新型智能网络技术

关键词：

新型智能网络技术（精选十篇）

新型智能网络技术篇1

1 网络交换机结构

该交换机是全新的井下通信设备, 主要由工业以太网交换单元、RS485单元、CAN单元、光电转换单元、供电系统单元、ONU单元 (可选) 等组成。通过单元选配能够实现GEPON无源环网系统、千兆工业光纤以太环网系统、百兆工业光纤以太环网系统等3种工作模式。并提供485总线、CAN总线、光电转换等多种接入方式, 更加丰富了系统集成的选择[2]。

1.1 硬件结构

网络交换机主要由电源模块、备用电源模块、接口转换模块、交换机模块组成。

(1) 电源模块。电源模块负责对所有的设备供电, 并对备用电源进行充电 (浮充) 。输入端选用井下常用的AC127 V/660 V, 输出为DC24 V。电源模块输入端在75%~110%的电压范围内仍能保证正常输出电压。

(2) 备用电源模块。井下的环境条件比较恶劣, 随时可能发生停电, 为保障信息传输的连续性和及时性, 在交换机中加入了备用电源模块[3]。备用电源选用24 V、7 AH的镍氢电池, 避免了铅酸电池析氢现象的产生。正常情况下电源模块为电池充电, 交流断电以后备用电源模块自动启动, 保证设备继续正常工作2 h以上。

(3) 接口转换模块。由2台CANET-200T、1台NETCOM-400ME以及8台光纤收发器组成, 可提供4路CAN接口、4路485接口和8路百兆光纤接口[4]。这1台设备的网络端利用RJ45交叉线接入交换机。另外, 为了在井下接线方便, 将这4路CAN接口和4路485接口利用屏蔽双绞线接在一个接线排上, 用户只需在接线排的另一侧接入井下信号即可。

(4) 交换机模块。交换机硬件连接如图1所示, 可按照3种模式进行组态, 所有RJ458连接线均为交叉网线做法。图1中标注的485接口, CAN接口, 光纤接口用于与井下设备连接。GEPON环网端口、千兆光纤环网端口、百兆光纤环网端口用于组成环网: (1) 如果设备用于组成百兆工业以太环网, 交换机模块由2台百兆环网交换机 (Jet Net 4510) 组成; (2) 如果设备用于组成千兆工业以太环网, 交换机模块由1台千兆环网交换机 (Jet Net 5010G) 和1台百兆网管型交换机 (Jet Net 4010) 组成; (3) 如果设备用于组成GEPON网络, 交换机模块由2台百兆网管型交换机 (Jet Net 4510) 组成。

1.2 组网方式

工业以太网是目前主流的数据传输平台, 在煤矿中的应用十分广泛, 许多煤矿已经建成了自己的工业以太网[5]。GEPON技术作为新兴的数据传输平台, 顺应了煤矿自动化的发展方向, 必然会在将来得到长足的发展[5,6]。

为了在1台设备上实现工业以太环网或GE-PON环网这2种组网方式, 对工业以太网 (图2) 和GEPON环网 (图3) 的组网方式分别进行了研究。

对照图2、图3可以发现, 工业以太环网和GE-PON环网在组成网络时硬件方面的主要区别在于:GEPON环网在上端 (地面) 需要加装一台OLT和环网冗余控制器, 在节点需要加装1台分光器和1台ONU (光网络终端) 。其中分光器是一个无源器件, 不需要外部供电。而ONU则是一个有源器件, 需要外部供电。因此, 研制的交换机内部只需要加装一台ONU和分光器就可以同时满足2种组网方式的需求。

2 功能、特点

2.1 交换机基本功能

(1) 应符合IEEE802.3协议, 具有以太网光端口[7]。

(2) 具有自动发现与配置ONT功能, 支持GE-PON远端管理[8]。

(3) 具有参数设置和掉电保护功能, 初始化参数可通过网络或编程接口输入和修改。

(4) 具有VLAN功能。

(5) 具有故障指示功能和自诊断功能。

(6) 支持以太网信号与RS485信号相关转换传输。

(7) 支持以太网信号与CAN信号相关转换传输。

2.2 应用特点

(1) 该交换机结构简单、层次清晰、简单易用、安装方便, 特别在大规模使用时优势更加明显。

(2) 该交换机的出现解决了工业以太环网和GEPON环网的融合问题, 用户可以在不更换硬件设备的情况下, 将工业以太网升级为GEPON环网, 促进新技术在煤矿的应用。

(3) 该交换机解决了煤矿各种监测监控系统与交换机的连接问题, 可以实现各种现场总线系统的直接接入, 减少了设备数量, 使安装和维护的过程更加简单方便。

2.3 技术参数

交换机的相关参数见表1、表2。

3 实际应用

在平煤股份十二矿进行了矿用隔爆兼本安型网络交换机工业性试验。十二矿GEPON改造方案的网络拓扑如图4所示。

该交换机将工业级交换模块和光网络节点 (ONU) 、分光器、485总线模块、CAN总线模块集成一体, 在有限的空间内提供了丰富的接口种类和接口数量, 能充分满足煤矿井下自动化系统接入的需求。本设备构成的GEPON环网具有双纤环形线路冗余、备用光纤故障监测报警、线路冗余切换时间小于100 ms、带宽利用率高达70%等特点。

该网络交换机在与其他总线系统连接时非常方便。因为不必额外增加接口转换设备, 不仅降低了成本, 而且在安装维护时减少了工作量, 提高了工作效率。由于解决了煤矿各子系统与主干环网传输平台的连接问题, 可以实现煤矿各子系统的直接接入, 减少设备数量和故障点, 使安装和维护过程更加简单方便。通过该交换机将矿井各子系统接入高速主干光网络进行传输, 提高了各子系统的实时性、可靠性, 对于煤矿自动化水平的提高有重要作用。

该交换机价格仅为同类设备加接口转换器设备的30%左右, 每台可节省资金约20万元。项目完成后, 可形成交换机年产100台的产业规模, 实现产值1 000万元, 并延伸产业链。目前, 新型矿用智能网络交换机已经应用于贵州盘江煤业集团, 神华宁煤, 河北峰峰矿业, 平煤股份十二矿、梨园矿。

4 结语

研制的新型网络交换机解决了工业以太环网和GEPON环网的融合问题, 可将工业以太网升级为GEPON环网;同时, 解决了煤矿各子系统与主干环网传输平台的连接问题, 可以实现煤矿各子系统的直接接入, 减少设备数量和故障点, 使安装和维护的过程更加简单方便。交换机在与其他总线系统连接时非常方便。因为不必额外增加接口转换设备, 不仅降低了成本, 而且在安装维护时减少了工作量, 提高了工作效率。

该交换机的成功研制, 使矿井信息化网络传输系统的建设更加简单, 有助于提高矿井信息化网络传输技术水平, 为矿井综合自动化系统集成提供先进的、性价比高的信息传输网络平台, 带动老矿井进行信息化、自动化技术提升, 推动煤矿企业走高效集约化生产之路。因此, 在国内具有领先的示范作用, 在中国平煤神马集团乃至在国内各类企业中均有推广价值。

摘要：在分析GEPON网络和工业以太网技术的基础上, 研制了一种新型矿用智能网络交换机。该交换机可以在1台设备上实现工业以太环网或GEPON环网这2种组网方式, 解决了工业以太环网和GEPON环网的融合问题等;同时满足了矿井自动化子系统的接入需求。该交换机在平煤十二矿的实际应用验证了该交换机的可行性。

关键词：矿用交换机,工业以太网,GEPON环网

参考文献

[1]刘富强.矿井多媒体综合业务数字网 (MISDN) 网络结构研究[J].煤炭学报, 2003 (3) :85-88.

[2]林铭锻, 吴安定.以太网在小型控制系统中的应用[J].自动化仪表, 2001 (6) :34-35.

[3]陈积明, 王智, 孙优贤.工业以太网的研究现状及展望[J].化工自动化及仪表, 2001 (6) :1-4.

[4]顾永建, 李鹏.矿用本安型网络交换机的设计[J].煤炭技术, 2005 (3) :33-35.

[5]陈雪.无源光网络技术[M].北京:北京邮电大学出版社, 2006.

[6]薛迎成.工控机及组态控制技术原理与应用[M].北京:中国电力出版社, 2007.

[7]李正军.现场总线与工业以太网及其应用系统设计[M].北京:人民邮电出版社, 2006.

新型智能网络技术篇2

资金申请报告

项目编制单位：北京智博睿投资咨询有限公司

资金申请报告编制大纲（项目不同会有所调整）第一章新型智能终端体验检测公共服务平台项目概况 1.1新型智能终端体验检测公共服务平台项目概况

1.1.1新型智能终端体验检测公共服务平台项目名称 1.1.2建设性质

1.1.3新型智能终端体验检测公共服务平台项目承办单位 1.1.4新型智能终端体验检测公共服务平台项目负责人

1.1.5新型智能终端体验检测公共服务平台项目建设地点

1.1.6新型智能终端体验检测公共服务平台项目目标及主要建设内容

1.1.7投资估算和资金筹措

1.2.8新型智能终端体验检测公共服务平台项目财务和经济评论

1.2新型智能终端体验检测公共服务平台项目建设背景

1.3新型智能终端体验检测公共服务平台项目编制依据以及研究范围

1.3.1国家政策、行业发展规划、地区发展规划

1.3.2项目单位提供的基础资料

1.3.3研究工作范围

1.4申请专项资金支持的理由和政策依据

第二章承办企业的基本情况 2.1 概况 2.2 财务状况

2.3单位组织架构

第三章新型智能终端体验检测公共服务平台产品市场需求及建设规模

3.1市场发展方向

3.2新型智能终端体验检测公共服务平台项目产品市场需求分析

3.3市场前景预测

3.4新型智能终端体验检测公共服务平台项目产品应用领域及推广

3.4.1产品生产纲领

3.4.2产品技术性能指标。

3.4.3产品的优良特点及先进性

3.4.4新型智能终端体验检测公共服务平台产品应用领域

3.4.5新型智能终端体验检测公共服务平台应用推广情况

第四章新型智能终端体验检测公共服务平台项目建设方案

4.1新型智能终端体验检测公共服务平台项目建设内容

4.2新型智能终端体验检测公共服务平台项目建设条件

4.2.1建设地点

4.2.2原辅材料供应 4.2.3水电动力供应

4.2.4交通运输

4.2.5自然环境

4.3工程技术方案

4.3.1指导思想和设计原则

4.3.2产品技术成果与技术规范

4.3.3生产工艺技术方案

4.3.4生产线工艺技术方案

4.3.5生产工艺

4.3.5安装工艺

4.4设备方案

4.5工程方案

4.5.1土建

4.5.2厂区防护设施及绿化

4.5.3道路停车场

4.6公用辅助工程

4.6.1给排水工程

4.6.2电气工程

4.6.3采暖、通风

4.6.4维修

4.6.5通讯设施

4.6.6蒸汽系统 4.6.7消防系统

第五章新型智能终端体验检测公共服务平台项目建设进度

第六章新型智能终端体验检测公共服务平台项目建设条件落实情况 6.1环保

6.2节能

6.2.1能耗情况

6.2.2节能效果分析

6.3招投标

6.3.1总则

6.3.2项目采用的招标程序

6.3.3招标内容

第七章资金筹措及投资估算 7.1投资估算

7.1.1编制依据

7.1.2编制方法

7.1.3固定资产投资总额

7.1.4建设期利息估算

7.1.5流动资金估算 7.2资金筹措

7.3投资使用计划

第八章财务经济效益测算

8.1财务评价依据及范围

8.2基础数据及参数选取

8.3财务效益与费用估算

8.3.1年销售收入估算

8.3.2产品总成本及费用估算

8.3.3利润及利润分配

8.4财务分析

8.4.1财务盈利能力分析

8.4.2财务清偿能力分析

8.4.3财务生存能力分析

8.5不确定性分析

8.5.1盈亏平衡分析

8.5.2敏感性分析

8.6财务评价结论

第九章新型智能终端体验检测公共服务平台项目风险分析及控制

9.1风险因素的识别 9.2风险评估

9.3风险对策研究

第十章附件

10.1企业投资项目的核准或备案的批准文件； 10.2有贷款需求的项目须出具银行贷款承诺函； 10.3项目自有资金和自筹资金的证明材料； 10.4环保部门出具的环境影响评价文件的批复意见；

10.5城市规划部门出具的城市规划选址意见（适用于城市规划区域内的投资项目）；

10.6有新增土地的建设项目，国土资源部门出具的项目用地预审意见；

10.7节能审查部门出具的节能审查意见； 10.8项目开工建设的证明材料；

新型智能钱包篇3

记得那些在你的店里占去大量空间的笨重收银台吗?你现在可以跟它们说拜拜了。收银台已经被划入历史——属于那个主要靠现金和银行卡买单的旧时代的古董文物。今后店内销售的交易方式将是手机，一个消费者不管去哪里都会携带的东西—一个轻易不会忘在家里的东西。

当然，诸如此类的预言对商业界并不新鲜。近乎10年前开始，评论人士就不断预言手机钱包的出现。技术界也曾承诺说——可惜一拖再拖——将发明一种安全的新型支付系统，提高交易速度，刺激消费，让经营流程更加顺畅。这对快餐店和便利店等商家无疑是个重大利好消息，不过时至今日手机商务仍未形成规模。

这一次情况看起来大大不同(绝非虚言)。就起点而言，消费者开始显示出对手机付款的强烈兴趣。根据ABI研究所的一份调查，美国智能手机用户中曾用手机购物或近期有计划尝试手机购物的接近半数。报告称2010年美国手机购物的交易额超过34亿美元，较前一年的19亿美元大大增加——报告还预测2015年全球网络购物消费额将达到1630亿美元，占全球电子商务营业额的12％。

大幅增长部分要归功于智能手机的普及。现在有更多人随身携带可支持手机支付的最新型手机。

根据尼尔森公司的数据，2010年11月美国售出的新手机中有45％是智能手机，比如苹果iPhone和运行谷歌Android手机操作系统的机型。目前，美国手机用户中有31％使用智能手机。

各大运营商也正在努力开拓手机商务市场。美国四大移动通信运营商中有三家已经携手，共同建设全国性手机交易网Isis系统，高沃金融服务(Discover Financial Services)和巴克莱(Barclaycard)等著名金融机构也已加盟，承诺将共同努力大幅简化商家接受手机支付的流程。此外，还有其他一些新型手机支付方式正如火如荼，有望推动电子购物向更加简化、更加安全的方向前进。

如果零售商、餐馆和其他小商户没有加入手机支付圈，消费者的需求和行业投资全都没有任何意义。其实这些商家将成为获益最大的群体。除了交易速度、安全性和便捷性都大大提高外，手机商务还可以为商家开辟新的消费者互动机会——比如通过优惠券、促销通知、预约提醒等方法刺激消费。

接下来的篇幅里，您将有机会了解引领企业迈入手机商务时代的新产品和技术。

Isis的问世为商家和消费者揭开了一个全新的支付时代。

从某种意义上说，Isis本身也是一个刚刚起步的小公司，但它会帮助全球的小企业将手机商务变成现实。凭着背后多位行业巨头的支持——无须质疑ISlS的成功几率。

Isis诞生于2010年底，是覆盖全美的手机商务网络，有望成为美国2亿手机用户与合作商家之间的桥梁，通过商家配备的相关设备进行手机支付olsis的强大能力源自背后站着的veIizonWireless、AT&T和T－Mobile USA——美国四大移动通信营运商中的三位巨头。

“人们已经在这一领域进行过很多科学实验，但需要达到一定的规模和投入才能真正带动改革。”Isis公司的CEO迈克尔·艾伯特(Michael Abbott)表示，正式签约执掌Isis之前，艾伯特曾在通用电气金融公司担任首席市场官，具有丰富的金融服务经验。他说自己的公司“不算大，但有三位重量级合伙人”。

“商家要意识到手机支付系统就在他们面前，我们正在为他们提供前进所需的规模和投入。”他说。

Isis提供的服务很简单：消费者只需在合作商家的读卡器上晃晃带有微芯片的智能手机就可以完成付款。这一过程是基于一种称为“近距离通信”的技术(英文缩写NFC)，该技术允许两个距离接近的电子设备进行安全通信(距离大约4英寸，也就是10厘米左右)。

此外，Isis正在与高沃金融服务合作开发自己的非接触支付平台，高沃的支付网络在全美有700多万个合作商家。有这样起步高度的商家绝对屈指可数。

Isis的前景要取决于NFC在零售业覆盖面积的推广结果和市场占有率。艾伯特并不介意挑战。

“我喜欢将坯料雕凿成各种新东西”，艾伯特曾经在哥伦比亚大学攻读电气工程，业余时间喜欢做木工活。“我的目标是让Isis遍布每一个手机，让消费者的生活有机会变得更简单。为实现这一目标，我们必须对所有商家、所有移动通信公司、所有银行开放。这意味着需要提供一种人人可用的规范。NFC技术并不是新发明——不需要重新发明任何东西。销售点需要的终端设备和读卡器现在已经在店铺里。”

Isis并不是惟一一个支持商家和消费者之间近距离通信的公司。手机生产商诺基亚已经保证将在今年推出的所有新型智能手机中加入对NFC的支持。谷歌也曾在去年底宣布将在Android手机操作系统的升级版中融入NFC功能。

研究公司iSuppli预测，到2014年全球内置NFC功能的手机出货量将提高到2.201亿台，2010年只有5260万台。或许最重要的是，全美有至少10万商家已经配置了非接自虫读卡器。

万事达信用卡手机业务副总裁詹姆士·安德森(James Anderson)表示：“各个行业都已达成共识，那就是非接触支付将在NFC的基础上飞速发展，人们相信这就是我们需要的技术。”

今明两年，Isis将在几个主要城市进行消费者测试。巴克莱银行美国公司预计将成为Isis网络中的第一个发行商，为市场提供多种手机支付产品。

不过艾伯特的视线早已超越手机支付。在他心目中，Isis不仅将取代现金、借记卡和贷记卡，还会取代商家以前的会员卡、优惠券、活动门票和交通工具的实体票据。

他说：“Isis不光是将手机支付服务置入你的手机，还为你提供了一个简洁的融合方案，可代替所有现金和卡类。我们可以发挥很多作用。比方说，当你离开一家店的时候，商家可以直接将优惠信息发到你的手机，等你下次再来这家店时就可以调出来使用。这需要很多辛苦工作，但我们有能力，也有足够的实力实现手机商务市场的决定性突破。”

Boku合作创始人兼营销和业务开发部高级副总裁罗恩·海尔森Ron Hirson认为，“手机支付可以为你打开一个信用卡和Paypal覆盖外的新市场。消费者不一定时时记着自己的信用卡信息，但对Boku来说，你只需要提供10位的手机号码。手机还可以帮你留住那些无法用其他方式付款的客人，尤其是在新兴市场。现在商家可以有机会接触到一批新的消费群体。”

消费群体可扩大多少呢?可以这么算，美国大约只有1.77亿信用卡用户，但手机用户却有2.93亿，几乎占美国人口的93％。2010年底，全球移动通信用户已经突破了50亿大关，难怪Juniper研究公司预测全球手机支付市场——包括购买虚拟或实体商品、转账和店内交

易——将从2010年的1700亿美元提高到2014年的6300亿美元。

增长需要由一个对消费者、服务提供商和商家都有利的解决方案来实现。尽管AT&T的试运行将引起极大关注，奠定竞争地位，但理论来说BilltoMobile.Boku和Zong也都提供类似的解决方案。

BilltoMobile去年3月正式签约VerizonWireless(有了这个和与AT&T的合作，这家公司现在已经覆盖65％的美国无线用户)。BilltoMobile的“手机支付”服务让用户可以用

微支付的大机会

不要被名字骗了。虽然名为微支付，但这不代表j塞里没有赚大钱的机会。社交游戏巨头Zvnga算得上靠销售虚拟商品赚钱最多的企业，据说游戏内的虚拟交易——比如FarmVille游戏玩家购买的农作物和牲畜——几乎占公司年收入的90％，而2010年这家公司不费吹灰之力就赚到了4.5亿美元。ZVnga的巨大收益对比多年来—直苦苦挣扎的传统出版商和媒体公司就更显得引人注目，这些专统商家多年来—直很希望将内容放在网上卖钱，可借并不顺利。手机上却是另一番景象。用户心不甘情不愿地花几块钱下载一段15秒长的单弦铃声的日子已经过去了。现在是智能手机的时代，至少一半的iPhone用户每月都会下载付费程序。手机用户一直显示出对小额冲动购买的高倾向性——多少是因为可以将交易记在每月的手机账单上，花钱很方便又简单。

新支付方式带来了传统的现金和信用卡交易外的更多可行选择，令手机微支付变得更加简单。去年10月，AT&T推出的手机支付测试版服务允许网内的9300万美国手机用户将音乐、电影和虚拟产品的账单直接计入每月的手机费，购买时只需输入手机号码，无需提供信用卡或PaypaI账户信息。AT&T项目也受到大量合作商的欢迎，合作商家的数量毫不逊于三家目前相当成功的手机支付解决方案提供商：BilltoMoblle、Boku和两个步骤完成安全支付，总共只需要几秒钟：在线购物时，消费者首先选择BilltoMobile作为支付渠道，选择自己的运营商，输入手机号码和邮编。BilltoMobile以短信形式发送一个代码，只要将代码成功输入交易窗口，支付立即完成。

BilltoMobile总裁兼CEO吉姆·格林威尔(Jim Greenwell)表示，“我们为运营商提供金融级的系统来调整他们现有的账单模式。我们不打算取代信用卡，我们只是希望为虚拟商家带来更多收入。”

Zong合作的国际运营商包括T-Mobile、Vodafone、Orange和0O2。这家公司还是Facebook Credits和其他社交游戏和虚拟平台的手机支付服务商。它的解决方案类似BilltoMobile，通过PIN代码来验汪交易。

Zong创始人兼CEO大卫·马库斯(DavidMarcus从为：“对消费者来说最重要的是方便。因此我们将注意力放在手机上——这里有提升便捷性的巨大空间。”

Boku——其最引以为傲的是与全球60多个国家的220个手机提供商建立了合作关系——的方法略微不同：消费者不是输入密码，而是在收到购买验证短信后回复字母“Y”或“Yes”。海尔森说：“我们的方法不需要消费者升级手机，我们覆盖网络中的每一个人。”

为了推动手机微支付的发展，AT&T不光是为BilltoMobile、Boku和Zong服务做宣传。在合作协议中，AT&T还同意降低在交易收入中的提成比例。过去运营商通常要求抽取自己网内虚拟媒介账单利润的40％～50％：AT&T的具体条款仍然不明(公司拒绝接受采访)，但据称是对技术合作伙伴和商家非常有利(BflltoMobile、Boku和zong都在每笔交易中收取少量交易费)。

“手机微支付的发展要取决于价值链上的所有环节一起继续努力，”BilltoMobile的格林威尔说，“毕竟，大家都是为了有更多好处。”

新型智能网络技术篇4

关键词：光网络,智能化,SDN

一、引言

光网络自兴起以来, 从最初所承载的单一话音业务, 直到现在的多业务、大数据、高容量传送平台的应用, 从最初的点对点通信到现在的动态配置传输需求, 其技术的发展在几十年的时间里历经多个标志性的里程碑。在网络带宽容量不断提升、多业务、大数据以及网络的灵活性、扩展性的需求驱动下, 光网络的智能化发展已经势在必行。

二、光网络智能化发展历程

纵观光网络的发展历程, 可将其分为两条主线:即传送技术的发展以及网络设计架构思想的演变。最初传统的波分复用技术 (WDM) 、90年代中期的稀疏波分复用技术 (CWDM) 、密集波分复用技术DWDM) 网络发展到现在的频谱灵活光网络、分组增强型的光传送网 (OTN) , 光传输由取代电成为信息主要承载介质这一基本功能发展为现在的能够满足传输损伤感知与质量评估、可调单元的参数选择以及DSP算法性能控制等功能, 传输质量大幅提升。光网络发展到21世纪初, 人们提出的自动交换光网络 (ASON) 的概念, 从控制层面的角度真正开启了光网络智能化的开端, 为光网络实现向高度智能化软件定义光网络 (SDON) 的平滑演进提供了技术支持。

三、智能光网络

3.1 ASON的技术优势

ASON是最初的“智能光网络”, 因采用格形组网来避免大量故障影响业务的情况而具备极强的生存能力;网络提供的保护恢复方式遵从优先级原则, 提供差异化的服务;为客户提供最优路由, 资源利用率高达50%以上;升级扩容能力更强, 扩大网络中的链路容量即可实现扩容;建设和维护成本有所降低, 网络规模越大, 经济性越强[1]。ASON通常采用GMPLS协议, 若需完成对多种传送颗粒的有效控制, 实现传送网智能化, 必须对其扩展和延伸, 同时还需进一步提高网络保护恢复的性能。ASON可加载于SDH或OTN为其提供控制平面, 实现光层和电层相结合的智能调度, 将传输、交换和数据三个本身不存在联系的网络有效结合在一起, 实现全网ASON智能化。

3.2 ASON所暴露的问题

(1) 网络高度异构性。长期共存的多种类型的传输/交换标准和技术如SDH、WDM、OTN以及不同设备的结构/接口类型往往增加了域间连接的复杂度;

(2) 两大接口商用化程度低。ASON体系架构中包含三种接口, 即用户网络接口UNI、外部网络节点接口E-NNI、内部网络节点接口I-NNI, 网络信息在网络之间任一方向的任何边界/接口不是共用。但需要注意的是, UNI和E-NNI两个接口都未被大范围的商用化, 成为阻碍GMPLS/ASON智能化控制平面大范围推广的主要原因;

(3) 保密性需求。一般来说域内网络网络拓扑结构以及资源信息的保密性是由运营商掌握的, 来自于不同制造商的不同的技术规范和设备参数是不开放的, 这就会导致域内信息不能被整个网络所共享, 增加路由和连接控制的困难;

(4) 控制平面复杂。应用UNI接口需要对GMPLS进行扩展, 从而增加代码的复杂性;网络出现不可预期的爆争情况时, GMPLS中所采用的分布式链路状态路由协议 (OSPF等) 又会面临收敛性和稳定性的问题。

四、光网络的高度智能化

4.1 SDON的技术优势

SDON (图1) 与传统光网络相比, 其接口更加开放。目前, SDON的北向接口仍处在进一步的研究状态, 南向接口和东西接口则多采用OpenFlow (OF) 、PCEP等协议, 能够良好地实现多域异构网络的互联互通。在当前数据网络SDN化的基础上, 需借助对控制机制的相应扩展、成熟的集中管控方式, 不断完善其接口信息的统一和标准化[2], 实现光网络向SDON的平滑演进。有关实验表明, 超过3跳创建一个弹性光路时, 基于OpenFlow的控制平面性能明显优于基于GMPLS的控制平面。这是因为在基于GMPLS的控制平面中, 信息逐跳处理的方式会使得路径较长时 (跳数增加) , 其信令时延比例同时增加。而基于OpenFlow的SDON采用集中控制器控制的所有节点几乎同时进行, 因此其路径配置的延迟对于跳数敏感度较低。

4.2 SDN技术引入路线

区别于数据网络的SDN化, 光网络本身具备控制与转发分离的体系架构 (ASON) , 集中管理控制系统的应用如路径计算单元 (PCE) 、面向连接的特性表明当前的光网络已经呈现出部分SDN特征, 对于引入SDN技术都提供了有力条件。光网络引入SDN技术可采用三种方案[3]:利用光网络较完善的控制平面, 强化北向API开放;使用OpenFlow协议, 强化南向API开放;OpenFlow兼容ASON及PCE的相关功能。智能化SDON的控制架构也分为三种情况, 即PCE控制架构、Pure SDON控制架构、集成的OpenFlow控制器和PCE。集成的OpenFlow控制器和PCE通过部署不同的功能类型的组件, 在所需的接口处交互完成, 可以采用三种方法: (1) 在OF控制器外布置路径计算功能, (2) 将PCE直接作为OF控制器的一个顶层应用程序, (3) 通过扩展管理功能完全整合、连接OpenFlow控制器与一个有状态的PCE, 来实现二者的集成[4]。

上述三种模型在功能上都是等价的, 这取决于涉及到编程以及协议接口的灵活性和功能特点。通常情况下会采用第3个模型, 这是由于共同的、共享的数据结构和状态可以简化并行的访问和更新。从网络拓扑结构和连接管理角度来说, 双方相互补充, PCE主要负责计算路径, OpenFlow控制器则承担网络数据层中的转发配置任务。OpenFlow控制器以及相关协议所配置的节点转发行为使得PCE的组件变得活跃, OpenFlow控制器同样受益于PCE路径计算的性能。一个有状态的活跃的PCE不仅能够在计算路由过程中利用动态链接作为可用的信息, 还能变更已经存在的路由, 从而更高效地利用资源, 实现动态地运行和优化网络;而一个OpenFlow控制器是一个逻辑上集中的实体, 采用OpenFlow协议实现控制平面和底层网络设备转发平面的配置。将SDN技术应用于光传送网络中, 必须对标准的OpenFlow协议进行扩展, 主要是针对OpenFlow中的流条目进行扩展, 如下图2所示包含了WXC中所有的交叉连接信息。在灵活光网络域中, 光路的频谱可以灵活根据流量的要求进行调整。因此, 在SDON架构中, 可以通过更新OF-BVOS (基于OF的带宽可变的光交换结构) 流条目实现调整。在流入口记录流量速率的特性。当流量速率变化, OF-BVOS将发送频谱调整信息给控制器, 以产生一个新的流条目。然后, 控制器将更新流条目, 以OF-BVOSs完成相关的频谱调整操作。

五、结束语

引入SDN技术能够直接影响光传送网控制平面的智能化演进以及多业务分组化的发展趋势, 同时其实现了软硬件解耦的特性也开创了光传送网发展的新方向。SDON若能大范围成功商用, 可支持物理底层损伤、能耗感知与质量评估, 支持光传输可调单元的多参数选择, 大幅提升底层资源的传输质量。此外, 由于接口开放, SDON便于应用层的业务提供和区分, 可有效处理大型多域异构网络的互联互通、统一控制调度、灵活的运维和升级, 其强大的适应、扩展、调节能力能够优化光网络层分层多域架构、可编程控制。引进SDN技术是光网络变革迈向高度智能化的必然趋势。

参考文献

[1]X.Zheng, N.Hua.Achieving Inter-Connection in Multi-Domain Heterogeneous Optical Network:from PCE to SDON[C].Asia Communications and Photonics Conference, Beijing, China, 2013:AW4I.2.

[2]张国颖, 徐云斌, 王郁.软件定义光传送网的发展现状、挑战及演进趋势[J].电信网技术, 2014, 6:26-27.

[3]张国颖, 徐云斌.拥抱SDN, 光网络进化正当时[N].人民邮电, 2014-03-27.

新型智能材料(形状记忆合金)论文篇5

摘要：本论文主要讨论形状记忆合金相关内容,扼要地叙述了形状记忆合金的发现以及发展历史和分类, 介绍了形状记忆合金在工程中应用的现状以及发展前景。

关键词：形状记忆合金、形状记忆合金效应、应用

一、引言

形状记忆合金(Shape Memory Alloy ,SMA)是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性形变并固定成另一种形状后,通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初始形状的一类合金。形状记忆合金具有的能够记住其原始形状的功能称为形状记忆效应(Shape Memory Effect ,SME)。研究表明, 很多合金材料都具有SME ,但只有在形状变化过程中产生较大回复应变和较大形状回复力的,才具有利用价值。到目前为止,应用得最多的是Ni2Ti 合金和铜基合金(CuZnAl 和CuAlNi)。

形状记忆合金作为一种特殊的新型功能材料,是集感知与驱动于一体的智能材料,因其功能独特,可以制作小巧玲珑、高度自动化、性能可靠的元器件而备受瞩目,并获得了广泛应用。

二、形状记忆合金的发展史

1932年,瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到“记忆”效应，即合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般地变回到原来的形状，人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。

1938年。当时美国的在Cu-Zn合金小发现了马氏体的热弹件转变。随后，前苏联对这种行为进行了研究。1951年美国的Chang相Read在Au47·5Cd(％原子)合金中发现了行状记忆效应。这是最早观察到金属形状记忆效应的报道。数年后，Burkhart 在In-Ti 合金中观察到同样的现象。然而在当时，这些现象的发现只被看作是个别材料的特殊现象而未能引起人们足够的兴趣和重视。直至1962年，美国海军机械研究所r发现了Ni-Ti合金中的的形状记忆效应，才开创了“形状记忆”的实用阶断。

1969年，美国一家公司首次将Ni-Ti合金制成管接头应用于美国F14 战斗机上；1970年，美国将Ti-Ni记忆合金丝制成宇宙飞船用天线。这些应用大大激励了国际上对形状记忆合金的研究与开发。20世纪7 年代，相继开发出了Ni-Ti 基、Cu-Al2-Ni 基和Cu-Zn-Al 基形状记忆合金；80 年代开发出了Fe-Mn-Si 基、不锈钢基等铁基形状记忆合金，由于其成本低廉、加工简便而引起材料工作者的极大兴趣。从20世纪90 年代至今，高温形状记忆合金、宽滞后记忆合金以及记忆合金薄膜等已成为研究热点。

从SMA 的发现至今已有四十余年历史，美国、日本等国家对SMA 的研究和应用开发已较为成熟，同时也较早地实现了SMA 的产业化。我国从上世纪70 年代末才开始对SMA 的研究工作，起步较晚，但起点较高。在材料冶金学方面，特别是实用形状记忆合金的炼制水平已得到国际学术界的公认，在应用开发上也有一些独到的成果。但是，由于研究条件的限制，在SMA 的基础理论和材料科学方面的研究我国与国际先进水平尚有一定差距，尤其是在SMA 产业化和工程应用方面与国外差距较大。

记忆合金主要分为以下几种（1）单程记忆效应：

形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。（2）双程记忆效应：

某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。

（3）全程记忆效应：

加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。SMA的形状记忆效应源于热弹性马氏体相变，这种马氏体一旦形成，就会随着温度下降而继续生长，如果温度上升它又会减少，以完全相反的过程消失。两项自由能之差作为相变驱动力。两项自由能相等的温度T0称为平衡温度。只有当温度低于平衡温度T0时才会产生马氏体相变，反之，只有当温度高于平衡温度T0时才会发生逆相变。

在SMA中，马氏体相变不仅由温度引起，也可以由应力引起，这种由应力引起的马氏体相变叫做应力诱发马氏体相变，且相变温度同应力呈线性关系。

至今为止发现的记忆合金体系

Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、In-Ti、Au-Cu-Zn、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe-Mn-Si等。

形状记忆合金的历史只有70多年，开发迄今不过20余年，但由于其在各领域的特效应用，正广为世人所瞩目，被誉为“神奇的功能材料”，其实用价值相当广泛，其应用范围涉及机械、电子、化工、宇航、能源和医疗等许多领域。

二、形状记忆效应的应用

迄今为止,形状记忆合金在空间技术、医疗器械、机械器具、电子设备、能源开发、汽车工业及日常生活各方面都得到了广泛的应用,总的来说,按使用特性的不同,可归纳为下面几类:

(1)自由回复。

SMA 在马氏体相时产生塑性形变,温度升高自由回复到记忆的形状。自由回复的典型例子是人造卫星的天线和血栓过滤器。美国航空航天局(NASA)将Ti2Ni 合金板或棒卷成竹笋状或旋涡状发条,收缩后安装在卫星内。发射卫星并进入轨道后,利用加热器或太阳能加热天线,使之向宇宙空间撑开。血栓过滤器把Ni2Ti 合金记忆成网状,低温下拉直,通过导管插入静脉腔,经体温加热后,形状变为网状,可以阻止凝血块流动。有人设想,利用形状记忆合金制作宇宙空间站的可展机构,即以小体积发射,于空间展开成所需的形状,这是很有吸引力的机构。

(2)强制回复。

强制回复最成功的例子是SMA 管接头。事先把内径加工成比被接管外径小4 % ,当进行连接操作时,首先把管接头浸泡在液态空气中,在低温保温状态下扩径后,把被接管从两端插入,升高温度,内径回复到扩径前的状态,把被接管牢牢箍紧。利用SMA 制作的脑动脉瘤夹可夹住动脉瘤根部,防止血液流入,使动脉瘤缺血坏死。本田等人用厚度为015mm 的Ti2Ni 板制作的Ag2TiNi 复合夹满足小而轻、装卸简便等要求,效果良好。此外,类似的用途还有电源连接器、自紧固螺钉、自紧固夹板、固定销、密封垫圈、接骨板和脊柱侧弯娇形哈伦顿棒等。

(3)动力装置。

有些应用领域,要求形状记忆元件在多次循环往复运动中对外产生力的作用。温度继电器和温度保持器、自动干燥箱、电子灶、热机、卫星仪器舱窗门自动启闭、自动火警警报器、热敏阀门、液氨泄漏探测器、煤气安全阀、通风管道紧急启动闸门、自动收进烟头的烟灰盒及人工心脏等都属于这种应用类型。1997 年美国航空航天局(NASA)的科学家利用长3cm ,直径0115mm(01006″)的Ni-Ti SMA 驱动火星探测器上的太阳能电池挡板,加热SMA ,使其收缩,通过传动装置,打开太阳能电池上的玻璃挡板,电池充电。充电结束后,偏置弹簧重新使挡板复位。挡板的有效开合可起到防尘的目的。

(4)精密控制。

因为SMA 的相变发生在一定温度范围而不是某一固定温度点,我们往往只利用一部分形状回复,使机械装置定位于指定的位姿。微型机器人、昆虫型生物机械、机器人手抓及微型调节器、笔尖记录器及医用内窥镜都属于这一类。形状记忆合金用作机器智能人的执行器,集传感、控制、换能、制动于一身,具有仿真性好、控制灵活、动作柔顺、无振动噪声、易于结构微型集成化等优点。日本的日立公司已研制出具有13个自由度的能拣取鸡蛋的机器人。俄罗斯St1Petersburg 机器人及控制技术学院在Cu-Al-Ni 基合金材料的研究基础上,研制出了拟人机械手(115m 长),其手爪能移动200kg的物体。该研究小组还给出了手爪的精确控制系统。医学上用到的具有多自由度能弯曲转入肠道内诊断疾病,进行手术的机器人也属于这一类型。现有的大肠镜的直径为10～20mm ,这种内窥镜的直径为13mm ,因此它特别适用于作大肠镜。诊断过程中,医生一边看纤维镜中的图象,一边移动操纵杆给出前端的第1 ,2 节弯曲角指令和内窥镜前进、后退指令,通过计算机进行柔性控制,使内窥镜能够平滑地沿着通路前进或后退,大大减小了患者的痛苦,也增加了诊断的准确性。随着目前超大规模集成电路技术的飞速发展,可进一步制成微米级甚至更小的超微仿生物。

(5)超弹性应用。

SMA 的伪弹性在医学上和日常生活中得到了广泛的应用,市场上的很多产品都应用了SMA 的伪弹性(超弹性)性质。主要有牙齿娇形丝、人工关节用自固定杆、接骨用超弹性Ni2Ti 丝、玩具及塑料眼镜镜框等。Ni2Ti 丝用于娇形上,即使应变量高达10 %也不会产生塑性变形,而且应力诱发马氏体相变的过程中,应变增大较多时矫正力却增加很少。故能保持适宜的矫正力,既可保证疗效,也可减轻患者的不适感。

三、存在的问题和研究方向

在SMA 的研究和应用中,目前尚存在许多有待解决的问题,例如:(1)由于SMA 的各种功能均依赖于马氏体相变,需要不断对其加热、冷却及加载、卸载,且材料变化具有迟滞性,因此SMA 只适用于低频(10Hz 以下)窄带振动中,这就大大限制了材料的应用。

(2)SMA 自身存在损伤和裂纹等缺陷,如何克服这些缺陷,改善材料性能是当前迫切需要解决的问题。

(3)现有的SMA 机构模型在实际工程应用中都还存在一些缺陷,如何克服这些缺点,从而精确地模拟出SMA 的材料行为也是一个需要研究的重要课题;(4)在医学应用方面,还需继续研究SMA 的生物相容性和细胞毒性。(5)SMA 作为一种新型功能材料,其加工和制备工艺较难控制,目前还没有形成一条SMA 自动生产线,此外材料成本也相当昂贵。

(6)为了提高应用水平,SMA 元器件还需要进一步微型化,提高反应速度和控制精度,在这方面仍有许多工作要做。

SMA 研究今后的发展方向和趋势可归纳为以下几方面:(1)充分发掘、改进和完善现有SMA 的性能;(2)研究开发新的具有形状记忆效应的合金材料;(3)SMA 薄膜的研究与应用;(4)SMA 智能复合材料的研究与开发;(5)高温SMA 的开发。

四、前景展望

在形状记忆合金的实用化进程中,急需积累并分析关于材料特性、功能可靠性、生物相容性和细胞毒性等方面的基础数据资料。可以预言,随着对SMA 研究的进一步深化,传统的机电一体化系统完全有可能发展成为材料电子一体化系统。

五、结语

记忆合金目前已发展到几十种，在航空、军事、工业、农业、医疗等领域有着用途，而且发展趋势十分可观。这些研究表明我们已经做出了一个迈步，但我们需要将这一步迈的更大。加以时日，它将大展宏图、造福于人类。

多方向红外测距新型智能导盲杖篇6

关键词：红外探测器； Arduino控制器；导盲杖；语音报警

中图分类号： TN 215文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2012.05.017

引言国内目前约有500万盲人，占全世界盲人总数的18%。盲人在行走引导方面具有很大的困难，目前引导盲人行走的方法主要有三种：（1）传统的手杖引导；（2）盲道引导；（3）导盲犬引导。其中传统的手杖引导通过敲击地面告知盲人前方是否为可行路线，它无法告知盲人周围障碍物的空间分布和距离[1]；盲道存在一定的局限性；而导盲犬的培训周期长，并且成本很高[2]。为此，文中提出了一种引导盲人行走的便捷方案，用三个红外线探测器同时探测前、左、右三个方向障碍物距离数据，控制器对这些数据进行处理判断，然后通过MP3语音模块的提示音和蜂鸣器提示盲人周边障碍物的距离，扩大盲人的感知空间。图1三角法测距原理图

Fig.1The schematic diagram of

triangular surveying1系统工作原理

1.1红外线探测器测距原理导盲系统中，采用红外线探测器测量身体与障碍物之间的距离。该红外线探测器是基于三角测距原理完成身体与障碍物之间距离测量的，被测障碍物是具有一定漫反射性质的反射体，如墙壁、纸张等[35]。三角法测距的基本原理是基于平面三角关系。三角形的三个顶点分别为光线发射端、接收端和障碍物，红外线发射端按照一定角度θ发射红外光束，遇到障碍物时光束就会反射回来，反射光线照射到接收端的CDD检测器上，在检测器上相对中心位置有一个偏移量X，随着探测器与障碍物之间距离d的变化，偏移量的大小也随之发生改变。利用三角关系，在知道了发射角度θ，偏移距X，中心矩D，以及滤镜的焦距f以后，传感器到物体的距离d就可以通过几何关系计算出来[6]，图1为三角法测距原理示意图。光学仪器第34卷

第5期马宏平，等：多方向红外测距新型智能导盲杖

一般的红外探测器的结构是固定的，光线发射角度θ、中心矩D、滤镜的焦距f都是常数，所以障碍物的距离d只与发射光线在CCD检测器上的偏移量X有关[7]。红外线探测器的模拟输出电压信号与反射光线光斑中心位置有关，即与偏移量X之间有一定的比例关系，所以探测器输出的电压信号与障碍物的距离d之间存在着一定的函数关系，通过对红外探测器件输出的电压信号进行采集、运算处理就可以获得传感器与被测物体表面之间的距离信息。

新型智能网络技术篇7

1 内部作用机制

1.1 拉曼原理介绍

拉曼光谱分析技术由于具有激发光源选择自由度大、检测范围广等优点, 被科研人员重视, 在各个领域如食品安全、制药、环境监测等得到了广泛的应用[1]。光束照射到物质上会发生2种散射, 即弹性散射与非弹性散射。其中, 弹性散射的散射光与激发光波长相同, 非弹性散射的散射光 (即拉曼光谱) 与激发光波长相比, 有的比激发波长长, 有的比激发光波长短。每一种物质都有自己的特征, 利用光束照射垃圾方可判断出其物质种类, 继而通过智能垃圾桶的机械板的位移对垃圾进行物质分类。拉曼光谱类似于人的指纹, 利用拉曼谱线的频率、强度和偏振度的不同, 可以研究物质的结构和性质[2]。

1.2 拉曼光谱的利用

因塑料水瓶、A4纸、铁的回收利用率较高, 所以笔者先对这几类物质进行分类回收, 将垃圾桶内分为4个区域, 分别为塑料水瓶、A4纸、铁及其他类。通过拉曼光谱实现垃圾分类, 第一步得出具体各类物质的散射光范围, 理论上可以利用拉曼光谱仪测量大量各类塑料水瓶、A4纸、铁的非弹性散射的散射光, 通过多次试验得出每类物品的大概散射光范围, 设塑料水瓶物品散射光范围为a~b, 纸张物品散射光范围为c~d, 铁物品散射光范围为e~f, 除此之外的散射光范围归为其他类。为实现智能垃圾桶能对所投入物质做出自主的判断分析, 第二步将不同物质的散射光范围编制到程序芯片中。为判断出投入口处物质的种类, 第三步在垃圾桶内设一简易拉曼光谱仪, 投放物质至垃圾入口处, 使一束频率为v0的单色光照射到样品上, 光线发生散射, 拉曼散射光约占总散射光强度的10-10~10-6。当所测垃圾散射光在范围a~b内, 则其为塑料水瓶, 根据所编程序, 机械板将塑料水瓶水平位移至其对应区域, 机械板向两边打开, 塑料水瓶掉入区域内;同理, 所测垃圾散射光分别在c~d、e~f范围内时, 对应掉入相应区域, 散射光不在这些范围内的垃圾, 都掉入其他区域中。这样理论上便可实现最基础的垃圾分类[3]。

1.3 机械板工作原理

智能垃圾桶通过对投入的物质进行光束照射、芯片分析, 得出物品的种类, 为实现垃圾桶自主将垃圾转移到相应区域, 需要在垃圾桶内部设置一机械板。垃圾桶的内置机械板是可沿轨道左右滑动的金属板, 其工作机制受内置芯片控制, 芯片内部程序源可根据所接收到的波长判断垃圾的材质并反馈给机械板, 从而机械板作出相应的移动方向及移动距离的工作, 移至相应位置后机械板向左右两边打开, 垃圾落入指定垃圾区域内, 同时机械板返回起点位置。

1.4 机械板程序设计与分析#include<stdio.h>

程序解释:根据C语言编程原理设计源程序, 定义一个整型变量i, i表示机械板移动的距离;定义一个浮点型变量j, j表示所接收到的波长。扫描所接收到的波长, 如果所接收的波长范围为a~b, 根据拉曼光谱仪预先测量的数据判断该物质为塑料水瓶, 则机械板移动相应长度22.5cm, 随机机械板打开, 垃圾落入盛放塑料水瓶的箱内;如果所接收的波长范围为c~d, 根据所查数据判断该物质为A4纸, 则机械板移动相应长度45cm, 垃圾落入A4纸的箱内;如果所接收的波长范围为e~f, 根据所查数据判断该物质为铁, 则机械板移动相应长度67.5cm, 垃圾落入盛放铁的箱内;如果所接收的为其他波长范围, 则机械板不移动, 直接打开让垃圾落入箱内, 归为其他材质垃圾 (见表1) 。通过Code Block编译器对源程序进行编译、连接操作证实源程序可成功运行[4]。

2 整体设计

2.1 总体外观

为更好地向大众传达出“实行垃圾分类、保护地球家园”的讯号, 使其更好地与周围环境融合在一起, 让不同年龄段的人群都可以体会出其中的含义, 将垃圾桶的外观设计为卡通房子形状, 顶部为一个三棱柱, 2个形状为三角形的面在整个垃圾桶的左右两侧。总体外形主体为一个长方体, 其底面长90cm, 宽30cm, 高65cm。垃圾桶长120cm, 分别多于下面长方体左右两边15cm, 宽与长方体相同, 30cm。

2.2 4个区域

垃圾桶内部盛放垃圾的区域共分为4个子区域, 分别对应上述所提的A、B、C、D4个区域, 且从垃圾桶正前方来看, 从左至右分别为C铁、B纸张、A塑料水瓶、D其他。

因塑料水瓶的丢弃量与其他各类垃圾的丢弃量较多, 同时塑料水瓶、A4纸、铁的回收再利用率较高。因此, 将不同物质的区域的大小进行不同的设计。此外, 根据垃圾桶在不同位置的放置情况, 具体设计不同大小的分类区域。

D区域在整体最右侧, 内部为长30cm、宽30cm、高45cm的正方体;C区域在整体最左上侧, 长15cm, 宽30cm, 高20cm;B区域在C区域的右侧, 长30cm, 宽30cm, 高20cm;其余区域为A区域, A区域为一个不规则形状, 由两部分构成, 一部分是在D区域左侧, 长15cm, 宽30cm, 高45cm, 另一部分是B、C区域的下方, 长45cm, 宽30cm, 高25cm。

2.3 投放口

投放口在垃圾桶最右侧, 即D区域的上方, 是一个长30cm、高20cm的矩形。投放口底侧为机械板。

2.4 机械板

根据垃圾桶的4个区域规模大小, 设计机械板由长15cm、宽30cm、厚度为1cm的2块金属板组成, 金属板的前后两长边均设有凹型卡槽, 内部放置微型芯片, 在通电及芯片控制下金属板可在金属滑轨上自由移动。金属轨放置于垃圾桶4个区域正上方, 金属轨由2条表面光滑金属长筒组成, 并分别固定于垃圾桶上表面的前后楞上, 为使机械板的滑动及机械口的打开留有足够空间, 其长度设为120cm, 宽度同机械板为30cm。

2.5 电源

电线连接金属滑轨及机械板, 紧贴垃圾桶侧内壁从底部导出。

2.6 太阳能板

为向大众传达可持续发展的思想观念, 垃圾桶上部三棱柱房顶部分, 上表面两面设置太阳能板, 两面分别面朝不同方向, 吸收到的太阳光较为充足, 节省用电量, 具体落实了能源的再利用。

3 结语

本文采用拉曼光谱识别技术及芯片编制程序机械板, 设计了一款创新型智能识别垃圾桶, 通过对投入物质的识别分类, 为垃圾的分类、回收与环境的保护开辟了一种可行有效的措施。但本文中仍存在不足之处, 例如, 对各种生活垃圾进行进一步更细致的分类是笔者今后进一步研究的主要方向;拉曼光谱感应装置的灵敏度需要进一步提升等。

参考文献

[1]姜承志.拉曼光谱数据处理与定性分析技术研究[D].北京:中国科学院大学, 2014.

[2]李蔓, 夏寅, 王丽琴.偏光显微分析和拉曼光谱分析在彩绘颜料鉴定中的应用[J].光散射学报, 2013 (3) :268-275.

[3]百度文库.拉曼光谱仪[EB/OL]. (2010-04-26) [2016-08-25].http://wenku.baidu.com/view/7c58db22bcd126fff7050bd2.html.

新型智能网络技术篇8

1 新型自动化仪表设计分析

1.1 自动化仪表设计传统模式与新型模式

对于传统仪器仪表而言,其在实际设计过程中先对系统硬件进行设计,之后再对系统软件进行设计,之后对整体系统进行集成测试。在这种设计模式下,若发现系统硬件中有错误存在,或者在系统结构中存在缺陷,要想对其进行修正十分困难,可能会造成结果就是需要重新设计系统,这样一来,不但会导致开发周期被延长,使开发成本增加,并且与快速发展市场需求相适应。

在对新型嵌入式仪器仪表系统进行研究开发过程中,设计人员认为系统软件开发及系统硬件开发两者之间应当保持协同、一致,而不可使其分离、独立。具体而言,在系统硬件以及系统软件实现之前,应当合理划分系统中软件与硬件需实现功能,从而使最佳分解方案能够产生,另外,在开发系统硬件之前,应当合理验证嵌入式系统需实现功能,从而使系统实现功能保证与最初功能规格说明一致。这属于新型的一种设计模式,即软硬件协同设计,该设计思想在自动化仪表设计方面具有十分重要的意义。

1.2 软硬件协同设计分析

对于软硬件协同设计而言,其主要分为四个阶段,即系统功能描述及划分阶段,软硬件设计阶段以及协同模拟阶段与软硬件综合阶段。

1.2.1 系统功能描述及划分

在系统设计初期便应当对系统进行功能验证及性能验证,通过与实现无关语言对系统功能进行描述,可选择VHDL当作算法级描述语言,同时也可对C语言实行必要修改以及扩充,将其当作行为级描述语言,从而模拟验证系统功能。

1.2.2 软件功能与硬件功能分解

以系统功能描述为基础,依据设计目标以及相关约束条件对系统进一步进行分解,对系统中软件部分与硬件部分进行划分,从而保证能够并行进行系统设计,从而尽最大可能使系统方案实现最优化。

1.2.3 系统协同模拟

在完成系统软件与硬件设计之后,利用通信以及同步机制综合模拟验证整个系统,对于系统设计中存在偏差及时发现,并且对其进行修正。

1.2.4 软件与硬件综合

在系统模拟通过之后,应当实行系统软件与系统硬件综合,最终使整个系统设计能够得以完成。对于硬件构件综合而言,其构成所包括内容主要为硬件高层综合、版图综合以及逻辑综合等;对于软件构件综合而言,其构成所包括内容主要为高级综合、编译以及汇编等。在仪表系统设计过程中,通过对这种新型设计思想的合理应用,不但能够使社会成本在很大程度上降低,可使设计周期有效缩短,并且还能够防止重复设计情况出现,使系统设计能够提高合理性,并且能够提高其成功率。

2 新型自动化仪表核心内容分析

从当前实际情况来看,在自动化仪表中所选择的微控制器大部分都是8位或者16位,这样虽然能够在一定程度上实现智能化,然而由于当前需要实现功能越来越多,并且也越来越复杂,这些控制器已经无法适应当前实际需要。另外,随着当前微电子技术、芯片技术以及集成电路技术快速发展,一些性能比较高的嵌入式处理器在体积、功耗以及价格方面均有一定程度降低,在一些新型仪表中高性能嵌入式处理器使用已经成为可能。

对于嵌入式DSP处理器而言,在其系统结构以及指令方面均实行特殊设计,实行DSP算法比较适合,该处理器具有较高的编译效率,并且在执行指令方面也具有较快速度,在数字滤波、谱分析以及FFT方面均表现出比较明显的优势,其中代表性比较强的产品主要包括TMS320系列以及DSP56000系列。为能够使各种应用需求均得到满足,有些处理器生产厂家还提供专门集成化处理器。

在系统中将32位处理器当作内核,另外在处理器中还包括很多外围功能。比如Motorola68360,其属于集成通信用处理器,其内核为32位,其最大特点就是集成通信系统,在系统内部包括4路协议通道,这些协议通道具有同步协议,对HDLC、T1/E1以及ISDN等一些通信协议均具备支持作用。对于ARM系列微处理器而言,其具有更多种类,有些专门在网络中应用,有些专门在通信中应用,有些用于集成DSP协处理器,有些对Java可起到支持作用。用户在实际应用过程中,可将自动化仪表具体应用要求作为依据,并且综合考虑体积、功耗以及性能与价格等方面因素,从而对嵌入式微处理器进行适当选择,并且在该基础上使更加高级算法能够得以实现,从而使其所提供功能能够更加强大。

3 利用嵌入式Internet技术实现自动化仪表网络化

在很早之前,使自动化仪表和互联网之间实现联接这一思路便已经存在,其所存在困难主要就是对于因特网而言,其中通信协议对计算机存储器以及运行速度均有着比较高的要求,而对于当前仪器仪表而言,其所利用微处理器大部分都是8位与16位,对TCP或者IP能够支持的互联网协议所占的系统资源数量非常大,或者说这种情况要想实现基本是不可能的。对于当前普遍使用的8位仪器仪表及16位仪器仪表而言,除选择性能比较高的32位处理器以及相关硬件平台之外,嵌入式同时提供相关网络化解决方案,其中代表性比较强的就是嵌入式微型互联网技术。利用微型互联网技术能够将互联网接入,选择性能较高嵌入式处理器或者桌面计算机,将其作为网关,而该网关是实现网络协议的关键内容。

总而言之,自动化仪表网络化使系统潜力得到释放,使传统测量技术得到改变,使传统模式得以突破,改变以往同一地点采集、分析以及显示情况。另外,利用互联网以及网络技术,人们能够对远程仪器设备进行有效控制,在任意地点均能够实现采集、分析以及显示。

4 利用嵌入式实时操作系统提高自动化仪表质量

对于当前自动化仪表而言,实时操作系统并非其必须部分,并且对于传统仪器仪表而言,由于在处理器功能以及存储器容量方面存在限制,应用实时操作系统要想实现也比较困难。随着当前仪器仪表中硬件功能得以不断增强,其生产成本逐渐降低,功能要求不断增加,并且也越来越复杂,因而需利用实时操作系统合理协调调度多个任务,对系统资源进行合理管理。另外,随着当前不同种类嵌入式实时操作系统越来越多,在硬件配置方面也不在有十分严格的要求,其实时性得以不断增强,并且工作效率也得以不断提高,有些还能够支持网络协议,从而在自动化仪表中使实时操作系统的应用得以实现。

用户可依据实际应用需求,从内存管理与开销、任务调度以及任务切换时间与中断禁止最大时间等相关方面为标准,从而对实时操作系统进行衡量以及适当选择。在嵌入式处理器以及相关硬件平台支持之下,利用实时操作系统进行高效调度以及管理,在新型嵌入式自动化仪表中,系统中软件地位更加突出。系统软件不再仅仅是硬件附属品,而是成为系统智能模块,具有很强的处理能力,可使人工智能方法以及技术得以实现,使自动化仪表能够对复杂信号进行处理计算,并且能够实行频谱分析,并且能够根据分析、比较以及推理结果,从而将相关控制信息输出,可实现自我诊断以及自我测试,通过在内部及性能协调以及自动修复重组,与外界变化情况相适应,从而能够实现自补偿与自适应,并且通过进行自校准能够是自身准确度得到保证。另外,其还能够通过自学习而能够对更多更复杂测控程序进行处理,从一定程度上来说软件决定了仪器仪表智能化程度。

5 结语

在当前仪器仪表设备应用过程中,传统模式已经无法适应当前需求,新型嵌入式仪表在社会上得到越来越广泛的应用,并且智能化技术与网络化技术在嵌入式新型仪表中得到广泛应用,使其智能化程度及网络化程度均得到有效提高,从而能够得以更好应用。

参考文献

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[3]湛玉凤.信息时代下的工业自动化仪表发展趋势分析[J].硅谷,2010(17).

新型智能固态断路器研制篇9

关键词：固态断路器,IGCT,仿真

0 引言

20世纪90年代初,美国电力科学研究院(EPRI)曾组织专家对配电网络进行专门调研,提出了使用门极可关断晶闸管(GTO)发展固态断路器(SSB)以及具体的设计和应用要求[1]。文献[2]针对13 k V电压等级详细研究了基于GTO的SSB的控制原理及拓扑结构模型,文献[3]对使用GTO和集成门极换向晶闸管(IGCT)的几种开关拓扑结构进行了比较,表明基于IGCT的SSB各方面性能有较大优势。文献[4鄄7]通过电力仿真软件PSIM建立了IGCT的有效功能模型并进行了相应的验证。本文借鉴了智能化开关的部分思想[8鄄13],研究设计了一种基于非对称型IGCT(AS-IGCT)的10 k V新型智能化SSB。

1 新型SSB的应用分析

由于SSB动作快速,可以准确地控制开关时刻,但比常规的机械式断路器成本高,所以一般应用于一些对电能可靠性要求较高的场合[14]。图1是将SSB应用于敏感负载的馈线支路上,配合静态无功发生器(STATCON),为其提供高质量电能。设敏感负荷只能容忍不大于半个周期的停电时间,正常时机械式断路器QF2处于开断状态。馈线1发生故障时,SSB可在小于半个周期内迅速断开系统侧,这时将由STATCON暂时维持敏感用户母线电压水平。机械式断路器QF1几百毫秒后将故障馈线1断开,互为备用的馈线开关QF2闭合。当检测到供电正常后SSB合闸,恢复对负载的供电。负载侧发生短路时,SSB和STATCON快速断开,同时将短路限流开关打开并延时10~15个周期后若仍有故障则关断电路。

2 开关主体的拓扑结构及控制策略

开关主体的拓扑设计是SSB设计的核心部分。根据前面分析,由于SSB长时间处于导通状态,通态损耗是其非常重要的一个技术指标。SSB的动作时间至少要小于半个周期,且动作可靠。

当前,技术较成熟的全控型大功率半导体开关器件主要有GTO、IGBT、IGCT。作为SSB的开关器件,不仅要求有低的通态损耗,而且要易于控制。而新型开关器件IGCT不仅采用缓冲层设计使其取得了比GTO更低的导通及关断损耗,而且其硬驱动技术使得器件能够类似于IGBT一样均匀关断,所以成为了中压兆瓦级SSB较为理想的开关器件。本装置选用的是相对通态压降最低的非对称型IGCT(5SHY35L4512)作为断路器的开关器件。

电网电压等级是10 k V,考虑到电网尖峰电压的波动,断路器的设计耐压等级至少为13 k V,再加上一个器件的冗余,所以开关主体由2个9 k V开关模块串联组成。开关模块拓扑结构见图2,由反并联的2路IGCT串联模块组成,分别导通正负半周期的电流。每路IGCT串联模块中需加一个9 k V的整流二极管,以保护开关元件。与IGCT并联的有d u/d t缓冲电路、均压电阻以及压敏电阻。由于IGCT的过流能力低,在开关模块串联构成断路器时需增加d i/d t缓冲电路。

SSB的控制策略也是关系到其整体性能优劣的一个关键因素。正常情况下,SSB采取软开关控制策略,即开关在电压为零时开通,在电流为零时关断。在系统侧发生故障时,断路器应立即断开故障馈线以保护敏感负载正常运行。当负载侧出现短路故障时,先快速关断开关,若半个周期内故障被排除则闭合开关;否则,开通并联的限流开关使得故障电流限流导通最大15个工频周期以保护负载侧装置。

3 整体结构设计

固态断路器的整体结构见图3,主要分开关主体和测控系统2部分。

开关主体部分由AS-GCT开关模块、门极驱动模块、保护模块、强力风冷系统等组成。其中,门极驱动模块由测控系统通过光纤进行控制。由于5SHY35L4512是通态损耗很低的非对称型IGCT,所以开关模块冷却装置采用强力风冷系统,完全能满足模块散热需要且具有比水冷系统更好的安全性。为了在发生过流、过压故障时保护整个装置及其周边器件,增加了保护模块。

测控系统部分可分为基于双核DSP处理器的控制模块、光纤电压、电流温度传感器组成的探测模块以及由通信模块、人机接口等构成的外围模块。装置选用了TI公司生产的双核定点处理器为控制核心。该处理器集成了基于TMS320C54X核的DSP子系统和基于ARM7TMDI核的RISC微控制器子系统,能够满足系统实时控制和实时快速地实现各种数字信号处理算法的双重需要。整个系统任务的调度分配由RISC微控制器子系统完成,而数据的快速处理由DSP子系统完成。基于测控子系统的稳定性、实时性和开发维护的方便性,在处理器上移植了μC/OS2Ⅱ嵌入式实时操作系统。

4 仿真试验数据及结果分析

根据5SHY35L4512特性(1),借鉴部分已有的等效模型[4鄄7]建立了IGCT的模型,并利用测试电路验证其有效性。

图4是IGCT关断时的电压(uIG)和电流(iIG)波形。从图中可看出IGCT关断时由于电路中电感将产生较高的关断电压,构成断路器开关模块时须添加过压缓冲电路以保护IGCT元件。

根据前述的开关拓扑结构建立SSB仿真模块。图5为简化的测试原理图。利用交流电源和电感模拟配电网,用理想零电阻模拟负载短路故障。图6为测试的电路电流(iTS)、电压(uTS)波形。

从上面仿真图形可看出,在发生短路故障时,SSB迅速断开了短路电流,使得电流尖峰只上升到正常工作最大电流值2倍左右,下游负载受到较小的电流冲击,有效地保护了负载的运行安全。

5 结论

新型智能户用光伏系统篇10

太阳能作为一种新型、环保、洁净的可再生能源, 近年来越来越受到人们的普遍关注, 在政策方面国家也对太阳能的发展给予了大力扶持。太阳能必将成为未来能源开发利用的一个重要方向。

2013年至2014年期间, 国家先后出台的《国务院关于促进光伏产业健康发展的若干意见》、《关于进一步落实分布式光伏发电有关政策的通知》等政策, 分布式光伏发电应用得到了高度的重视。

在我国, 相比于大规模集中式地面光伏电站, 分布式光伏发电有着诸多优势, 它是以就近发电, 就近并网, 就近转换, 就近使用为原则, 省去升压及长距离输电的过程, 系统损耗小效率高。系统容量一般相对较小, 分散式, 在用户侧并网发电, 电压等级低, 对电网冲击影响小等。系统可广泛安装于工业厂房屋顶、公共建筑屋顶及幕墙、民用建筑屋顶及阳台等, 不占用额外的土地资源, 应用方式灵活, 同时光伏材料还能有效降低建筑物自身的能耗, 环保效益及经济效益显著。

户用光伏系统作为分布式光伏发电的一个重要组成部分, 可广泛应用千家万户的建筑物屋顶。假如全国有800万户家庭安装了户用光伏系统, 平均每户安装3KWp, 则装机总容量将超过三峡工程的总装机容量。户用光伏系统的各方面效益皆非常可观。

目前户用光伏系统的应用形式主要有简单的独立系统和并网系统, 系统应用层次比较低, 系统效率、稳定性、可靠性和经济性等比较差, 只能实现简单的光伏发电功能, 没有统筹从分布式发电、用户高效经济可靠用电、电网要求等多角度统筹规划, 没有兼顾用户、电力公司、管理部门等多方面利益或需求, 不能适应未来长远发展。

针对现有户用光伏系统存在的诸多问题, 现提出一种新型智能的户用光伏系统, 并对其原理与应用进行深入研究。

2 新型智能户用光伏系统

2.1 对目前已有几种户用光伏系统的分析

现在普遍应用的户用光伏系统有离网型 (独立) 户用系统和并网型户用系统, 如图1和2所示:

离网型户用光伏系统主要由太阳电池组件 (光伏组件) 、光伏控制器、蓄电池、离网逆变器等组成, 光伏组件将太阳辐射能转换直流电能, 并通过光伏控制器对蓄电池进行充放电控制。光伏控制器一方面可直接输出直流电为直流负载供电, 也可通过离网逆变器将直流电转换为交流电为交流负荷供电。

离网型户用光伏系统结构比较简单, 功能也比较单一, 其光伏控制器一般不带mppt (最大功率点跟踪) 功能, 光伏效率较差。离网逆变器的功率因数一般只有0.8左右, 转换效率一般也只有80%多一点, 损耗高, 带负荷能力差, 对非阻性负荷一般需要降容量运行, 否则逆变器很容易遭受冲击而损坏模块。系统成本一般较高, 稳定性、可靠性较差。

并网型户用光伏系统和离网型相比省去了光伏控制器和蓄电池。光伏组件将太阳能转换直流电能后, 经并网逆变器将直流电转换为交流电为本地负荷供电, 不足部分由市电补充, 若有富余电力则反馈入公共电网。进户表箱中的电表具双向计量功能。并网型户用光伏系统相比离网型户用光伏系统, 其功能有了很大改进, 其效率一般较高, 可在95%以上, 满功率功率因数一般不低于0.99。在电网稳定的情况下, 系统稳定性、可靠性相对较高。但该种并网型户用光伏系统也存着诸多缺点:

(1) 对电网依赖性较高, 一旦电网出现故障或电网进户端电能质量较差, 则系统无法工作;

(2) 由于太阳能具有间歇性和随机性, 光伏电力输出不稳定, 对电网具有冲击性;随着户用光伏系统装机数量和容量不断增大, 该种影响会越发明显, 对电网结构和电网吸纳分布式光伏的能力也提出了越来越高的要求。

(3) 在低功率运行时, 光伏电力的电能质量较差, 对电网具有谐波污染;

(4) 该系统无法针对用户端的负荷需求、消费时段进行有针对性的统筹规划和智能供电。例如:太阳能发电的高峰时段往往并不是户用负荷消费的高峰时段, 白天的富余光伏电力只能低价卖给电力公司。晚上户用负荷高峰时, 太阳能已不发电, 此时用户又只得高价从电网购电。用户的光伏发电和用电的经济性较差。

(5) 由于该系统自身具有不稳定性等诸多缺陷, 从削峰填谷、统一调度、稳定电网等功能要求方面, 还无法满足电力公司和有关管理部门的要求。但为了吸纳更多的分布式能源, 从某种意义上说也只得推广坚强智能电网。

因此, 从解决问题的另一个角度考虑, 有必要提出一种能够满足用户经济用电需求, 能实现稳定输出, 对电网冲击小, 电能质量高, 能接受电网调度, 稳定、可靠、经济、智能新型的户用光伏系统。

2.2 新型智能户用光伏系统

2.2.1 系统总体设计

新型智能的户用光伏系统需包含性价比较高的储能装置、智能控制系统, 用以平滑光伏发电的间歇性和不稳定性, 实现光伏发电的最有效性、用户用电的最经济性、系统运行的最稳定可控性。

新型智能的户用光伏系统的总体结构原理图, 如图3所示:

图3中, 并网逆变器、双向 (储能) 逆变器、智能控制器各自为一个独立的设备, 其中智能控制器可集成安装在户用智能光伏配电箱中。该种结构, 可充分利用市场已有成熟产品进行系统集成, 但多台设备占用户用空间稍大, 效率稍有损失。

为了节省空间, 优化系统效率和功能, 可对图2-3所示系统进行升级优化。图4所示为升级优化后的新型智能户用光伏系统的总体结构原理图:

多功能智能混合逆变器包含了并网逆变、双向 (储能) 逆变、智能控制与通讯等多功能于一体, 体积相对较小、效率高、智能控制功能全, 响应速度快, 切换时间不超过10ms, 其系统原理图如图5所示:

根据需要还可对其进行风力发电、柴油发电机发电、其它新能源发电的功能拓展, 扩大系统适用范围。

2.2.2 系统组成

图3所示的新型智能户用光伏系统由光伏阵列、储能电池、并网逆变器、双向 (储能) 逆变器、户用智能光伏配电箱 (含对外通讯及监控的接口) 、改造后的原进户配电箱、计量装置等。

改造后的原进户配电箱中增加光伏并网接入点、储能并网接入点、静态开关、检测与控制装置等。

计量装置目前主要包括光伏补贴电表、双向电表, 一般在完成规定审批流程后, 由电力公司免费提供。

在我国, 从未来长远考虑, 鼓励户用光伏系统安装储能装置、配置储能补贴电表, 这将是必然的趋势。在储能补贴政策方面, 德国和日本的经验值得我国借鉴。

图4所示的升级优化后的新型智能户用光伏系统主要用多功能智能混合逆变器取代并网逆变器、双向逆变器、控制装置等。

多功能智能混合逆变器内部主要包含带mppt功能的DC/DC、用于对储能电池进行充放电控制的双向DC/DC、双向DC/AC功率模块、检测与控制模块等。

2.2.3 系统原理与功能实现

(1) 新型智能的户用光伏系统

图3所示的系统中, 光伏阵列在接收太阳光照后, 根据光生伏打效应会在并网逆变器的直流侧产生直流电压。此直流电压对光伏阵列来说为直流开路电压, 电流为0, 对并网逆变器来说为直流输入电压。与此同时, 并网逆变器会实时在线检测并网点电网状态, 在电网状态正常、符合并网条件后, 经过一段时间延时会闭合并网继电器 (或接触器) 。在并网逆变器直流输入端, 并网逆变器会根据mppt最大功率点跟踪的算法对光伏阵列进行最大功率输出跟踪, 根据光伏阵列的IV特性曲线, 调节直流开路电压至最大功率点电压。

双向逆变器会根据电池容量和智能控制器的控制要求进行充放电控制。

智能控制器对并网逆变器、双向逆变器、并网点、用户负荷、电网公共连接点PCC等进行监控, 并实时响应电力公司远程监控和调度指令, 并可根据需要采集互联网天气预报信息, 用于功率预测。也可以根据需要在本地安装环境监测仪, 用于日照、风速、风向、温度等环境参数监测, 但对于户用系统来说, 成本太高, 一般不太适用。

储能电池对于户用系统来说, 一般配置太阳能专用胶体电池, 但随着未来锂电储能技术的成熟及成本的进一步降低, 户用系统更适宜采用锂电进行储能。

系统工作原理及详细的控制策略如下:

(1) 白天、市电正常、峰值用电

若白天光照充足, 市电正常, 光伏所发电力经光伏并网点接入经改装后的原户用进户配电箱的交流母线上。光伏所发电力会优先为本地负荷供电。若此时蓄电池的SOC (荷电状态) 低于预设值, 则双向逆变器会处于为蓄电池进行充电的工作状态。此时处于充电中的蓄电池对于并网点交流母线来说相当于是本地负荷用电, 因此光伏所发电力会同时为本地原有户用负荷及蓄电池供电。当蓄电池充满时, 光伏所发电力只为本地原有户用负荷供电。

对于户用系统来说, 除了双休日和节假日, 白天工作中的户用负荷一般较少, 光伏所发电力有富余, 则会自动逆潮流反馈入公共电网。该过程皆为系统自动调节进行, 并符合分布式发电的自发自用、余电上网的原则。

若白天为阴雨天或多云天气, 光伏所发电力不足或不稳定, 对于图3所示的系统, 若光伏电力不能满足重要负荷供电, 则储能电池一般不在白天进行充电, 除非其荷电状态处于报警值时, 才可对其适当充电以消除报警状态, 因为此时的充电工作会消耗市电, 经济性差。若光伏电力能满足重要负荷供电, 还有剩余, 可根据需要适时切断次要负荷和一般负荷, 以将剩余光伏电力供蓄电池充电。

在白天, 若因天气原因, 光伏发电波动较大, 此时蓄电池会具备一个重要的作用, 即跟随平滑缓冲光伏发电的波动, 并提高并网电能质量, 对公共电网连接点PCC来说, 确保所受的光伏电力的波动和冲击很小, 谐波较小, 符合电网公司对光伏电力的期望。该功能的实现是通过智能控制器、并网逆变器、双向逆变器、储能电池的协调、配合、控制完成的。

智能控制器预留通讯和控制接口, 一方面负责采集和控制系统内部各设备、部件、开关等, 完成系统功能, 另一方面接受家用电脑的监控和远程监控, 同时预留电力公司SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) 系统接口, 用于接受电网监控和调度。电力公司对光伏发电的监控和调度主要体现在:实时监测光伏发电的状态、出力情况、电能质量, 当检测到光伏不能满足并网要求或光伏故障时, 则切断光伏并网接入点和储能并网接入点开关。在市电故障或检修时, 同样切断光伏并网接入点和储能并网接入点开关。若有必要, 根据有关机制调用其储能装置进行短时削峰填谷、平抑电网波动等。

在功率预测机制方面, 户用业主可根据远程传送的未来几天天气信息, 及时调整蓄电池充放电时段和过程, 达到光伏发电稳定性和用电的经济性。例如:预测未来几天会是阴雨天, 则在用电谷时段对蓄电池多充电, 以弥补第二天光伏发电的出力不足和平滑波动所需的更多消耗;若预测未来几天为晴好天气, 则在傍晚太阳能不发电时, 可对蓄电池放电多一些, 多供一些储存的光伏电能, 节省市电峰时段的电能消耗, 在用电谷时段时也可通过市电对蓄电池少充电或不充电, 提高用电经济性。对电力公司来说, 光伏功率预测机制有助于及时调节电网出力, 有益于电网的调度和保障电网的安全和稳定性。

在负荷平移机制方面, 智能控制器对于不可时间平移的负荷按常规机制供电, 如冰箱、家用安防设施的供电等。对于可时间平移的负荷, 如:洗衣机、电热水器、电动汽车充电桩等, 则优先在光伏发电高峰时段供电, 优先使用光伏电力, 否则优先在市电谷值时段供电。

(2) 晚上、市电正常

在傍晚, 光伏不再发电, 此时居民用电处于高峰, 电价处于峰值。此时可将储能电池储存的一部分光伏电能释放出来供本地负荷使用, 这样可以节省居民电费。储能电池的放电深度达到预设值后, 则停止放电, 接着本地负荷用电完全由市电提供。

夜深时, 电价处于谷值, 以上海地区为例, 该时段为晚上22:00至第二天6:00, 根据需要和功率预测机制可通过市电对蓄电池充电, 以备第二天使用。

(3) 市电不正常

若市电突然断电或市电不稳并超出允许范围, 例如电压、频率超差等, 则并网逆变器会进入孤岛保护状态, 双向逆变器会先进入孤岛保护状态, 并进一步等待智能控制器指令。若智能控制器检测到公共电网已处于故障状态, 则其会立刻切断PCC静态开关, 确保户用系统与电网隔离。

在切断户用系统和电网的连接后, 智能控制器仍会实时在线检测电网侧状态, 若电网又恢复正常, 则经过一段时间延时后, 智能控制器又会启动并网操作。

在切断户用系统和电网的连接后, 智能控制器会控制双向 (储能) 逆变器迅速进入离网运行模式。此时双向逆变器通过蓄电池供电, 由电流源转换电压源, 输出电压正弦波形, 户用系统将由双向逆变器构建局部电网, 确保为本地重要负荷供电, 转换时间控制在10ms以内, 以保证重要负荷不受影响。

此时并网逆变器会自动检测其交流侧的电网状态, 若其检测到经双向逆变器构建的局部电网处于稳定状态后, 经过一段时间的延时机制后, 并网逆变器由孤岛状态重新进入并网状态, 只是此时并入的是双向逆变器构建的局部电网, 而不是公共电网。若光伏发电的电力大于重要负荷的用电量, 则智能控制器会根据光伏出力情况逐步接入一般负荷。次要负荷在离网运行状态下, 不供电。

在阴雨天或晚上, 光伏电力较弱或光伏发电不工作, 系统只保证重要负荷供电。在系统储能电池放电深度大于预设值时, 系统停止对外供电, 但仍然保持对光伏和市电的实时在线监测, 以便在条件符合时接入光伏电力和市电为负荷供电。

对于图3所示的系统, 在目前市场已有的双向 (储能) 逆变器产品中, 在某一时刻, 一般只能单向充电或单向放电, 不能在同一时间同时进行充放电, 有待进一步改进完善。对于图4所示的系统则不存在此缺陷。

在离网运行模式下, 智能控制器会实时检测公共电网的状态, 若检测到电网已恢复正常, 并经过一段时间延时后, 则智能控制器会首先根据实时检测到的公共电网的参数控制双向 (储能) 逆变器调节其输出的电压频率、相位等参数以便跟随公共电网, 在达到同期要求后, 闭合PCC静态开关, 从而实现无缝切换, 以减少光伏系统对公共电网的冲击, 提高并网电能质量。

双向 (储能) 逆变器重新并网接入公共电网后, 则由电压源状态转换为电流源状态。此时并网逆变器也会自动并入公共电网。

(2) 升级优化后的新型智能的户用光伏系统

图4所示系统是对图3所示系统的升级和优化, 它将智能控制器、并网逆变器、双向 (储能) 逆变器等部分的功能进行了优化设计集成, 其结构得到简化, 功能更加完善。

在工作原理与控制策略方面, 该种系统和图3所示系统基本相同, 不同点主要有以下几方面:

(1) 若白天为阴雨天或多云天气, 光伏所发电力不足或不稳定, 仍然可以根据需要控制光伏发电优先为储能电池充电。重要负荷等负荷均不受此控制策略机制影响。

(2) 该种系统可以在同一时间同时进行充放电控制, 适应范围更广。

(3) 模式控制及转换速度更快。

(3) 系统工作流程

系统工作流程如图6所示:

图中“P光伏”为光伏发电功率, “P充”为蓄电池充电功率, “P负荷”为负荷用电功率。

(4) 系统计量分析

光伏所发电力经过光伏补贴电表计量后, 接入光伏并网点。在并网点交流母线上, 光伏所发电力优先为本地负荷负荷供电, 富余电力经双向电表计量后反馈入公共电网。

目前, 在申报户用光伏系统获批后, 由电力公司免费更换光伏专用双向计量电表, 同时室外新增光伏补贴电表。按光伏未来可持续发展方向, 同时借鉴国外先进经验, 发展储能、增加储能补贴也势在必行。

目前电力公司结算方式为:

光伏电量=补贴电表的正向计量值 (反向不计量)

电力公司收购的光伏上网电量=进户双向电表的反向计量值。

光伏补贴分国家补贴和地方补贴, 目前国家对分布式光伏发电的补贴一致, 地方各不相同。

余电上网的光伏电量由电网企业按当地燃煤机组标杆上网电价收购。

对于图4所示系统结构, 由于考虑了储能, 对于用市电为蓄电池充电, 在放电时若获得光伏补贴显然是不合理的, 因此需约定如下计量方式:

光伏电量=补贴电表的正向计量值-补贴电表的反向计量值

(5) 系统特性与优点

系统有如下特点和优点:

(1) 系统对电网依赖度低, 应用范围广;

(2) 系统稳定性、可靠性、安全性高;

(3) 系统输出稳定, 对电网无冲击, 电能质量高;

(4) 系统更易融入电网, 服务电网, 不再受电网排斥, 客观上能减少国家因吸纳光伏发电而不得不增加的电网结构投资;

(5) 系统智能化程度高、控制策略优异, 能接受电网调度, 具功率预测等功能;

(6) 系统经济性好, 环保效益高, 能兼顾多方需求;

3 结论

该种新型智能户用光伏系统能克服一般光伏发电间歇不稳定、对电网冲击、经济性差等缺陷, 能充分提高光伏系统效率和利用率, 对电网融入度高, 有利于促进光伏系统长远可持续大规模发展。

该种新型智能的户用光伏系统应用范围广泛, 不仅可用于经济不发达地区的偏远山区、农村、海岛等, 也可大量应用于经济较发达地区的乡间居民屋顶、城乡别墅或大量应用于城市居民建筑屋顶或维护结构, 应用前景广阔, 适合大规模推广应用。

摘要：目前的户用光伏系统应用形式还只是简单的独立或并网系统, 其应用领域和初衷还只局限于偏远无电少电地区、供电质量较差地区等, 其系统可靠性、稳定性、经济性等指标较差, 应用局限性较大, 无法大规模推广应用。现提出一种新型智能的户用光伏系统, 并研究其原理、控制策略、实现过程、应用形式等。经研究表明, 该种新型智能的户用光伏系统可广泛应用于乡村和城市, 有利于分布式光伏发电系统的大量推广应用。

关键词：太阳能,光伏系统,分布式,户用光伏,智能微网

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