計算機技術(shù)在智能配電系統(tǒng)中的應(yīng)用

楊煒 施京

摘要：對傳統(tǒng)配電系統(tǒng)存在的不足做出分析的基礎(chǔ)上，提出了智能配電系統(tǒng)的設(shè)想，并利用計算機控制技術(shù)結(jié)合通信技術(shù)，給出了一種智能配電系統(tǒng)設(shè)計的應(yīng)用實例，能夠給相關(guān)企事業(yè)單位采用計算機控制技術(shù)和通信技術(shù)實現(xiàn)配電系統(tǒng)的智能控制管理提供參考。

關(guān)鍵詞：計算機；通信；控制技術(shù)；智能；配電系統(tǒng)；管理應(yīng)用

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2019）13-59-4

0引言

當今社會，隨著企事業(yè)規(guī)模的不斷發(fā)展壯大，大多企事業(yè)單位都配備有獨立的配電系統(tǒng)，配電系統(tǒng)對單位保持正常運轉(zhuǎn)的重要性日漸突顯，對配電系統(tǒng)實施智能管理的需求也不斷加強。對單位配電系統(tǒng)實現(xiàn)智能控制，不僅能夠提高企事業(yè)的整體運行效益，同時也能在一定程度上保證配電系統(tǒng)能高效穩(wěn)定地運行。

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用范圍也越來越廣泛。通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，有力地拓展了計算機技術(shù)的應(yīng)用范圍。通過應(yīng)用計算機控制技術(shù)和通信技術(shù)，實現(xiàn)智能配電系統(tǒng)，也是許多企事業(yè)單位著手實現(xiàn)的目標。計算機控制技術(shù)和通信技術(shù)的應(yīng)用可以提高配電系統(tǒng)的智能化程度，從而提高配電系統(tǒng)的運行效率、管理效率、安全可靠性和故障報警速度，同時還可以減少人員投入，進一步提高企事業(yè)單位的經(jīng)濟效益，促進我國社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展。

1配電系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

企事業(yè)單位的配電系統(tǒng)主要由低壓配電室和高壓配電室組成。傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)主要存在以下缺點：①系統(tǒng)獨立存在，不同廠家的監(jiān)控設(shè)備無法實現(xiàn)互聯(lián)互通，運維困難；②配電房分布廣、布線通信困難，加之改造建設(shè)成本高等因素導致數(shù)據(jù)無法上傳，難以實現(xiàn)實時監(jiān)控，監(jiān)測的數(shù)據(jù)也不全；③日常巡檢基本上依靠人工記錄數(shù)據(jù)，沒有實現(xiàn)數(shù)字化，缺少有效的監(jiān)管手段和措施；④日常的巡檢維護業(yè)務(wù)需要投入大量的人力物力，維護成本高；⑤歷史數(shù)據(jù)缺少信息化的管理手段，無法進行快速統(tǒng)計、分析；⑥系統(tǒng)出現(xiàn)故障時缺少智能預(yù)警，往往會導致事后搶修問題的查找和處理速度慢，很可能會錯過設(shè)備故障發(fā)生時的最佳檢修時機，而且有可能造成嚴重的不良后果。

計算機控制技術(shù)以及通信技術(shù)比較落后，加之要采用相應(yīng)的技術(shù)解決上述問題還存在技術(shù)上的不夠成熟、技術(shù)實現(xiàn)難度大和所需成本高等困難，而隨著計算機技術(shù)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，在技術(shù)實現(xiàn)上已經(jīng)不存在什么瓶頸，同時實現(xiàn)智能化監(jiān)控所需的成本也已經(jīng)大幅下降，從技術(shù)實現(xiàn)到成本支出都已在可控范圍內(nèi)。在這種預(yù)期下，實現(xiàn)配電系統(tǒng)智能化的需求也越來越迫切。

2智能配電系統(tǒng)的實現(xiàn)

智能配電系統(tǒng)是以一次網(wǎng)架和設(shè)備為基礎(chǔ)，綜合利用計算機、信息及通信技術(shù)，并通過與相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)的信息集成而組成的配電自動化系統(tǒng)[1-2]。利用計算機和通信技術(shù)實現(xiàn)對配電系統(tǒng)的監(jiān)測、控制和管理，實現(xiàn)快速故障隔離，有效提高供電可靠性。

與傳統(tǒng)配電系統(tǒng)相比，智能配電系統(tǒng)通過增加信息采集設(shè)備和監(jiān)控管理設(shè)備，實現(xiàn)對傳統(tǒng)配電系統(tǒng)主要設(shè)備信息的采集、顯示，并能夠利用采集到的信息進行匯總并分析處理，實時得到配電主要設(shè)備的工作狀態(tài)、運行狀態(tài)和故障狀態(tài)等信息，及時做出告警提示，實現(xiàn)信息之間的互聯(lián)互通，解決信息孤島問題；實現(xiàn)關(guān)鍵和敏感數(shù)據(jù)的自動保存和記錄，可以隨時查看過往信息，并進行有效監(jiān)管；通過監(jiān)控系統(tǒng)的維護管理，可以減少人力物力的投入，并且使信息的維護方便，同時也減少了維護成本；由于信息實現(xiàn)了實時采集，在設(shè)備出現(xiàn)故障時能夠?qū)崿F(xiàn)實時告警，便于組織人員實時搶修，提高了維修效率?？偠灾?，智能配電系統(tǒng)可以很好地解決傳統(tǒng)配電系統(tǒng)存在的問題。在建設(shè)之初，智能配電系統(tǒng)由于需要實現(xiàn)信息采集和監(jiān)控管理功能，需要增加一些設(shè)備，可能會增加一些投入，但后續(xù)的運行維護和系統(tǒng)升級，將會大大提高效率并節(jié)省成本。

智能配電系統(tǒng)的實現(xiàn)主要應(yīng)該解決配電系統(tǒng)各部位信息采集、信息傳輸和信息匯總后的綜合分析處理和監(jiān)控維護問題。本文設(shè)計的一種智能配電系統(tǒng)由配電系統(tǒng)設(shè)備、信息采集分系統(tǒng)、通信傳輸分系統(tǒng)和監(jiān)控中心組成，如圖1所示。

監(jiān)控中心是智能配電系統(tǒng)中的核心，配電系統(tǒng)的智能性主要在監(jiān)控中心體現(xiàn)。同時，監(jiān)控中心也是計算機相關(guān)技術(shù)，包括計算機控制技術(shù)、圖形化顯示技術(shù)和信息統(tǒng)計分析技術(shù)等得到充分應(yīng)用的主要場所。信息采集分系統(tǒng)是實現(xiàn)配電系統(tǒng)智能性的關(guān)鍵所在，監(jiān)控中心所有的統(tǒng)計分析計算都基于采集到的數(shù)據(jù)。而通信傳輸分系統(tǒng)則是通信技術(shù)應(yīng)用的場所，也是監(jiān)控中心與信息采集分系統(tǒng)之間連接的橋梁和紐帶。

2.1信息采集分系統(tǒng)

智能配電系統(tǒng)主要涉及配電站運行環(huán)境、電源狀態(tài)和雷電防護等方面的數(shù)據(jù)采集，首先要明確好采集設(shè)備與配電設(shè)備之間的控制接口和數(shù)據(jù)交互規(guī)約，按照約定的格式，定時或者按約定采集到關(guān)鍵數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)出去。

配電站運行環(huán)境的信息采集主要包括溫濕度監(jiān)測、空間火情監(jiān)測、水位監(jiān)測和SF6濃度監(jiān)測。通過溫濕度傳感器接入采集溫濕度監(jiān)測信息，通過煙感探測器的接入獲取空間火情監(jiān)測信息；通過多路獨立水位傳感器接入獲取水位監(jiān)測信息；通過多路SF6報警器接入獲取SF6監(jiān)測信息。

電源狀態(tài)的信息采集主要包括照明電源、雙電源、UPS電源、饋線電流、母排溫度、DTU電源和變壓器溫度等相關(guān)信息的采集。通過光電壓互感器、光電流互感器等接入，實現(xiàn)電壓、電流、有功功率和無功功率等配電參數(shù)采集；通過剩余電流互感器接入，實現(xiàn)配電漏洞實時監(jiān)測信息的采集。

雷電防護的信息采集主要包括泄漏微電流信號、雷擊次數(shù)、熱脫扣狀態(tài)和后備保護狀態(tài)等相關(guān)信息。

2.2通信傳輸分系統(tǒng)

通信傳輸分系統(tǒng)的主要任務(wù)是將前端信息采集分系統(tǒng)采集的信息及時傳送給系統(tǒng)監(jiān)控中心。這部分涉及到計算機網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的應(yīng)用，通信網(wǎng)絡(luò)的性能是影響配電系統(tǒng)智能化的重要因素。要實現(xiàn)計算機智能控制，首先要完成采集源到系統(tǒng)監(jiān)控中心的信息傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸方面，主要是利用無線和有線傳輸，其功能實現(xiàn)可以使用到幾種通信技術(shù)中的一種或者組合。

可用于配電系統(tǒng)中的通信技術(shù)主要有以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線專網(wǎng)通信技術(shù)和配電線路載波通信技術(shù)。從通信的介質(zhì)來劃分，分為有線和無線兩大類。

以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（EPON），具有成本低、帶寬寬、擴展性強和兼容性好等優(yōu)點，適用于智能配電系統(tǒng)的通信系統(tǒng)組網(wǎng)[3]。無線專網(wǎng)通信技術(shù)主要包括WiFi，ZigBee等。其中，WiFi具有組網(wǎng)簡單的優(yōu)勢，并且不需要布線，方便工程實現(xiàn)。ZigBee是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率和低成本的雙向無線通信技術(shù)，適用于工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)[4]。配電線載波通信技術(shù)主要是利用10 kV配電線路作為數(shù)據(jù)傳輸通道，采用FSK與FM技術(shù)進行調(diào)制，利用DSP數(shù)字信號處理技術(shù)和集成技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)話同傳[5]。但是實現(xiàn)成本較高，相對而言不太適用。

具體在選擇通信系統(tǒng)時，需要通過對通信介質(zhì)、通信技術(shù)的對比分析，結(jié)合通信系統(tǒng)的可靠性、實時性和安全性性能需求，從接入方式、承載模式和組網(wǎng)方式等方面，結(jié)合規(guī)模、成本和便利性等考慮，選擇適合配電系統(tǒng)智能化的通信系統(tǒng)。

考慮企事業(yè)單位的配電系統(tǒng)規(guī)模一般不大，數(shù)據(jù)通信量也不是很大，利用有線模式通過通信網(wǎng)關(guān)和利用無線專網(wǎng)通信的模式普遍使用較多。但考慮到配電系統(tǒng)所處的高壓環(huán)境較多，采用有線方式采集數(shù)據(jù)存在易受干擾和安裝不便的問題[6]，所以ZigBee無線通信的模式通常被用于智能配電系統(tǒng)中的通信傳輸。

2.3監(jiān)控中心

監(jiān)控中心主要實現(xiàn)對配電系統(tǒng)各主要組成設(shè)備工作狀態(tài)和運行狀態(tài)的監(jiān)測、控制和管理任務(wù)。監(jiān)控中心主要由多臺計算機/工作站、網(wǎng)絡(luò)交換機/路由器、服務(wù)器和打印機組成。服務(wù)器可以實現(xiàn)高速計算和數(shù)據(jù)保存，并且可以通過局域網(wǎng)、動態(tài)IP廣域網(wǎng)、GPRS無線廣域網(wǎng)和VPN虛擬專網(wǎng)等聯(lián)網(wǎng)方式，與其他智能配電系統(tǒng)或控制中心進行信息交互。

配電系統(tǒng)中的智能控制主要是指通過對配電系統(tǒng)各組成部分實現(xiàn)信息的自動采集，并將采集的信息通過通信設(shè)備傳輸?shù)较到y(tǒng)監(jiān)控中心，然后進行統(tǒng)計分析和顯示，進而使其能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)運行狀態(tài)的各種自動檢測以及設(shè)備遠端遙控等方面的功能。對于計算機技術(shù)在配電系統(tǒng)當中的應(yīng)用來說，其主要體現(xiàn)在信息的自動采集、分析判斷、存儲、顯示、告警及智能控制等方面。

在配電系統(tǒng)的智能控制過程中，核心內(nèi)容主要根據(jù)計算機作為基礎(chǔ)的智能核心控制系統(tǒng)，另外還包括與信息采集以及傳輸?shù)确矫嫦到y(tǒng)，同時也包括數(shù)據(jù)的處理系統(tǒng)以及輸出系統(tǒng)等方面的內(nèi)容。在智能配電系統(tǒng)的監(jiān)控中心，不僅能夠更好地實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的分析處理顯示，也能夠利用原始記錄的積累，以及相關(guān)的統(tǒng)計分析算法，對配電網(wǎng)運行狀態(tài)以及負荷等方面的情況做出全面的檢測以及調(diào)控，從而有效保障配電系統(tǒng)高效穩(wěn)定地運行。

監(jiān)控管理功能是智能配電系統(tǒng)的核心功能，主要包括運行環(huán)境監(jiān)測、電源狀態(tài)監(jiān)測、雷電防護監(jiān)測和系統(tǒng)維護管理等功能。其中涉及的計算機、信息和通信技術(shù)有數(shù)據(jù)采集、處理顯示、自動報警、智能控制、人機交互和遠程通信等，主要功能示意如圖2所示。

系統(tǒng)維護管理功能主要包括人機交互管理、定時通知管理、遠程通信管理和短信報警管理等功能。系統(tǒng)的相關(guān)信息可以通過計算機網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠程的更大系統(tǒng)監(jiān)控中心，或者直接發(fā)送到相關(guān)負責人員的手機等設(shè)備。這樣即使監(jiān)控人員不在現(xiàn)場，也可以在第一時間掌握重要的信息并及時進行處置。系統(tǒng)監(jiān)控和維護管理軟件界面示意圖如圖3所示。

系統(tǒng)監(jiān)控軟件對主要狀態(tài)的監(jiān)測設(shè)計功能按鈕，用戶選擇不同的功能按鈕時，可以詳細地顯示連接設(shè)備的工作狀態(tài)參數(shù)。當通信分系統(tǒng)工作正常時“通信”指示燈顯示為綠色，有數(shù)據(jù)交換時綠色可以配置成閃爍顯示，當與下面采集設(shè)備連接異常時，顯示為紅色。報警指示燈的顯示分為紅色（報警）、黃色（異常）和綠色（無報警）3種狀態(tài)。當處于報警狀態(tài)時，指示燈下面的狀態(tài)條以紅色閃爍顯示，也可以發(fā)出聲音告警。

統(tǒng)計分析功能包括日報、周報、月報和年報等功能，并且可以提供用戶定制多種模板自行設(shè)計報表，統(tǒng)計分析結(jié)果可以打印輸出；聯(lián)控管理功能支持用戶自定義聯(lián)動控制機制，通過控制變量的全程選擇以及包括運算符、邏輯符和函數(shù)等的語義分析，形成強大的控制策略，完成任意系統(tǒng)之間的聯(lián)動控制，包括報警輸出模式、定時器模式、組合模式和命令模式等閉環(huán)控制方式，也支持手動遠程控制方式。

窗口下部的報警事件顯示區(qū)，顯示報警事件信息，一般包含報警日期、時刻、故障設(shè)備、報警類型和可能原因等內(nèi)容。這部分以列表框形式顯示，可以顯示多條記錄，最新的記錄顯示在最上面。報警事件將會自動保存到計算機中，通過選擇“事件查詢”，可以查看歷史記錄，也可以打印輸出，便于對比。

窗口右側(cè)顯示的是各重要狀態(tài)的運行情況，默認顯示為綠色時表明設(shè)備運行正常，顯示紅色時，表示設(shè)備故障，顯示灰色時，表示設(shè)備沒有連接或不在線。這部分可以根據(jù)用戶配置選擇顯示不同的狀態(tài)和顏色，顯示的狀態(tài)數(shù)量和內(nèi)容也可以根據(jù)實際需要增加。

3結(jié)束語

綜上所述，使用計算機控制技術(shù)和通信技術(shù)來實現(xiàn)配電系統(tǒng)的智能化應(yīng)用，在技術(shù)上已經(jīng)比較成熟可行。本文介紹了一種智能配電系統(tǒng)的設(shè)計方法和思路，在此基礎(chǔ)上，還可以進一步加強計算機智能控制技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)和大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析技術(shù)的研究，對配電系統(tǒng)和用電設(shè)備進行用能分析和能效管理，減少運維人員分析響應(yīng)時間，實現(xiàn)快速故障分析、定位和排除問題，不斷提升配電系統(tǒng)的運行效率和故障預(yù)警能力。此外，還可以開發(fā)出智能配電系統(tǒng)監(jiān)控軟件的手機APP應(yīng)用，通過計算機網(wǎng)絡(luò)和移動4G/5G網(wǎng)絡(luò)，將應(yīng)用拓展到手機上，更方便地監(jiān)控管理，進一步提高智能化監(jiān)控水平。

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