià)函數(shù)Jw(x)是否在監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)集上收斂，或者達(dá)到最大迭代次數(shù)，如果不存在收斂，則更新計(jì)算速率并返回Step3，如果存在收斂，則輸出智能電網(wǎng)監(jiān)控的擬合函數(shù)。

綜上所述，采用智能電網(wǎng)監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)過(guò)程，設(shè)計(jì)了智能電網(wǎng)的監(jiān)控程序，根據(jù)監(jiān)控調(diào)度算法原理，設(shè)計(jì)了監(jiān)控調(diào)度算法流程，完成系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，結(jié)合硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了智能電網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而確保智能電網(wǎng)的安全。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)基于云計(jì)算的智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的應(yīng)用性能與效果，在仿真軟件為Matlab 7.0，Microsoft Windows XP操作系統(tǒng)，Intel(R)Celeron(R) 2.6 GHz處理器，16 GB內(nèi)存環(huán)境下進(jìn)行一次仿真實(shí)驗(yàn)。

利用智能電網(wǎng)監(jiān)控程序?qū)﹄妷浩频恼{(diào)節(jié)功能，建立了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主接線，如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主接線圖

智能電網(wǎng)的電能來(lái)源是一臺(tái)千瓦斜擊式水力發(fā)電機(jī)，高速水流從水管?chē)娮焯幯刂c轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)平面夾角的方向沖擊葉片，使得發(fā)電機(jī)葉片高速轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)持續(xù)發(fā)電。選擇他勵(lì)為發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁方式，由發(fā)電機(jī)自身攜帶的控制器來(lái)控制系統(tǒng)勵(lì)磁電流的大小，而控制器又要接收來(lái)自終端的操作指令，從而使終端可以控制發(fā)電機(jī)端的電壓。在圖4中A處安裝檢測(cè)儀表，來(lái)監(jiān)控智能電網(wǎng)的電壓偏移，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)里，將檢測(cè)儀表裝在動(dòng)力柜的母線上。

考慮到需要在較大范圍內(nèi)來(lái)控制監(jiān)控系統(tǒng)的勵(lì)磁電流，采用獨(dú)立的電池組為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供勵(lì)磁電流，控制器通過(guò)調(diào)整智能電網(wǎng)的脈沖寬度來(lái)控制電壓和勵(lì)磁電流。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證基于云計(jì)算的智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的有效性，為了增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果，將智能電網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)、柴油機(jī)以及系統(tǒng)負(fù)載斷開(kāi)，使得智能電網(wǎng)的容量達(dá)到最小，從而改善電壓偏移量。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，緩慢向?qū)嶒?yàn)平臺(tái)中施加無(wú)功負(fù)載，使智能電網(wǎng)的電壓迅速下降，并偏離正常電壓，母線的電壓值可以從實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的A點(diǎn)檢測(cè)得到。分別利用基于云計(jì)算的智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)、基于云平臺(tái)的智能電網(wǎng)管理系統(tǒng)和基于物聯(lián)網(wǎng)的輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提出解決方案，生成監(jiān)控運(yùn)行指令，增加監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，使得無(wú)功功率的輸出變大，電壓偏移量最小，最終使電壓回歸到正常狀態(tài)。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

基于上述實(shí)驗(yàn)方法，得到了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，電壓偏移控制曲線如圖5所示。

圖5 電壓偏移控制曲線

勵(lì)磁電流曲線如圖6所示。

圖6 勵(lì)磁電流曲線

發(fā)電機(jī)定子溫度曲線如圖7所示。

圖7 發(fā)電機(jī)定子溫度曲線

結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，基于云計(jì)算的智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)從6:37到8:06，將誤差明顯的數(shù)據(jù)點(diǎn)去除，系統(tǒng)的電壓逐漸下降，原因是無(wú)功負(fù)載的增加，此時(shí)的監(jiān)控系統(tǒng)沒(méi)有任何其他設(shè)備來(lái)補(bǔ)償無(wú)功功率，監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)始偏離平衡點(diǎn)，此時(shí)的勵(lì)磁電流和發(fā)電機(jī)定子溫度基本不變，8:06時(shí)以后，勵(lì)磁電流呈線性上升，8:09時(shí)，系統(tǒng)的電壓下降到最低點(diǎn)，為204.5 V，然后逐漸增大，電壓升高的過(guò)程中，由于勵(lì)磁電流的增加，發(fā)電機(jī)定子溫度急劇上升，當(dāng)時(shí)間為8:47時(shí)，發(fā)電機(jī)定子溫度就會(huì)突破約束條件，使得電壓偏移量最小且保持在平衡點(diǎn)附近，由于智能電網(wǎng)的慣性，智能電網(wǎng)的電壓峰值為215.24 V，最大偏移量只有0.24 V，符合允許的偏差范圍，發(fā)電機(jī)定子的溫度也滿足系統(tǒng)的要求；基于云平臺(tái)的智能電網(wǎng)管理系統(tǒng)和基于物聯(lián)網(wǎng)的輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)雖然可以做到0.02秒獲取一次數(shù)據(jù)，但是對(duì)于遠(yuǎn)程終端來(lái)講，獲取一次數(shù)據(jù)的時(shí)間為4—8秒，當(dāng)時(shí)間為7:50時(shí)，電壓就達(dá)到了最低點(diǎn)，為212.3 V和219.5 V，隨后開(kāi)始緩慢增加，而此時(shí)的勵(lì)磁電流早已進(jìn)入增加狀態(tài)，造成了發(fā)電機(jī)定子的溫度也不穩(wěn)定，基于云平臺(tái)的智能電網(wǎng)管理系統(tǒng)和基于物聯(lián)網(wǎng)的輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到的智能電網(wǎng)的電壓峰值為216 V和217 V，電壓偏移量達(dá)到了1 V和2 V，不在偏差范圍內(nèi)。

綜合以上結(jié)果，無(wú)論是電壓偏移量、勵(lì)磁電流還是發(fā)電機(jī)定子溫度，都證明了采用基于云計(jì)算的智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)可以得到平衡的電網(wǎng)電壓，保證了電網(wǎng)安全。

4 總結(jié)

為了提高智能電網(wǎng)監(jiān)控性能，本文將云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用到了智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)了智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)的采集、傳輸和監(jiān)控。測(cè)試結(jié)果表明，基于云計(jì)算的智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)完全滿足電壓恒定要求。當(dāng)然設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)還存在一些不足，希望以后將無(wú)人操作應(yīng)用到智能電網(wǎng)發(fā)展中，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的性能。