朱华，李良艳

(1.深圳市综合交通设计研究院有限公司，广东 深圳 518003；2.深圳市市政工程咨询中心有限公司，广东 深圳 518028)

1 引言

对隧道电气动态监测、综合管廊电气进行在线计算分析，是提高市政用电安全与稳定性，增强城市电力抗御灾害能力的重要手段[1]。电力市政用电动态监控系统的建立，可为调度操作员提供市政电力实时运行状况和决策前信息，可有效提高市政电力调度操作员对市政电力市政用电的控制能力[2]。

物联网技术必将成为改造社会经济生产力的新局面，目前已有许多行业开始涉足物联网技术，并将其应用到各个行业，提高行业自身的工作效率和应对能力[3]。城市用电动态监测系统需要非常精确的控制和响应，而传统的基于人工智能技术的城市用电动态监测系统，由于网络传输速度不够快，导致动态监测的效果很差，达不到既定标准，无法实现城市用电动态信息的高效传输。为实现市政电力的实时动态监测，在线计算处理暂态功角、电压、频率稳定性的计算结果，结合相应的预防控制和应急控制辅助决策，使动态监测结果具有智能化、可视化的特点，有助于更好地发挥市政电力分布式动态监测的性能。

2 系统硬件设计

在物联网技术支持下，系统的硬件结构，主要包括:数据处理模块、控制模块、CPLD逻辑控制模块、传感器模块、动态监控模块、显示模块、参数采集模块等，如图1所示。

图1 系统硬件结构

(1)参数采集模块

通过集成联机监测系统中的各个单元的共同作用，达到信息实时传输，纵向横向可随时互相传递可靠的通信系统[4]。本系统具有监测设备状态，故障诊断，设备维护等多重功能。许多应用不同节点组成一个数据采集单元[5]。其中高压开关传感器节点主要包括电位传感器、开关局部放电传感器、开关分合闸、储能线圈电流传感器、液压机构压力传感器、开关动作位移传感器、开关动作视频监测传感器、避雷器泄漏电流传感器等。

(2)传感模块

传感模块主要是通过各个变压器传感节点来实现数据传输的，主要由铁芯接地电流监测传感器、油液含量传感器、套管绝缘检测传感器、局部放电监测传感器等共同组成[6]。它的主要功能是全面、准确、实时地采集监测到的变压器以及开关的状态信息，同时会传递相关数据到IED中进行数据分析处理。子节点接收主IED接收信号，汇总各子节点传输的数据，进行超限、故障等报警信号。同时通过网络实时数据传输到管理计算机。

(3)数据处理模块

高压开关检测子IED包括微电子电位监视子、开关机械特性监视子、开关视频监视子、套管绝缘诊断子等[7]；铁心接地、局部放电、溶解电位等子也包括变压器参数子、套管绝缘诊断子等。对各分IED所接收到的信号进行综合分析，输出超限报警、故障报警和故障报警给报警控制单元，通过光纤和内部局域网将实时数据传输到管理计算机。

(4)控制模块

选用TMS320VC5509型芯片作为主控 CPU控制模块的主芯片[8]，其工作原理为:先对三相电流，电压等进行过滤和信息处理工作，然后利用A/D型采样芯片ADS8364进行同步采样，将采集到的信号转换成数字信号形式，送到DSP处理器上。

(5)CPLD逻辑控制模块

用CPLD对整个系统进行逻辑控制[9]，把数据处理模块处理好的数据实时发送给LCD显示器，这时可以通过通讯接口传输到主机，还可以把数据传输到存储器中保存起来。实现数据的分析管理。

(6)动态监测模块

监控信息数字化采集、信息传输标准化、诊断通信平台等基本功能[10]。采集量大，节点智能是本系统的优点，能保证设备稳定运行本系统具有采集多参数、节点智能化等特点，保证设备稳定运行[11]。通过数据处理模块处理传感器传输的信号，同时储存到存储器，可实现历史信息查询和实时信息查询等工作[12]。同时还可以通过调整涉及的子IED的数值，传感器的报警上限值等设备参数进行及时更改，并在子IED的基础上，将其与各报警限、连锁控制阈值相比较，输出报警控制信号给报警控制单元。

(7)实时显示信息模块

实时显示信息模块是指根据物联网技术要求，可将检测的信号通过有线无线的方式发送到互联网上[13]。远端机用户通过网络可以看到任意位置的数据，实现远程监测。

3 系统软件部分设计

3.1 系统初始化

模拟设定寄存器、系统控制寄存器、外设控制寄存器等是系统初始化的主要内容:

(1)初始化模拟寄存器，清理空间，随后进行联机模拟。观察制定的的存储区域。

(2)由于低速外设时钟定标寄存器(LOSPCP)、高速外设时钟定标寄存器(HISPCP)和PLL锁相环寄存器(PLLCR)所存在的特殊性，第二步要进行三种寄存器的初始化。

(3)设定外位时钟寄存器的对应位值(PCLKCR)，使得外位时钟可以对应；

(4)初始化市政电气用电注册表。

3.2 信号动态采集功能

现有的同步采样方法主要有两个方面的考虑:第一，保持采样周期恒定:当频率被胶化时，改变采样点的脉络以适应；第二，保持采样点的采样点恒定，当频率被胶化时，改变采样点的脉络以适应[14]。前一种方法不适用于分布式市政电力状态监测，因为频率的变化会影响滤波算法；后一种方法是可行的，只需设计一个频率跟踪电路即可[15]。所以，结合动态同步采样方式，当 A相有电压时，电路 A相频率为同步信号，同时闭锁 B相和 C相；如果 A相失电，同时B相失电，同时闭锁C相，同时A相和B相失电，同时C相失电，三相失电，硬件电路向 DSP发送一个中断信号，DSP用50 Hz的电网频率发送软件同步信号。

整个数据收集工作是由DSP上的数据收集模块控制的，同时将会把所收集到的信息传输到芯片中进行处理和转换，采集模块初始化过程为:加电启动，完成自检，A/D转换电路主动与DSP主处理器进行通讯测试，若测试失败则报错退出，并在进入指令状态时测试成功。这时DSP会把FLASH传输过来的信息提取，并传输到转换电路。采样的主要信息包括采样类型，采样长度，采样速率等，获得所有参数后，由A/D转换电路进行采样，等待“启动采样”指令。相间切换会出现电路的延迟，即一段空白信号的传输，相当于传输中断，产生中断信号，这时DSP会接收该信号，并采样所需时间。这样保证信号能够进入A/D采样通道，并通过过零、选相、放大、成形等过程，通过同步锁相器发出采样控制信号，A/D转换芯片ADS8364同步锁相器发出的采样控制信号所触发时，对电流，以及模拟电压进行采样。

3.3 数据通信功能

数据通信功能比较简单，主要提供与主机进行直接数据通信的功能。按照通信命令的要求，从共享数据区中提取信息并发送出去。

3.4 中断服务功能

当数据通信结束时，数据采集的中断服务程序会被外部中断唤醒，DSP会随着BUSY的信号出现进入外部中断服务程序，并且会收集ABC相电压电流的处理结果，进行输入电流电压的信息采集。程序就会跳出计算电能质量的主程序，在相应的硬件配置中实现软件中断。由于计算量很大，但是时间又很紧迫的情况下，很难在同一个采样时间内完成，所以采集不同时间后便进行运算。通常每隔16个单位时间进行信息采样，相关的计算会在8个周期内进行一次。通过这种方式，在数据处理器期间，如果出现采样间隔暂停，操作终止，下一时间点将会继续进行，为此，必须设置时间间隔为原来的两倍，以避免两个计算程序间的机器周期冲突。

MD转换的起始信号，是用5509的TOU输出信号与ADS8364的三个HOLD引脚组成，并开始六个通道的转换工作，时间一定时，CLKOUT输出信号与ADS8364的CLK引脚连接，为ADS8364提供3MHz时钟信号；ADS8364的转换完成信号与ADS8509的外部中断引脚连接，完成转换工作后，当转换完成时，外部中断模块会接收到信号，并且会读取6次中断程序的信号，进行收集和处理，并将ADS8364的转换结果发送给转换结果寄存器，分别输入到指定的5509片上的循环缓冲。

3.5 动态监测功能

主程序和部分子程序通过C语言和部分汇编语言进行混合编程，针对于运算量较大的算法程序，利用汇编语言进行编写，该方法的好处是提高运算效率。充分利用DSP芯片软硬件资源，主程序的运行周期可在主循环模块中实现。动态监测流程如图2所示。

图2 动态监测流程

接收到FFT变换得到的离散信号，通过处理可以生成基波和谐波分量，针对于三相不平衡、闪变、功率的计算可以通过FFT的信号来进行。在计算FFT值的过程中，采样频率不能低于6.4kHz，因此采样频率定为6.4kHz，即在每个工频周期采样128次。监控模块主要对采集单元采集到的离散信号进行处理，并采用特定算法计算分析分布式市政电气用电情况。

4 实验与分析

为了验证基于物联网的分布式市政用电动态监测系统设计合理性，进行实验验证分析。在有其它信号干扰和无其它信号干扰情况下，在MATLAB仿真平台分别使用基于人工智能技术、基于物联网的监测技术对监测精准度进行对比分析，对比结果如下所示。

(1)有其它信号干扰

在有其它信号干扰情况下，分别使用两种技术的用电动态监测精准度对比结果如表1所示。

表1 有其它信号干扰情况下两种技术监测精准度对比

由表1可知，采用人工智能技术在监测时间为4min、5min、8min 时，监测精准度达到最低为 0.68。在监测时间为3min、10min时，监测精准度达到最高为0.71；采用物联网技术在监测时间为2min、5min、6min、9min、10min时，监测精准度达到最低为0.97。在监测时间为1min、3min、4min、7min、8min 时，监测精准度达到最高为0.98。通过上述分析结果可知，使用物联网技术在有其它信号干扰情况下，具有精准监测结果。

(2)无其它信号干扰

在无其它信号干扰情况下，分别使用两种技术的用电动态监测精准度对比结果如表2所示。

表2 无其它信号干扰情况下两种技术监测精准度对比

由表2可知，采用人工智能技术在监测时间为6min时，监测精准度达到最低为0.53。在监测时间为1min时，监测精准度达到最高为0.61；采用物联网技术在监测时间为 1min、3min、5min、7min、8min、9min、10min时，监测精准度达到最低为0.98。在监测时间为2min、4min、6min时，监测精准度达到最高为0.99。通过上述分析结果可知，使用物联网技术在无其它信号干扰情况下，具有精准监测结果。综上所述，使用物联网技术在有无其它信号干扰情况下，都具有精准监测结果。

5 结语

采用ADS8364和TMS320VC5509两种数字信息处理技术，通过对分布式市政电力动态监控系统进行实时监控，实现了对城市电网的实时监控。该方法通过改变DSP芯片，进一步提高了数据采集的准确性，并将其应用于信息采集，通过实验证明，在仿真平台对市政电力用电进行模拟与误差分析，具有很强的实用性和可靠性。随着国家对电力体制改革的鼓励政策的出台与推进，将发挥良好的作用。