智能配電系統的構架設計與應用研究

楊春培,譙君華

(國網四川省電力公司劍閣縣供電分公司,四川 廣元 628371)

0 引言

隨著經濟的發展和人民生活水平的提高,電力系統面臨著越來越大的壓力。傳統的配電系統存在管理效率低下、安全隱患大等問題,已經無法滿足現代電力系統的高效運行和安全可靠的需求。因此,研究和開發智能配電系統具有重要的現實意義。本研究旨在設計一種能夠更加智能化地分析數據的智能配電系統[1]。該系統能夠實現對配電設備的實時監控、故障預警、能源管理等功能,提高電力系統的運行效率和管理水平。

1 配電系統構架的現狀與不足

目前,配電系統構架的現狀與不足主要表現在結構復雜、通信系統不完善等方面。首先,很多配電系統的構架設計較為復雜,導致系統的可維護性和可擴展性較差。復雜的構架不僅增加了系統的維護成本和難度,也降低了系統的可靠性和穩定性。同時,復雜的構架也使得故障排查和修復時間較長,給電力供應帶來較大的壓力和風險。其次,很多配電系統的通信系統并不完善,存在通信協議不統一、通信設備不可靠等問題。這導致系統之間的信息傳遞和交換受到很大限制,無法實現真正的信息共享和協同工作。

2 智能配電系統的構架設計

為了提高配電系統的安全性和穩定性,降低運行成本和維護難度,需要針對配電系統構架的現狀與不足進行改進和完善。在此,筆者提出了智能配電系統的構架設計。智能配電系統的構架設計是實現系統高效運行的關鍵,主要包括監控中心設計、通信網絡設計、配電設備設計等幾個部分。

2.1 監控中心設計

智能配電系統的監控中心設計是配電系統構架中的重要組成部分。它負責對整個配電系統的運行狀態進行實時監控、數據采集、數據處理和故障預警等。

2.1.1 硬件設計

監控中心的硬件設計包括計算機、顯示器、鍵盤、鼠標、網絡、移動終端等設備。計算機應選擇高性能、穩定可靠的型號,以適應監控中心各種任務的需求。顯示器應選擇高清晰度、低延遲的型號,以便于用戶查看實時數據和圖像。鍵盤和鼠標應選擇舒適、耐用、操作簡便的型號,以滿足用戶日常操作的需求。

2.1.2 軟件設計

監控中心的軟件設計包括操作系統、數據庫管理系統、智能配電系統軟件等。操作系統應選擇安全、穩定、易維護的版本,以提供良好的運行環境。數據庫管理系統應選擇高效、可靠、易管理的版本,以便于存儲和管理大量的實時數據。智能配電系統軟件應選擇功能強大、易操作、實時性強的版本,以實現對配電系統的全面監控和管理。

2.1.3 數據采集與處理

監控中心具備數據采集與處理的功能,包括對現場設備的數據采集、數據處理、數據存儲和數據展示等。數據采集采用高效、可靠的通信協議,以確保數據傳輸的穩定性和準確性;數據處理采用高效的算法和程序,以實現對大量數據的快速處理和分析;數據存儲選擇可靠的存儲設備和技術,以確保數據的安全性和可訪問性;數據展示采用直觀、易懂的圖表和報表,以方便用戶查看和理解實時數據和歷史數據。智能配電系統通常會以PLC為核心進行控制[2]。本研究選擇了功能強大、穩定性高的PLC控制系統作為數據處理與控制系統的基礎,可以實現高效的數據處理和控制。

2.1.4 監控與控制

監控中心具備對配電系統運行狀態的實時監控、對現場設備的遠程控制等。監控功能采用直觀、易懂的界面設計,以便用戶查看和理解實時數據和圖像。控制功能采用可靠、安全的通信協議和程序,用戶可以隨時隨地即時掌握整個配電控制系統的工作狀態[3]。

2.1.5 報警與故障處理

監控中心具備報警與故障處理的功能包括:對配電系統中出現的異常情況及時報警、對故障設備進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,以便于用戶及時發現和處理異常情況。故障處理采用快速、可靠的程序和技術,以確保故障設備的及時診斷和處理。

2.2 通信網絡設計

通信網絡是連接監控中心和配電設備的橋梁,主要負責傳輸實時數據和控制指令。其中,通信協議是通信網絡的基礎,它決定了網絡中設備之間的通信方式和信息交換規則。本次智能配電系統研究采用了基于TCP/IP協議的以太網通信方式,主要包含以太網協議、TCP/IP協議、以太網接口、數據傳輸等幾個關鍵方面。

2.2.1 以太網協議

以太網(Ethernet)是一種數據鏈路層的協議。它將數據分成固定長度的數據包,每個數據包包括頭部和數據部分。頭部包含源MAC地址、目標MAC地址、數據類型等信息,用于標識數據包的身份和類型。每一個設備都包含有唯一的MAC地址。MAC地址共48位,使用十六進制表示。數據部分則包含傳輸的數據,可以是任意類型的數據,如文本、圖像、視頻等。本次智能配電系統采用星形結構的以太網作為通信網絡,完成相鄰設備的數據幀傳輸,具有結構簡單、擴展方便等優點。此外,需配備高性能的路由器和交換機,確保數據傳輸的穩定性和可靠性。

2.2.2 TCP/IP協議

TCP/IP協議是一種應用層協議。它建立在Ethernet協議之上,用于實現設備之間的可靠通信。TCP/IP協議包括傳輸控制協議(TCP)和網絡協議(IP)2個主要的協議。傳輸控制協議(Transmission Control Protocol,TCP)是一種面向連接的、可靠的、基于字節流的傳輸層通信協議。它在因特網協議族(TCP/IP協議族)中擔任主要的傳輸協議,為許多應用程序(如Web瀏覽器和電子郵件客戶端)提供可靠的數據傳輸服務。在智能配電系統中使用TCP協議可以提高系統的連接穩定性、數據傳輸可靠性、傳輸效率、跨平臺性和豐富的接口支持,有助于提高系統的性能和穩定性。

TCP協議負責建立連接、傳輸數據和控制流量等任務,而IP協議(Internet Protocol)則是互聯網協議族(TCP/IP協議族)的核心協議。IP協議通過版本、頭部格式、分片、無連接、服務類型、選項、校驗和路由等方面,可靠地將數據從源地址傳輸到目標地址。IP協議使得復雜的實際網絡變成一個虛擬互聯的網絡。它規定了數據如何在網絡中傳輸和路由,解決了虛擬網絡中數據傳輸路徑的問題。此外,在數據傳輸過程中,數據幀每一跳的MAC地址都在變化,但IP數據報每一跳的IP地址始終不變。因此,智能配電系統通過使用IP協議,可以讓管理員輕松地更改網絡地址分配,無需對每個設備進行手動更改。此外,設計者利用IP協議具有標準化、靈活性、高可用性、可擴展性和安全性等特點,使智能配電系統能夠更好地適應不斷變化的需求和技術環境。

2.2.3 以太網接口

以太網接口是設備連接到以太網的接口。以太網接口通常采用RJ45接口或光纖接口等形式,由媒體接入控制器(MAC)和物理接口收發器(PHY)組成。MAC由IEEE 802.3以太網標準定義,實現數據鏈路層,支持10 Mbit/s或100 Mbit/s 2種速率。PHY是物理接口收發器,負責將MAC的數據包發送到網絡上,同時從網絡接收數據包并將其發送到MAC。本次智能配電系統設計者選擇在監控中心和配電設備上安裝相應的通信接口實現Modbus TCP通信協議的通信,通信接口采用RJ45接口標準,具有連接簡單、穩定性高等優點。

2.3 配電設備設計

配電設備包括變壓器、開關柜、電容器等,是電力系統的重要組成部分。設計者采用先進的傳感器技術,將傳感器安裝在配電設備上,實現對設備運行狀態的實時監測。

2.3.1 傳感器的選擇

傳感器的選擇要考慮到精度、穩定性等因素。設計者針對不同類型的配電設備選擇了相應的傳感器,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。

在配電設備中安裝溫度傳感器,當設備溫度超過預設閾值時,系統可以觸發警報或自動調節設備運行狀態,以防止設備過熱或損壞。在配電線路中安裝電流傳感器,當電流超過或低于正常范圍時,系統可以觸發警報或自動調整線路的電流,以確保電力系統的穩定運行。在配電設備中安裝位置傳感器,當設備位置發生變化時,系統可以觸發警報或自動調整設備運行狀態,以確保電力系統的安全性和穩定性。在配電設備中安裝壓力傳感器,當設備壓力超過或低于正常范圍時,系統可以觸發警報或自動調整設備運行狀態,以確保電力系統的正常運行。在配電設備中安裝振動傳感器,當設備振動超過正常范圍時,系統可以觸發警報或自動調整設備運行狀態,防止設備損壞或降低設備的壽命。這些傳感器能夠準確地監測設備的運行狀態,及時發現并預警故障,從而避免了由設備故障導致的供電中斷。

2.3.2 執行器的選擇

執行器是實現遠程控制的關鍵設備,設計者根據配電設備具體需求來選擇和配置電動執行器、氣動執行器、電磁閥、液壓執行器、液動執行器,以實現遠程控制和自動化操作。執行器通過與智能配電系統中的傳感器和其他設備進行集成和控制,實現對配電設備的精準控制和高效管理。例如,在斷路器、隔離開關等開關設備上選擇電動執行器控制操作;在閥門、泵等設備上選擇氣動執行器控制操作;在變壓器、發電機等大型設備上選擇液壓執行器控制操作;在繼電器、接觸器等小型設備上選擇電磁執行器控制操作。

3 應用實例與分析

為了驗證本研究的智能配電系統的實際應用效果,本研究在劍閣縣供電分公司進行了實地測試。測試結果表明,本研究的智能配電系統能夠支持遠程配置功能,可免去維護人員到現場配置、調試作量,提高了整個項目配置效率,節約了調試及維護成本[4]。同時,本研究的智能配電系統還具有結構簡單、擴展方便等優點,具有較高的實用性和推廣價值。

4 結語

本文通過介紹配電系統的現狀及問題,闡述了智能配電系統的架構設計,包括:監控中心、通信網絡和配電設備的設計,并探討了智能配電系統的應用效果,認為智能配電系統具有明顯的優勢和廣闊的發展前景。隨著科技的不斷進步和應用場景的不斷擴展,智能配電系統將會在更多領域得到應用并發揮重要作用。未來可以在提高系統的穩定性、優化控制策略、增強系統的可維護性和降低成本等方面展開深入研究。