基于PLC的城市供電設(shè)備自動化控制系統(tǒng)設(shè)計

侯 姍

(晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 晉中 030600)

0 引言

當前數(shù)字化信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得智慧城市建設(shè)的速度不斷提升,分別按照不同的組成體系和服務(wù)體系對城市進行劃分，可以有效提升城市中各類資源的利用率，從而實現(xiàn)對城市建設(shè)中服務(wù)水平及信息管理的優(yōu)化[1]。城市供電設(shè)備的自動化控制結(jié)合了通信技術(shù)和現(xiàn)代電子技術(shù)，對供電設(shè)備控制系統(tǒng)進行合理使用，不僅可以提升城市供電設(shè)備的智能化、自動化，同時還可以有效預(yù)防供電設(shè)備發(fā)生安全事故的危險，保障供電的安全性[2]。PLC技術(shù)具有編程簡單、通用性強、穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢，同時具備對數(shù)據(jù)信號的采集圖像顯示以及數(shù)據(jù)處理等功能[3]。本文針對傳統(tǒng)控制系統(tǒng)在城市供電設(shè)備控制過程中存在的供電設(shè)備輸出量與用戶用電需求量相差較大，導(dǎo)致電能源浪費的問題，提出了一種全新的基于PLC的城市供電設(shè)備自動化控制系統(tǒng)。

1 基于PLC的城市供電設(shè)備自動化控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 硬件整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)城市供電設(shè)備自動化控制系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的功能需求，對系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，將所有需要供電的城市區(qū)域根據(jù)實際情況劃分為若干個供電單元。將PLC作為控制核心，采用電力傳感器實現(xiàn)對電力信號的采集，使用接近開關(guān)實現(xiàn)城市電力輸入輸出檢測[4]。

圖1為城市供電設(shè)備自動化控制系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)示意圖。將上位機與可編程邏輯控制器連入到供電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，為上位機與PLC分配相對應(yīng)的IP地址，給供電網(wǎng)絡(luò)管理人員賦予外網(wǎng)訪問權(quán)限。通過虛擬專用網(wǎng)絡(luò)對城市中各供電設(shè)備進行遠程控制，并間接控制整個供電控制體系。同時，也可以采用高性能智能移動通訊設(shè)備通過Internet無線訪問接入點遠程控制上位機，從而能更加方便快捷地控制供電設(shè)備。在系統(tǒng)中連入通訊模塊，并將其放置在移動通信網(wǎng)中，利用通信服務(wù)實現(xiàn)對供電設(shè)備的報警、報修和遠程控制。

圖1 城市供電設(shè)備自動化控制系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 基于PLC的中央處理器選型

基于PLC的城市供電設(shè)備自動化控制系統(tǒng)的硬件整體結(jié)構(gòu)應(yīng)當在滿足系統(tǒng)應(yīng)用需要和后期軟件設(shè)計的基礎(chǔ)上綜合考慮性價比、可靠性等條件進行綜合設(shè)計。根據(jù)城市供電設(shè)備的特點，系統(tǒng)中需要32個輸入點、30個輸出點，4個模擬量輸入、1個模擬量輸出信號，因此采用西門子公司的6ES7 214-1BG40-0XB0型中央處理器[5]，該中央處理器自身集成14個輸入點和10個輸出點，兩個模擬量輸入，由于選用的該型號CPU本身并不能滿足數(shù)字量和模擬量進行傳輸?shù)妮斎朦c和輸出點要求，因此需要在中央處理器中引入擴展模塊：6ES7 3-1PL30-0XB0 (DI16/DO16)、6ES7 3-1PH30-0XB0 (DI8/DO8)和6ES7 234-4HE30-0XB0(AI4/AO2)。中央處理器主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 中央處理器主要技術(shù)參數(shù)

本系統(tǒng)選擇的中央處理器型號已經(jīng)通過了第三方技術(shù)的有力支撐，因此在實際應(yīng)用中可以不受外界環(huán)境的影響，保證供電的穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 計算城市供電設(shè)備整流供電量

該供電設(shè)備自動化控制系統(tǒng)中的供電控制主要由PLC技術(shù)實現(xiàn)。按照不同順序，給出相應(yīng)的定值，并與實際供電數(shù)據(jù)以線性形式進行組合共同完成對其供電偏差的整合，形成控制變量，由被控制的供電設(shè)備完成整流供電控制，整流供電量計算公式為：

(1)

其中：V(t)為供電設(shè)備整流供電控制后輸出的電量；e(t)為供電量偏差值；s(t)為實際輸出電量；k為給定供電整流值。

通過對城市供電設(shè)備的偏差比例進行合理控制，保證本系統(tǒng)能夠在達到一定精確度的條件下實現(xiàn)對整流供電量的控制，并進一步保證本系統(tǒng)供電輸出偏差的穩(wěn)定性[6]。

利用PLC可編程邏輯控制器對城市中的供電設(shè)施進行智能控制，從而進一步提升本系統(tǒng)整體的綜合容量。采用以上方式對城市供電設(shè)備的整流供電量進行計算，可以在節(jié)約數(shù)據(jù)存儲空間的同時提高計算結(jié)果的準確度。

2.2 供電補償措施方案設(shè)計

將本系統(tǒng)實際應(yīng)用于城市供電設(shè)備的自動控制時，還會出現(xiàn)供電網(wǎng)絡(luò)中接入諧波源負載的情況，此時不可直接利用本系統(tǒng)對供電設(shè)備進行控制。其主要原因是供電設(shè)備的電容器與電網(wǎng)的阻抗之間形成了關(guān)聯(lián)諧振回路。因此，本文采用諧波源負載整流的方式對城市供電設(shè)備的供電進行補償。在多種供電設(shè)備處于不同頻率時，城市電網(wǎng)會在原本穩(wěn)定、持續(xù)運行的狀態(tài)下發(fā)生一定的抗振反應(yīng)，抗振反應(yīng)產(chǎn)生的抗振電壓會隨著電流值的升高而提升。根據(jù)這一特點，本文設(shè)計的供電補償措施方案為：通過功率執(zhí)行器件產(chǎn)生補償電流，其幅值與諧波電流相等，方向相反，并注入電力系統(tǒng)中，從而抵消非線性負載所產(chǎn)生的諧波電流。利用供電設(shè)備自身回路電路中的供電量作為較高補償電壓，當回路中的電流與供電設(shè)備基波電壓發(fā)生重疊時，將傅里葉級數(shù)分解次分量進行無限放大。在這一過程中，城市中的供電設(shè)備與電容量之間能夠承擔的負荷電流明顯超過用電用戶的正常運行需求。根據(jù)城市供電設(shè)備的電阻抗力作用調(diào)整電容裝置的配量，使并聯(lián)諧波在傳輸?shù)倪^程中產(chǎn)生共振頻率，從而降低諧波被放大的概率，以此實現(xiàn)對城市供電設(shè)備的供電補償，保證用電用戶的電力所需。

3 對比實驗

選擇某城市供電設(shè)備作為試點，利用本系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)對該城市供電設(shè)備進行自動化控制。兩個系統(tǒng)在運行過程中均選取Windows 8操作系統(tǒng)，選取8 GB硬盤，設(shè)置系統(tǒng)控制周期為100 ms、中央處理器處理周期為10 ms、工作頻率為3.2 Hz。實驗時間為120 min，在120 min內(nèi)通過不斷加大供電需求量，記錄在系統(tǒng)控制下供電設(shè)備輸出電量，以及供電設(shè)備運行狀態(tài)，將其與實際需求量比較，檢驗控制系統(tǒng)能否完成自動化控制任務(wù)。實驗結(jié)果如表2所示。

表2 實驗結(jié)果

從表2可以看出，在本系統(tǒng)控制下，城市供電設(shè)備輸出電量基本與用電用戶需求量相符，能源浪費量較小，而傳統(tǒng)系統(tǒng)雖然也能夠滿足供電需求，但是能源浪費量較大，表明本系統(tǒng)具有良好的控制效果。

4 結(jié)束語

當前智慧城市與智能電網(wǎng)的不斷普及，帶來了海量的電力設(shè)備數(shù)據(jù)，增加了對供電設(shè)備控制的難度。本文結(jié)合PLC技術(shù)，提出一種全新的城市供電設(shè)備自動化控制系統(tǒng)，并通過實驗證明了該系統(tǒng)的應(yīng)用效果，可以輔助供電設(shè)備管理部門對供電進行更加合理地控制。后續(xù)還將針對城市建設(shè)發(fā)展過程中逐漸增加的供電線路完成更加合理的供電控制，減少供電控制器的故障產(chǎn)生，嚴格杜絕電能浪費的現(xiàn)象產(chǎn)生。