基于視頻監(jiān)控統(tǒng)一平臺的變電站室內(nèi)溫度監(jiān)控功能

朱 健，侯林海

（1.揚(yáng)州供電公司，江蘇揚(yáng)州 210000；2.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇南京 211102）

隨著越來越多的變電站實(shí)現(xiàn)無人值守，使得運(yùn)行人員對變電站室內(nèi)環(huán)境溫度缺少實(shí)時(shí)的了解，人員手動啟動空調(diào)的時(shí)機(jī)隨意性比較大，空調(diào)啟動早了，浪費(fèi)大量能源，空調(diào)啟動晚了室內(nèi)環(huán)境溫度過高將不利于室內(nèi)設(shè)備運(yùn)行。如果設(shè)備長時(shí)間運(yùn)行在超高溫狀態(tài)下，容易發(fā)生的事故，且加速設(shè)備的老化，縮短設(shè)備的使用壽命。因此，為了保證變電站室內(nèi)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，必須確保室內(nèi)溫度處在正常范圍內(nèi)。以前變電站室內(nèi)的空調(diào)必須運(yùn)行人員到現(xiàn)場啟/停，這項(xiàng)工作簡單卻很重要，為了使有限的人員精力投入到更重要的生產(chǎn)過程中，使他們從這項(xiàng)簡單而煩瑣的工作中脫離，有必要開發(fā)一個(gè)環(huán)境溫度監(jiān)測控制器，利用視頻監(jiān)控統(tǒng)一平臺軟硬件資源，構(gòu)建一套環(huán)境溫度在線監(jiān)測及控制系統(tǒng)。主要介紹基于統(tǒng)一平臺的變電站室內(nèi)溫度監(jiān)控的技術(shù)手段和實(shí)現(xiàn)的功能，為其他變電站進(jìn)行環(huán)境溫度控制改造提供參考。

1 研究思路

研制環(huán)境溫度監(jiān)測與控制設(shè)備(簡稱溫度監(jiān)控器)，通過溫度監(jiān)控器遠(yuǎn)程監(jiān)視環(huán)境溫度，同時(shí)通過溫度監(jiān)控器遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場空調(diào)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對空調(diào)的啟/停、運(yùn)行模式、設(shè)定溫度等操作，最終使得環(huán)境達(dá)到一個(gè)適宜的溫度。

溫度監(jiān)控器接入變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)(RVU)，監(jiān)控中心通過現(xiàn)有的視頻監(jiān)控統(tǒng)一平臺軟件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控重要場所的環(huán)境溫度，同時(shí)遠(yuǎn)程手動或者自動控制現(xiàn)場空調(diào)設(shè)備。溫度監(jiān)控器的控制方式遵循《電力遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控技術(shù)規(guī)范》。

變電站室所使用的空調(diào)品牌和型號上有所區(qū)別，甚至在同一所變電站內(nèi)的空調(diào)也有所差異。造成同功能的指令各不相同，如果將不同廠家及不同型號的所有控制指令通過后臺軟件寫入到數(shù)據(jù)庫顯然繁瑣，而且不利于日后便捷管理，因此本系統(tǒng)控制設(shè)備具有紅外指令學(xué)習(xí)，可學(xué)習(xí)不同廠家的紅外指令，環(huán)境溫度監(jiān)控器通過紅外接口實(shí)現(xiàn)對空調(diào)遙控器的指令學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)完成后可以模擬空調(diào)遙控器完成所有功能。環(huán)境溫度監(jiān)控器通過串口并提供開放的協(xié)議實(shí)現(xiàn)與變電站江蘇省電力公司視頻監(jiān)控統(tǒng)一平臺的互聯(lián)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采用集中控制空調(diào)的方式。集中控制空調(diào)的方法是首先對各空調(diào)的紅外遙控信號進(jìn)行識別并存儲（自學(xué)習(xí)），然后在需要時(shí)進(jìn)行還原。圖1中由站端主控制器發(fā)送設(shè)備號及控制命令號至紅外遙控信號自學(xué)習(xí)及還原電路，再由自學(xué)習(xí)及還原電路恢復(fù)對應(yīng)的紅外遙控信號，并發(fā)射出去控制指定的紅外遙控空調(diào)動作。

圖1 集中控制紅外遙控空調(diào)示意

溫度監(jiān)控器接通過串口接入變電站江蘇省電力公司視頻監(jiān)控統(tǒng)一平臺(RVU)，監(jiān)控中心通過視頻監(jiān)控統(tǒng)一平臺軟件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控重要場所的環(huán)境溫度，同時(shí)遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場空調(diào)設(shè)備。

溫度監(jiān)控系統(tǒng)變電站前端主要由一個(gè)主控機(jī)（RVU/7188）監(jiān)控和溫度監(jiān)控器組成。主控機(jī)負(fù)責(zé)命令發(fā)送、數(shù)據(jù)接收與處理、訪問接口等操作。溫度監(jiān)控器負(fù)責(zé)訪問命令接收、數(shù)據(jù)采集和發(fā)送、訪問接口等操作。同時(shí)編寫服務(wù)器端與客戶機(jī)端程序，實(shí)現(xiàn)主控機(jī)與溫度監(jiān)控器的傳輸及其控制或監(jiān)控等功能。

2.2 溫度監(jiān)控器原理

通常，紅外遙控器是將遙控信號 （二進(jìn)制脈沖碼）調(diào)制在38 kHz的載波上，經(jīng)緩沖放大后送至紅外發(fā)光二極管，轉(zhuǎn)化為紅外信號發(fā)射出去的。二進(jìn)制脈沖碼的形式有多種，其中最為常用的是PWM碼（脈沖寬度調(diào)制碼）和PPM碼（脈沖位置調(diào)制碼）。前者以寬脈沖表示1，窄脈沖表示0，如圖2所示。后者脈沖寬度一樣，但是碼位的寬度不一樣，碼位寬的代表1，碼位窄的代表0，見圖3。

圖2 PWM碼

圖3 PPM碼

遙控編碼脈沖信號（以PPM碼為例）通常由引導(dǎo)碼、系統(tǒng)碼、系統(tǒng)反碼、功能碼、功能反碼等信號組成，如圖4所示。引導(dǎo)碼也叫起始碼，由寬度為9 ms的高電平和寬度為4.5 ms的低電平組成（不同的遙控系統(tǒng)在高低電平的寬度上有一定區(qū)別），用來標(biāo)志遙控編碼脈沖信號的開始。

系統(tǒng)碼也叫識別碼，它用來指示遙控系統(tǒng)的種類，以區(qū)別其它遙控系統(tǒng)，防止各遙控系統(tǒng)的誤動作。功能碼也叫指令碼，它代表了相應(yīng)的控制功能，接收機(jī)中的微控制器可根據(jù)功能碼的數(shù)值去完成各種功能操作。系統(tǒng)反碼與功能反碼分別是系統(tǒng)碼與功能碼的反碼，反碼的加入是為了能在接收端校對傳輸過程中是否產(chǎn)生差錯(cuò)。

為了提高抗干擾性能和降低電源消耗，將上述的遙控編碼脈沖對頻率為38 kHz（周期為26.3 μs）的載波信號進(jìn)行脈幅調(diào)制（PAM），再經(jīng)緩沖放大后送到紅外發(fā)光管，將遙控信號發(fā)射出去。

圖4 遙控編碼脈沖信號的組成

2.3 硬件組成

根據(jù)遙控信號編碼和發(fā)射過程，遙控信號的識別——即解碼過程應(yīng)是去除38 kHz載波信號后識別出二進(jìn)制脈沖碼中的0和1。遙控信號識別、存儲、還原的硬件電路如圖5所示。由MCS-51系列單片機(jī)AT89C51、一體化紅外接收頭、存儲器、還原調(diào)制與紅外發(fā)光管驅(qū)動電路組成。

一體化紅外接收頭采用SIEMENS SFH 506-38，它負(fù)責(zé)紅外遙控信號的解調(diào)。將調(diào)制在38 kHz上的紅外脈沖信號解調(diào)并反向后再輸入到AT89C51的INT0（P3.2）引腳，由單片機(jī)進(jìn)行高電平與低電平寬度的測量。

圖5 紅外遙控信號自學(xué)習(xí)及還原原理框圖

通常遙控信號的二進(jìn)制脈沖碼長為32位，每位由一個(gè)高電平與一個(gè)低電平組成，應(yīng)保存的信號寬度數(shù)據(jù)為64個(gè)，再加上引導(dǎo)碼2個(gè)數(shù)據(jù)，共計(jì)66個(gè)數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)用一個(gè)字節(jié)來表示，一個(gè)遙控信號命令就需要66個(gè)字節(jié)來保存。

考慮到不同的遙控系統(tǒng)有一定的區(qū)別，有些遙控信號命令長度較長，所以存儲空間應(yīng)適當(dāng)留有余量。目前溫度監(jiān)控器可存儲50條指令。

遙控信號的還原和發(fā)射是通過P0口 （如圖中為P0.1）輸出二進(jìn)制脈沖碼（高電平與低電平的維持時(shí)間為識別時(shí)保存的一組寬度數(shù)據(jù)）與38 kHz調(diào)制脈沖相與，即P0口輸出高電平允許38 kHz調(diào)制脈沖通過，P0口輸出低電平關(guān)斷38 kHz調(diào)制脈沖。調(diào)制后的信號經(jīng)驅(qū)動后通過紅外發(fā)光管，發(fā)射紅外遙控信號去控制紅外遙控設(shè)備。圖中LED發(fā)光管用來指示紅外遙控信號，同時(shí)用來指示自學(xué)習(xí)中的各狀態(tài)。

溫度監(jiān)控器同時(shí)通過串行口連接站端主控制器接收控制命令，站端主控制器通過電力MIS網(wǎng)絡(luò)與江蘇省電力公司視頻監(jiān)控統(tǒng)一平臺服務(wù)器通信，從而實(shí)現(xiàn)了紅外遙控設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

2.4 軟件設(shè)計(jì)

溫度監(jiān)控器上電復(fù)位后，首先對其內(nèi)部定時(shí)器、串行口進(jìn)行初始化。當(dāng)進(jìn)入自學(xué)習(xí)狀態(tài)（P2口有一引腳輸入為低電平并維持1S以上）時(shí)，采用定時(shí)器定時(shí)、軟件計(jì)數(shù)的方法，測量INT0引腳上輸入脈沖的高、低電平的寬度。

INT0引腳平時(shí)為高電平，當(dāng)接收到紅外遙控信號時(shí)，由于一體化紅外接收頭的反向作用，INT0引腳下跳至低電平，此為引導(dǎo)碼。

將測得的高低電平的寬度保存在存儲器中，并將每次測得的低電平的寬度與引導(dǎo)碼低電平寬度比較，若相等則表示一遙控命令碼識別、存儲（自學(xué)習(xí)）結(jié)束。再次監(jiān)測P2口該引腳，若為低電平并維持1 s以上，則退出自學(xué)習(xí)狀態(tài)。否則，進(jìn)一步自學(xué)習(xí)下一紅外遙控命令碼。

串行口中斷服務(wù)程序主要是根據(jù)接收到的設(shè)備號及命令號查表得到一組事先存儲的高、低電平寬度數(shù)據(jù)，然后在P0口還原出紅外遙控信號去控制紅外遙控設(shè)備按指定的命令動作，即紅外遙控信號的還原。

3 平臺軟件主要功能

3.1 溫濕度實(shí)時(shí)顯示

主機(jī)實(shí)時(shí)采樣溫濕度傳感器后，得到一個(gè)模擬信號，再把模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，在視頻監(jiān)控統(tǒng)一平臺軟件上顯示輸出，直觀、清晰。

3.2 溫度上、下限報(bào)警點(diǎn)設(shè)定

為了控制室內(nèi)溫濕度，允許用戶任意設(shè)定溫濕度的上、下限，也就是溫濕度的報(bào)警點(diǎn)。有4個(gè)檔位供用戶設(shè)定：有溫度的上限和下限，有濕度的上限和下限。

3.3 溫度控制權(quán)限

對于空調(diào)控制在統(tǒng)一平臺軟件上劃分獨(dú)立的管理權(quán)限，僅授權(quán)用戶可以對變電站的空調(diào)進(jìn)行控制。

3.4 溫度設(shè)定智能提醒

當(dāng)用戶對空調(diào)模式、溫度進(jìn)行操作時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前季節(jié)給予智能判斷，分析用戶的操作是否合理。例如：冬季對空調(diào)設(shè)定溫度為19℃時(shí)，系統(tǒng)給予提醒并可拒絕執(zhí)行。

3.5 操作記憶及日志

系統(tǒng)顯示對空調(diào)的當(dāng)前操作，即表示空調(diào)的當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。對于用戶的操作日志進(jìn)行記錄，事后可查詢。

3.6 操作成效智能檢驗(yàn)

系統(tǒng)將對空調(diào)模式的操作成功或失敗進(jìn)行智能判斷，檢查指令是否成功發(fā)出，或空調(diào)是否按用戶的要求正常運(yùn)行。

系統(tǒng)根據(jù)指令發(fā)出后2 min判斷，現(xiàn)時(shí)溫濕度與2 min前的溫濕度有沒有明顯變化，以及和用戶要求的溫度或濕度是否接近，正常情況下系統(tǒng)給予提示，異常情況下系統(tǒng)應(yīng)該給予警報(bào)。

3.7 控制指令發(fā)送反饋

溫度監(jiān)控器收到系統(tǒng)發(fā)出的指令并執(zhí)行后，系統(tǒng)提示控制成功。

3.8 高、低溫報(bào)警節(jié)點(diǎn)輸出

設(shè)定了溫度的上限和下限后，當(dāng)室內(nèi)溫度高于設(shè)定上限時(shí)，主控機(jī)立刻發(fā)出溫度過高的報(bào)警信號，同時(shí)啟動空調(diào)降溫模式，達(dá)到降低室內(nèi)溫度的目的；當(dāng)室內(nèi)溫度低于設(shè)定下限時(shí)，主控機(jī)發(fā)出溫度過低的報(bào)警信號，同時(shí)啟動空調(diào)制熱模式，達(dá)到提升室內(nèi)溫度的目的。

3.9 預(yù)案功能

空調(diào)根據(jù)最終設(shè)定溫度（默認(rèn)初始設(shè)定值24℃）與當(dāng)前室溫的差別,自動進(jìn)入制冷或制熱模式,以維持設(shè)定溫度。當(dāng)冬季時(shí)，空調(diào)的溫度平衡在26℃。夏季時(shí)，空調(diào)的溫度平衡在23℃。

4 主要成效和特點(diǎn)

4.1 項(xiàng)目實(shí)施的主要成效

通過在揚(yáng)州市區(qū)8個(gè)變電站安裝溫度監(jiān)控器，遠(yuǎn)方遙控了12臺空調(diào)的運(yùn)行，經(jīng)過用戶5個(gè)多月的操作使用，證明基于江蘇省電力公司視頻監(jiān)控統(tǒng)一平臺的變電站室內(nèi)溫度監(jiān)控功能開發(fā)已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)及功能要求。項(xiàng)目成果在變電站應(yīng)用預(yù)計(jì)可以通過自動監(jiān)測并控制室內(nèi)環(huán)境溫度，達(dá)到減少空調(diào)運(yùn)行周期，減少能源消耗的目的。以一個(gè)變電站2臺3匹空調(diào)少運(yùn)行八天計(jì)算（比人員手工操作晚啟動一天早停止2天，夏季冬季各減少3天），每個(gè)變電站能減少用電1 152 kW·h/年。

4.2 項(xiàng)目的主要特點(diǎn)

（1）本功能基于江蘇省電力公司視頻監(jiān)控統(tǒng)一平臺開發(fā)，具有較強(qiáng)的技術(shù)支撐。（2）系統(tǒng)采用紅外方式控制，對其它設(shè)備無干擾，且布線方便，無需對空調(diào)進(jìn)行主板更改。（3）溫度監(jiān)控器采用指令自學(xué)習(xí)，只要有遙控器就能完成指令學(xué)習(xí)與儲存工作，無需掌握繁多空調(diào)的控制指令和協(xié)議，配置簡單、方便。（4）設(shè)備采用RS485接口，且有地址碼設(shè)定開關(guān)，擴(kuò)展性強(qiáng)，與不同廠家的視頻監(jiān)控系統(tǒng)前端可無縫鏈接。（5）紅外發(fā)射部分與主機(jī)異位安裝，解決了紅外指令發(fā)射受角度、距離影響的系列問題。

5 結(jié)束語

分析了采用紅外方式實(shí)現(xiàn)基于江蘇省電力公司視頻監(jiān)控統(tǒng)一平臺的變電站室內(nèi)溫度監(jiān)控功能,介紹了江蘇省電力公司視頻監(jiān)控統(tǒng)一平臺溫度控制軟件的主要功能。

該技術(shù)方案具有投資小，改造方便，實(shí)現(xiàn)功能較全面，是目前實(shí)現(xiàn)變電站環(huán)境溫度控制較成功的技術(shù)方案，對在類似變電站進(jìn)行環(huán)境溫度控制改造具有很好的借鑒作用。

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