变电站温湿度实时测控系统研究和开发

变电站温湿度实时测控系统研究和开发

摘要:介绍了变电站设备正常运行对温湿度的要求,阐述了变电站温湿度实时控制的重要性,介绍了目前变电站温湿度测控的现状和其它领域应用的温湿度实时测控系统的几种模式。设计开发了变电站温湿度实时测控系统,从温湿度传感器、数据通信模式、计算机接口、后台管理系统、温湿度控制算法等方面详细阐述了该系统的结构和特点。该系统采用分布式采集、集中监控方式,现场采用PID控制方法调节温湿度,后台可远控风机、空调等设备运行以控制温湿度。该系统数据流采用Modbus协议,具有较好的可扩展性。

关键词:变电站温湿度Modbus PID

引言

随着国家电网公司建设智能电网的不断推进,大量无人值守的高智能化变电站需要各种具备通信功能且自动化程度高的监控系统。大量计算机、电子测控、通信、网络等设备在变电站中应用越来越多,而这些设备的正常运行对温湿度有一定的要求[1,2],合适的温湿度不但是保证电力设备和继电保护装置稳定运行的前提,也能够提高设备的性能。相关规定:主控制室和计算机室的温度宜在(18～25)℃范围内,温度变化率每小时不应超过±5℃,相对湿度宜为45％～75％,任何情况下无凝露。对于继保室,温度变化范围可为(5～30)℃,温度变化率每小时不应超过±5℃,相对湿度宜为45％～75％,任何情况下无凝露[3]。

当前,变电站温湿度的控制主要有以下几种方式:(1)人工型。现场放置温湿度计,人工查看记录,根据实际所测数值,进行相应的温湿度控制,比如打开空调降温除湿,打开风机排风等。这种模式人员工作量大,无法在第一时间调整温湿度。(2)现场自动控制型[4]。现场放置自动控温装置,温湿度达到一定阀值,相应的继电器动作,打开加热器或者空调等装置进行除湿降温。这种模式在一定程度上降低了人员的工作强度,同时也可以较快地调整温湿度。但是该模式实时性差,工作人员无法远方查看温湿度数据,也无法在装置故障的第一时间发现,没有数据自动记录功能,且控制方法落后。

随着电力系统自动化程度越来越高,我国电力系统装备取得了长足进步,而对变电站的温湿度等环境因素的监控的研究还是较少。因此,研究开发变电站的温湿度实时测控系统有着实际意义。本文在分析总结现有温湿度测量和控制技术的基础上,结合变电站自身的特点和对温湿度测控系统的具体需求,研究开发出变电站温湿度实时测控系统。

1 总体结构

本文研究开发的变电站温湿度实时测控系统总体结构如图1所示。该系统采用分布式采集、集中监控的方式,数据传输采用一对多方式,即一个后台管理系统和数据传输单元,对应多个现场测控单元,在每个需要监控温湿度的场合都配置一个现场测控单元。数据通信方式采用了两种方式,即短距离局域无线数据通信模式和485工业总线

模式,可以根据不同需求选择其中一种通信模式。无线方式下,距离较近的多个现场测控单元可以通过485总线先自行组网,再由同一个无线数据传输模块与后台进行通信。

测控方式采用轮询方式,由后台管理系统发出指令,按照顺序对系统所安装的现场测控单元进行数据读取和远程操作。整个数据流采用Modbus协议,确保数据的兼容性和传输过程的正确性。

2 现场测控单元

现场测控单元的功能是完成温湿度的测量,对数据进行初步处理,并将模拟量转换为易处理和传输的数字量,同时接收后台管理系统的指令,完成相应的操作。现场测控单元具有独立的工作能力,能够就地控制相关设备。

2.1 硬件结构

现场测控单元结构如图2所示,主要由以下部分构成:(1)总控单元,采用单片机控制,接收后台管理系统的指令执行相应操作。(2)温湿度变送器,完成温湿度的测量,最终以数字信号方式输出。(3)液晶显示屏和按键,作为现场测控单元的人机交互界面,液晶屏提供现场温湿度显示,按键接收人工操作,对内部参数进行设置。(4)通讯接口,利用单片机的串行端口,转换成485差分数据与无线通信模块通信或者直接通过

485总线与后台交互。(5)PWM输出,单片机根据测量的温湿度值及设定的目标控制值,利用PID算法计算出控制策略,调整PWM波的占空比,经过隔离和驱动,控制加热器和风机的功率,从而达到调节温湿度的目的。(6)开关量输出,用于控制报警、继电器启停等操作。

2.2 温湿度变送器

温湿度测量元件是本系统的核心部件,采用的是瑞士Sensirion公司生产的SHT11型温湿度变送器。传统的温湿度测量模式是将温湿度等信号转换为电压或电流等电信号,然后再用A/D芯片转换为数字量数据。SHT11将温度、湿度感应,信号变换和模数转换等功能全部集成在一起[5-7]。最终测量数据通过I2C总线输出,单片机只要通过I2C与之通信即可读出当前温湿度值。数据传输经过8位CRC校验,确保了温湿度测量的精确度和数据传输的正确性。

2.3 控制算法

现场测控单元是一个闭环控制系统,采用PID控制算法。PID控制是一个在工业控制中常见的闭环控制方法。其基本思想是把收集到的数据和设定的参考值进行比较,计算出差值,结合之前计算的差值,根据表达式计算出新的输入值。这个新的输入值的作用是可以让系统的输出达到或者保持在设定的参考值。PID控制方法充分考虑了控制系统的比例、积分、微分环节,可以使系统更加准确和稳定。

此系统中控制对象是温湿度,调节手段是风机的转速、加热器的

功率或者空调的档位等等。单片机从SHT11读取温湿度值,与设定值进行比较,计算出差值,再根据前几次的差值进行计算,得到增量值,调整PWM的占空比,经过驱动电路调整风机的转速或者加热器的功率,从而达到控制温湿度在设定范围的目的。由于采样和计算是经过一定时间间隔完成的,此处的PID是离散型的,表达式如下

3 通信信道

系统采用两种方式传输数据,485总线方式和无线传输模块方式。作为本系统的中间通信部件,无线数据传输模块承担着数据的上传下达。无线模块采用透明传输模式,相当于485总线的延长线,连接起两侧的485通信。无线模块采用Zigbee技术,具有低功耗、低成本、自组网等优点,多个Zigbee模块组网后能够有效延长数据传输距离。

为了保证数据的正确性和系统的兼容性,整个系统采用Modbus 通讯协议。该协议是一种通用的工业标准,通过该协议,控制器相互之间、控制器经由网络和其它设备之间可以通信。所有数据采用统一的数据格式,方便系统整合和扩展,只要符合该协议的设备挂接到该系统中即可使用,实现统一测控。

该系统串行通信的规约为:起始位1位、数据位8位、停止位1