智能配電系統(tǒng)的構(gòu)架設(shè)計與應(yīng)用研究

楊春培,譙君華

(國網(wǎng)四川省電力公司劍閣縣供電分公司,四川 廣元 628371)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高,電力系統(tǒng)面臨著越來越大的壓力。傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)存在管理效率低下、安全隱患大等問題,已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)的高效運(yùn)行和安全可靠的需求。因此,研究和開發(fā)智能配電系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義。本研究旨在設(shè)計一種能夠更加智能化地分析數(shù)據(jù)的智能配電系統(tǒng)[1]。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對配電設(shè)備的實時監(jiān)控、故障預(yù)警、能源管理等功能,提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率和管理水平。

1 配電系統(tǒng)構(gòu)架的現(xiàn)狀與不足

目前,配電系統(tǒng)構(gòu)架的現(xiàn)狀與不足主要表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、通信系統(tǒng)不完善等方面。首先,很多配電系統(tǒng)的構(gòu)架設(shè)計較為復(fù)雜,導(dǎo)致系統(tǒng)的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性較差。復(fù)雜的構(gòu)架不僅增加了系統(tǒng)的維護(hù)成本和難度,也降低了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。同時,復(fù)雜的構(gòu)架也使得故障排查和修復(fù)時間較長,給電力供應(yīng)帶來較大的壓力和風(fēng)險。其次,很多配電系統(tǒng)的通信系統(tǒng)并不完善,存在通信協(xié)議不統(tǒng)一、通信設(shè)備不可靠等問題。這導(dǎo)致系統(tǒng)之間的信息傳遞和交換受到很大限制,無法實現(xiàn)真正的信息共享和協(xié)同工作。

2 智能配電系統(tǒng)的構(gòu)架設(shè)計

為了提高配電系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性,降低運(yùn)行成本和維護(hù)難度,需要針對配電系統(tǒng)構(gòu)架的現(xiàn)狀與不足進(jìn)行改進(jìn)和完善。在此,筆者提出了智能配電系統(tǒng)的構(gòu)架設(shè)計。智能配電系統(tǒng)的構(gòu)架設(shè)計是實現(xiàn)系統(tǒng)高效運(yùn)行的關(guān)鍵,主要包括監(jiān)控中心設(shè)計、通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、配電設(shè)備設(shè)計等幾個部分。

2.1 監(jiān)控中心設(shè)計

智能配電系統(tǒng)的監(jiān)控中心設(shè)計是配電系統(tǒng)構(gòu)架中的重要組成部分。它負(fù)責(zé)對整個配電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和故障預(yù)警等。

2.1.1 硬件設(shè)計

監(jiān)控中心的硬件設(shè)計包括計算機(jī)、顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)、網(wǎng)絡(luò)、移動終端等設(shè)備。計算機(jī)應(yīng)選擇高性能、穩(wěn)定可靠的型號,以適應(yīng)監(jiān)控中心各種任務(wù)的需求。顯示器應(yīng)選擇高清晰度、低延遲的型號,以便于用戶查看實時數(shù)據(jù)和圖像。鍵盤和鼠標(biāo)應(yīng)選擇舒適、耐用、操作簡便的型號,以滿足用戶日常操作的需求。

2.1.2 軟件設(shè)計

監(jiān)控中心的軟件設(shè)計包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、智能配電系統(tǒng)軟件等。操作系統(tǒng)應(yīng)選擇安全、穩(wěn)定、易維護(hù)的版本,以提供良好的運(yùn)行環(huán)境。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)應(yīng)選擇高效、可靠、易管理的版本,以便于存儲和管理大量的實時數(shù)據(jù)。智能配電系統(tǒng)軟件應(yīng)選擇功能強(qiáng)大、易操作、實時性強(qiáng)的版本,以實現(xiàn)對配電系統(tǒng)的全面監(jiān)控和管理。

2.1.3 數(shù)據(jù)采集與處理

監(jiān)控中心具備數(shù)據(jù)采集與處理的功能,包括對現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)展示等。數(shù)據(jù)采集采用高效、可靠的通信協(xié)議,以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和準(zhǔn)確性;數(shù)據(jù)處理采用高效的算法和程序,以實現(xiàn)對大量數(shù)據(jù)的快速處理和分析;數(shù)據(jù)存儲選擇可靠的存儲設(shè)備和技術(shù),以確保數(shù)據(jù)的安全性和可訪問性;數(shù)據(jù)展示采用直觀、易懂的圖表和報表,以方便用戶查看和理解實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。智能配電系統(tǒng)通常會以PLC為核心進(jìn)行控制[2]。本研究選擇了功能強(qiáng)大、穩(wěn)定性高的PLC控制系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)的基礎(chǔ),可以實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)處理和控制。

2.1.4 監(jiān)控與控制

監(jiān)控中心具備對配電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實時監(jiān)控、對現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程控制等。監(jiān)控功能采用直觀、易懂的界面設(shè)計,以便用戶查看和理解實時數(shù)據(jù)和圖像?？刂乒δ懿捎每煽?、安全的通信協(xié)議和程序,用戶可以隨時隨地即時掌握整個配電控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)[3]。

2.1.5 報警與故障處理

監(jiān)控中心具備報警與故障處理的功能包括:對配電系統(tǒng)中出現(xiàn)的異常情況及時報警、對故障設(shè)備進(jìn)行快速診斷和處理等。報警功能采用多種報警方式,如聲音、燈光、短信等,以便于用戶及時發(fā)現(xiàn)和處理異常情況。故障處理采用快速、可靠的程序和技術(shù),以確保故障設(shè)備的及時診斷和處理。

2.2 通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

通信網(wǎng)絡(luò)是連接監(jiān)控中心和配電設(shè)備的橋梁,主要負(fù)責(zé)傳輸實時數(shù)據(jù)和控制指令。其中,通信協(xié)議是通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ),它決定了網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備之間的通信方式和信息交換規(guī)則。本次智能配電系統(tǒng)研究采用了基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)通信方式,主要包含以太網(wǎng)協(xié)議、TCP/IP協(xié)議、以太網(wǎng)接口、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葞讉€關(guān)鍵方面。

2.2.1 以太網(wǎng)協(xié)議

以太網(wǎng)(Ethernet)是一種數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議。它將數(shù)據(jù)分成固定長度的數(shù)據(jù)包,每個數(shù)據(jù)包包括頭部和數(shù)據(jù)部分。頭部包含源MAC地址、目標(biāo)MAC地址、數(shù)據(jù)類型等信息,用于標(biāo)識數(shù)據(jù)包的身份和類型。每一個設(shè)備都包含有唯一的MAC地址。MAC地址共48位,使用十六進(jìn)制表示。數(shù)據(jù)部分則包含傳輸?shù)臄?shù)據(jù),可以是任意類型的數(shù)據(jù),如文本、圖像、視頻等。本次智能配電系統(tǒng)采用星形結(jié)構(gòu)的以太網(wǎng)作為通信網(wǎng)絡(luò),完成相鄰設(shè)備的數(shù)據(jù)幀傳輸,具有結(jié)構(gòu)簡單、擴(kuò)展方便等優(yōu)點。此外,需配備高性能的路由器和交換機(jī),確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。

2.2.2 TCP/IP協(xié)議

TCP/IP協(xié)議是一種應(yīng)用層協(xié)議。它建立在Ethernet協(xié)議之上,用于實現(xiàn)設(shè)備之間的可靠通信。TCP/IP協(xié)議包括傳輸控制協(xié)議(TCP)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(IP)2個主要的協(xié)議。傳輸控制協(xié)議(Transmission Control Protocol,TCP)是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議。它在因特網(wǎng)協(xié)議族(TCP/IP協(xié)議族)中擔(dān)任主要的傳輸協(xié)議,為許多應(yīng)用程序(如Web瀏覽器和電子郵件客戶端)提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。在智能配電系統(tǒng)中使用TCP協(xié)議可以提高系統(tǒng)的連接穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)傳輸可靠性、傳輸效率、跨平臺性和豐富的接口支持,有助于提高系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

TCP協(xié)議負(fù)責(zé)建立連接、傳輸數(shù)據(jù)和控制流量等任務(wù),而IP協(xié)議(Internet Protocol)則是互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議族(TCP/IP協(xié)議族)的核心協(xié)議。IP協(xié)議通過版本、頭部格式、分片、無連接、服務(wù)類型、選項、校驗和路由等方面,可靠地將數(shù)據(jù)從源地址傳輸?shù)侥繕?biāo)地址。IP協(xié)議使得復(fù)雜的實際網(wǎng)絡(luò)變成一個虛擬互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)。它規(guī)定了數(shù)據(jù)如何在網(wǎng)絡(luò)中傳輸和路由,解決了虛擬網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸路徑的問題。此外,在數(shù)據(jù)傳輸過程中,數(shù)據(jù)幀每一跳的MAC地址都在變化,但I(xiàn)P數(shù)據(jù)報每一跳的IP地址始終不變。因此,智能配電系統(tǒng)通過使用IP協(xié)議,可以讓管理員輕松地更改網(wǎng)絡(luò)地址分配,無需對每個設(shè)備進(jìn)行手動更改。此外,設(shè)計者利用IP協(xié)議具有標(biāo)準(zhǔn)化、靈活性、高可用性、可擴(kuò)展性和安全性等特點,使智能配電系統(tǒng)能夠更好地適應(yīng)不斷變化的需求和技術(shù)環(huán)境。

2.2.3 以太網(wǎng)接口

以太網(wǎng)接口是設(shè)備連接到以太網(wǎng)的接口。以太網(wǎng)接口通常采用RJ45接口或光纖接口等形式,由媒體接入控制器(MAC)和物理接口收發(fā)器(PHY)組成。MAC由IEEE 802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)定義,實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層,支持10 Mbit/s或100 Mbit/s 2種速率。PHY是物理接口收發(fā)器,負(fù)責(zé)將MAC的數(shù)據(jù)包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上,同時從網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)包并將其發(fā)送到MAC。本次智能配電系統(tǒng)設(shè)計者選擇在監(jiān)控中心和配電設(shè)備上安裝相應(yīng)的通信接口實現(xiàn)Modbus TCP通信協(xié)議的通信,通信接口采用RJ45接口標(biāo)準(zhǔn),具有連接簡單、穩(wěn)定性高等優(yōu)點。

2.3 配電設(shè)備設(shè)計

配電設(shè)備包括變壓器、開關(guān)柜、電容器等,是電力系統(tǒng)的重要組成部分。設(shè)計者采用先進(jìn)的傳感器技術(shù),將傳感器安裝在配電設(shè)備上,實現(xiàn)對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實時監(jiān)測。

2.3.1 傳感器的選擇

傳感器的選擇要考慮到精度、穩(wěn)定性等因素。設(shè)計者針對不同類型的配電設(shè)備選擇了相應(yīng)的傳感器,如溫度傳感器、電流傳感器、位置傳感器、壓力傳感器和振動傳感器等。

在配電設(shè)備中安裝溫度傳感器,當(dāng)設(shè)備溫度超過預(yù)設(shè)閾值時,系統(tǒng)可以觸發(fā)警報或自動調(diào)節(jié)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),以防止設(shè)備過熱或損壞。在配電線路中安裝電流傳感器,當(dāng)電流超過或低于正常范圍時,系統(tǒng)可以觸發(fā)警報或自動調(diào)整線路的電流,以確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在配電設(shè)備中安裝位置傳感器,當(dāng)設(shè)備位置發(fā)生變化時,系統(tǒng)可以觸發(fā)警報或自動調(diào)整設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),以確保電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。在配電設(shè)備中安裝壓力傳感器,當(dāng)設(shè)備壓力超過或低于正常范圍時,系統(tǒng)可以觸發(fā)警報或自動調(diào)整設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),以確保電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在配電設(shè)備中安裝振動傳感器,當(dāng)設(shè)備振動超過正常范圍時,系統(tǒng)可以觸發(fā)警報或自動調(diào)整設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),防止設(shè)備損壞或降低設(shè)備的壽命。這些傳感器能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),及時發(fā)現(xiàn)并預(yù)警故障,從而避免了由設(shè)備故障導(dǎo)致的供電中斷。

2.3.2 執(zhí)行器的選擇

執(zhí)行器是實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的關(guān)鍵設(shè)備,設(shè)計者根據(jù)配電設(shè)備具體需求來選擇和配置電動執(zhí)行器、氣動執(zhí)行器、電磁閥、液壓執(zhí)行器、液動執(zhí)行器,以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和自動化操作。執(zhí)行器通過與智能配電系統(tǒng)中的傳感器和其他設(shè)備進(jìn)行集成和控制,實現(xiàn)對配電設(shè)備的精準(zhǔn)控制和高效管理。例如,在斷路器、隔離開關(guān)等開關(guān)設(shè)備上選擇電動執(zhí)行器控制操作;在閥門、泵等設(shè)備上選擇氣動執(zhí)行器控制操作;在變壓器、發(fā)電機(jī)等大型設(shè)備上選擇液壓執(zhí)行器控制操作;在繼電器、接觸器等小型設(shè)備上選擇電磁執(zhí)行器控制操作。

3 應(yīng)用實例與分析

為了驗證本研究的智能配電系統(tǒng)的實際應(yīng)用效果,本研究在劍閣縣供電分公司進(jìn)行了實地測試。測試結(jié)果表明,本研究的智能配電系統(tǒng)能夠支持遠(yuǎn)程配置功能,可免去維護(hù)人員到現(xiàn)場配置、調(diào)試作量,提高了整個項目配置效率,節(jié)約了調(diào)試及維護(hù)成本[4]。同時,本研究的智能配電系統(tǒng)還具有結(jié)構(gòu)簡單、擴(kuò)展方便等優(yōu)點,具有較高的實用性和推廣價值。

4 結(jié)語

本文通過介紹配電系統(tǒng)的現(xiàn)狀及問題,闡述了智能配電系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計,包括:監(jiān)控中心、通信網(wǎng)絡(luò)和配電設(shè)備的設(shè)計,并探討了智能配電系統(tǒng)的應(yīng)用效果,認(rèn)為智能配電系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢和廣闊的發(fā)展前景。隨著科技的不斷進(jìn)步和應(yīng)用場景的不斷擴(kuò)展,智能配電系統(tǒng)將會在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用并發(fā)揮重要作用。未來可以在提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、優(yōu)化控制策略、增強(qiáng)系統(tǒng)的可維護(hù)性和降低成本等方面展開深入研究。