民航機場供配電設備狀態(tài)管理系統(tǒng)設計

甄尚龍

（新疆機場（集團）有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830016）

0 引 言

民航機場作為重要的交通樞紐，其供配電設備的穩(wěn)定運行對于機場運行的安全和順暢至關(guān)重要。然而，由于設備數(shù)量眾多、復雜的運行環(huán)境以及設備長期運行自然劣化等，設備故障和異常情況時有發(fā)生[1]。為了保證機場供配電設備的安全、可靠、高效運行，必須建立一套完整的設備狀態(tài)管理系統(tǒng)[2]。管理民航機場供配電設備狀態(tài)需要具備3個特點：一是通過實時監(jiān)測設備狀態(tài)，提前預警設備故障，以便相關(guān)人員及時采取措施，減少故障對機場運行的影響；二是實現(xiàn)遠程控制功能，可以在不同位置的維護人員之間實現(xiàn)信息共享和協(xié)作，提高工作效率；三是系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)分析和報告，以幫助管理人員了解設備的歷史運行情況和趨勢，從而更好地制定維護計劃和優(yōu)化設備運行[3]。因此，文章設計民航機場供配電設備狀態(tài)管理系統(tǒng)的硬件時必須根據(jù)實際需求進行選型。

1 系統(tǒng)硬件設計

民航機場供配電設備狀態(tài)管理系統(tǒng)需要采用一定的硬件設備實現(xiàn)其功能，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集設備用于采集機場供配電設備的各種狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括電壓、電流、功率以及頻率等參數(shù)。選擇ABB TPU pressure transmitter傳感器及GE Fanuc VersaMax Micro Controller數(shù)據(jù)采集儀作為數(shù)據(jù)采集設備，并與采集系統(tǒng)進行連接。選擇Siemens S7-1200可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作為控制設備，并與監(jiān)控系統(tǒng)進行連接。監(jiān)控設備用于監(jiān)控機場供配電設備的狀態(tài)，包括運行狀態(tài)、告警狀態(tài)、故障狀態(tài)等。供電設備用于為各種硬件設備提供電源供應，包括Eaton 5P不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）、FIAMM FG20721電池等，應根據(jù)實際需求進行選型，并與各個設備進行連接。民航機場供配電設備狀態(tài)管理系統(tǒng)的硬件部分設計部分，具體選型和連接方式均需要根據(jù)實際情況進行調(diào)整和優(yōu)化[4]。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 數(shù)據(jù)采集處理模塊

數(shù)據(jù)采集處理模塊是民航機場供配電設備狀態(tài)管理系統(tǒng)的核心模塊之一，負責采集機場供配電系統(tǒng)中各設備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括電壓、電流、溫度、濕度、運行時間以及運行狀態(tài)等信息[5]。在數(shù)據(jù)采集過程中，需要充分考慮傳感器的選型、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性等因素，同時需要支持管理員設置系統(tǒng)參數(shù)、用戶權(quán)限、維護計劃等，保證系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和安全性。

首先需要根據(jù)不同的設備類型和監(jiān)測參數(shù)，選擇適合的傳感器，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進行校準，保證數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。其次，采用現(xiàn)場總線技術(shù)，將采集到的各設備狀態(tài)數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)讲杉幚砟K進行濾波、采樣、處理、校準等操作。最后，將數(shù)據(jù)處理成可供后端系統(tǒng)進行分析和展示的格式。

系統(tǒng)選用NTC熱敏電阻溫度傳感器，其溫度計算公式為

式中：T為溫度；R為熱敏電阻的電阻值；R0為熱敏電阻在參考溫度下的電阻值；A為熱敏電阻的溫度系數(shù)。

系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線技術(shù)或者無線通信技術(shù)，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶蠖讼到y(tǒng)進行存儲和處理，同時管理員具備設置系統(tǒng)參數(shù)、用戶權(quán)限、維護計劃等功能的權(quán)利。

2.2 故障預警模塊

民航機場供配電設備狀態(tài)管理系統(tǒng)的故障預警模塊使用傳感器和數(shù)據(jù)采集處理模塊實時采集設備參數(shù)，并將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)設備運行數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的采集和存儲。系統(tǒng)使用機器學習和數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，分析和預測設備數(shù)據(jù)。為監(jiān)測溫度變化，使用了溫度變化公式。發(fā)電機的溫度變化公式為

式中：Q為單位時間內(nèi)的熱量傳遞量；C為發(fā)電機的熱容量。

如果發(fā)電機溫度變化率異常增加，可能意味著發(fā)電機出現(xiàn)故障。方差和標準差是描述數(shù)據(jù)分布的2個常用統(tǒng)計量，可以用于衡量數(shù)據(jù)的離散程度。在民航機場供配電設備狀態(tài)管理系統(tǒng)中，方差和標準差可以用于分析設備的數(shù)據(jù)分布，識別異常值，提高故障預警的準確性。設有N個數(shù)據(jù)x1,x2,…,xn，它們的平均數(shù)為x，則它們的方差s2的計算公式為

式中：∑(xi-x)2為對每個數(shù)據(jù)xi減去平均數(shù)x后偏差的平方和；N為數(shù)據(jù)的個數(shù)。

標準差是方差的平方根，表示一組數(shù)據(jù)偏離平均值的平均距離。標準差s的計算公式為

在民航機場供配電設備狀態(tài)管理系統(tǒng)中，可以使用方差和標準差分析設備的數(shù)據(jù)分布。系統(tǒng)可以計算每個設備數(shù)據(jù)的方差和標準差，并將其與歷史數(shù)據(jù)進行比較，以識別異常值。如果發(fā)現(xiàn)某個設備的數(shù)據(jù)偏離歷史平均值過多，可能意味著該設備出現(xiàn)了異常，需要進行檢修或更換。

2.3 遠程控制模塊

遠程控制模塊允許維護人員通過移動設備或計算機遠程監(jiān)控和控制機場供配電設備的運行狀態(tài)，主要應用了比例-積分-微分（Proportion-Integral-Derivative，PID）控制算法、網(wǎng)絡協(xié)議等，實現(xiàn)設備的開關(guān)、調(diào)節(jié)和故障處理等功能。遠程控制模塊具體操作流程如下。

系統(tǒng)需要建立與設備的網(wǎng)絡通信連接，實現(xiàn)遠程控制和監(jiān)控功能。遠程控制模塊的網(wǎng)絡協(xié)議設計使用基于超文本傳輸協(xié)議（HyperText Transfer Protocol，HTTP）的RESTful應用程序編程接口（Application Programming Interface，API），提供對設備狀態(tài)和控制操作的訪問接口。系統(tǒng)通過超文本傳輸協(xié)議（HyperText Transfer Protocol，HTTP）請求進行狀態(tài)查詢、控制命令發(fā)送等操作，使用HTTP響應返回設備狀態(tài)和操作結(jié)果。系統(tǒng)通過傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol，TCP）連接建立客戶端和服務器之間的通信，使用TCP的流量控制和擁塞控制保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。系統(tǒng)使用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第6版（Internet Protocol version 6，IPv6）進行不同網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)傳輸，并根據(jù)實際情況選擇合適的物理層協(xié)議。協(xié)議的具體處理流程如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡協(xié)議處理流程

由圖2可知，網(wǎng)絡協(xié)議處理流程為：第一，客戶端發(fā)起TCP連接請求，與服務器建立連接；第二，客戶端發(fā)送HTTP請求，請求獲取設備狀態(tài)或發(fā)送控制命令；第三，服務器接收到HTTP請求，根據(jù)請求內(nèi)容進行相應的處理，返回HTTP響應結(jié)果；第四，客戶端接收到HTTP響應，根據(jù)響應結(jié)果進行相應的處理，如顯示設備狀態(tài)或操作結(jié)果。第五，通信完成，客戶端關(guān)閉TCP連接。

3 測試實驗

3.1 實驗準備

為測試民航機場供配電設備狀態(tài)管理系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能，需要在實驗前進行一系列準備工作。實驗首先需要確定測試平臺。此次實驗選擇一臺Dell PowerEdge R740服務器作為測試平臺，并在其上安裝所需的系統(tǒng)軟件和遠程控制模塊。其次，準備一臺HP EliteBook 840 G5客戶端，安裝遠程控制軟件并進行配置，確保與服務器連接通暢。文章使用Ixia IxLoad網(wǎng)絡測試工具對遠程控制模塊進行壓力測試。最后，選擇TCP/IP協(xié)議和安全外殼（Secure Shell，SSH）協(xié)議連接軟件及Juniper網(wǎng)絡設備。

3.2 實驗結(jié)果

啟動測試前應根據(jù)測試用例選擇相應的測試工具和測試參數(shù)，通過測試工具對遠程控制模塊進行壓力測試。測試內(nèi)容包括響應速度、處理能力和傳輸速率等。根據(jù)測試結(jié)果生成測試報告，展示測試數(shù)據(jù)和結(jié)果分析情況，以便評估系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實驗數(shù)據(jù)結(jié)果

由表1可知，在不同的運行時間節(jié)點下，系統(tǒng)的響應速度和處理能力基本穩(wěn)定，并且傳輸速率較快，維持在2～10 Mb/s。這說明系統(tǒng)在不同的負載條件下均能夠正常運行，具有較好的穩(wěn)定性和性能表現(xiàn)。同時，測試結(jié)果顯示，隨著時間的推移，系統(tǒng)的處理能力和傳輸速率有一定的提升。180 s時，系統(tǒng)處理能力為每秒100個，這可能與系統(tǒng)優(yōu)化、硬件升級等因素有關(guān)?？偟膩碚f，民航機場供配電設備狀態(tài)管理系統(tǒng)的優(yōu)點在于其能夠提升民航機場供配電設備管理的可靠性、降低設備維護成本、優(yōu)化設備運行效率，有助于全面提高機場供配電設備的管理水平。

4 結(jié) 論

文章設計了一種民航機場供配電設備狀態(tài)管理系統(tǒng)。首先設計民航機場供配電設備狀態(tài)管理系統(tǒng)的硬件，根據(jù)實際需求進行選型；其次分析系統(tǒng)的需求和設計思路，并詳細闡述系統(tǒng)的軟件設計；最后進行實驗測試，驗證系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。該系統(tǒng)具有遠程控制、故障預警、數(shù)據(jù)分析等多種功能，可以大幅提升供配電設備維護人員的工作效率和工作質(zhì)量。該系統(tǒng)在民航機場供配電設備的監(jiān)測和管理方面具有重要的應用價值和推廣前景。在未來，將進一步完善該系統(tǒng)的功能，以滿足用戶的不同需求和持續(xù)變化的應用場景的需要。