基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的UPS 系統(tǒng)調(diào)度自動化性能分析

袁 媛，崔保飛

（國網(wǎng)山東省電力公司博興縣供電公司，山東 濱州 256500）

0 引 言

隨著現(xiàn)代社會對電力供應可靠性和穩(wěn)定性要求的日益提高，不間斷電源（Uninterruptable Power Supply，UPS）系統(tǒng)作為關鍵的電力保障設備，在各個領域得到了廣泛應用。為提高UPS系統(tǒng)的調(diào)度效能，更好地適應不斷變化的負載需求，并實現(xiàn)自動化管理，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸成為關注焦點。傳統(tǒng)的UPS 系統(tǒng)在電力調(diào)度和故障處理方面存在一些限制，因此需要深入研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用，以優(yōu)化UPS 系統(tǒng)的性能。文章旨在通過引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，改善UPS 系統(tǒng)的調(diào)度自動化性能。

1 UPS 系統(tǒng)概述

1.1 工作原理

UPS 系統(tǒng)的主要作用是在市電斷電或電網(wǎng)故障時提供不間斷的交流電能，確保關鍵設備能夠持續(xù)供電。UPS 系統(tǒng)將市電轉(zhuǎn)換為直流電，并在需要時將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，以保障設備的穩(wěn)定運行。其工作原理可分為在線模式和備用模式兩種。

在線模式下，UPS 系統(tǒng)將市電轉(zhuǎn)換為直流電，并保持電池充電，同時通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，以供用戶設備使用。在市電發(fā)生故障時，系統(tǒng)無縫切換至電池供電，確保設備不受電網(wǎng)波動的影響，保持穩(wěn)定運行。

在備用模式下，設備直接通過市電供電，而電池則保持待機狀態(tài)。只有在檢測到電網(wǎng)中斷時，系統(tǒng)才會啟動電池供電[1]。這種模式下，UPS 系統(tǒng)更多是作為備用電源使用，僅在必要時介入，確保電力連續(xù)性。整個UPS 電源系統(tǒng)由UPS 主機、電池組、市電（或發(fā)電機）、后臺監(jiān)控以及網(wǎng)絡監(jiān)控軟硬件等單元共同組成，各單元協(xié)同工作，為關鍵設備提供了靈活且完善的電源保護。UPS 電源系統(tǒng)的組成如圖1 所示。

圖1 UPS 系統(tǒng)組成

1.2 現(xiàn)有調(diào)度系統(tǒng)

在UPS 系統(tǒng)中，調(diào)度系統(tǒng)扮演著至關重要的角色，能夠有效提高系統(tǒng)的自動化程度、響應速度和整體性能。然而，現(xiàn)有調(diào)度系統(tǒng)仍面臨一些急需克服的局限性。

首先，智能化程度不足?，F(xiàn)有調(diào)度系統(tǒng)的智能化水平相對較低，在面對復雜多變的電力環(huán)境時，其靈活性和適應性較差。該限制使系統(tǒng)在面對實時電力需求波動或非標準操作情境時顯得相對僵化，無法迅速而靈活地作出相應調(diào)整。其次，調(diào)度系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和分析能力較差。隨著電力系統(tǒng)的不斷演進，數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級增長，傳統(tǒng)的調(diào)度系統(tǒng)難以有效處理并分析海量的數(shù)據(jù)，導致系統(tǒng)在決策過程中缺乏足夠的信息支持。最后，調(diào)度系統(tǒng)的交互性和用戶友好性急需改進。在實際運營中，用戶需要更直觀、便捷的界面以監(jiān)控并調(diào)整系統(tǒng)運行狀態(tài)。因此，需要提升調(diào)度系統(tǒng)的用戶體驗，使操作人員更好地理解系統(tǒng)運行情況，提高系統(tǒng)響應速度和決策準確性。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在UPS 系統(tǒng)中的應用

2.1 傳感器網(wǎng)絡

傳感器網(wǎng)絡是一種先進的技術(shù)，通過互聯(lián)各類傳感器設備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸和共享。在UPS系統(tǒng)中，傳感器網(wǎng)絡通過實時監(jiān)測關鍵參數(shù)，如電池狀態(tài)、溫度、電流等，為系統(tǒng)提供了全面、準確的數(shù)據(jù)支持。傳感器網(wǎng)絡不僅實現(xiàn)了對關鍵參數(shù)的高頻次采集，而且通過數(shù)據(jù)的實時傳輸，使監(jiān)測系統(tǒng)能夠立即響應電力環(huán)境的變化。例如，通過溫度傳感器實時監(jiān)測UPS 設備的溫度變化，可以及時預警可能出現(xiàn)的過熱問題，從而采取相應的解決措施，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。傳感器網(wǎng)絡還可以協(xié)同工作，形成多維度的數(shù)據(jù)集成，以進一步提升系統(tǒng)性能。通過不同傳感器之間的數(shù)據(jù)交互，系統(tǒng)能夠更全面地理解電力環(huán)境的狀態(tài)，為調(diào)度系統(tǒng)提供多元化的信息。例如，電池狀態(tài)檢測傳感器和電流傳感器的聯(lián)動，可以為系統(tǒng)提供更準確的電源剩余使用時間，從而實現(xiàn)對電力需求的精準調(diào)度。

2.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸

在UPS 系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用涉及數(shù)據(jù)采集與傳輸，這對于實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化調(diào)度至關重要。數(shù)據(jù)采集主要包括2 個部分內(nèi)容。第一，利用傳感器網(wǎng)絡對關鍵參數(shù)進行高頻次監(jiān)測，包括電池狀態(tài)、電流、電壓等重要電力參數(shù)。第二，傳感器通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集，并將獲取的信息傳輸至系統(tǒng)核心。數(shù)據(jù)采集與傳輸流程如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集與傳輸流程

數(shù)據(jù)采集的流程可以細分為傳感器設備的安裝、參數(shù)設定、實時監(jiān)測等環(huán)節(jié)。其中，傳感器設備的安裝是指將設備布置在關鍵位置，確保能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)各要素進行全面監(jiān)測；參數(shù)設定階段需要完成傳感器設備的配置，確保其能夠監(jiān)測到關鍵電力參數(shù)，并在需要時自動調(diào)整監(jiān)測頻率；實時監(jiān)測是數(shù)據(jù)采集的核心步驟，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對電力環(huán)境狀態(tài)的連續(xù)觀測，確保數(shù)據(jù)的及時性和準確性。完成數(shù)據(jù)采集后，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過先進的數(shù)據(jù)傳輸方式（如無線傳輸技術(shù)、云服務等）將信息傳遞至系統(tǒng)核心[2]。通過物聯(lián)網(wǎng)的高效數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)能夠在瞬息萬變的電力環(huán)境中快速獲取最新數(shù)據(jù)，從而為后續(xù)的自動化調(diào)度提供實時支持。

2.3 自動化調(diào)度

2.3.1 智能負載管理

在UPS 系統(tǒng)中，智能負載管理作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)自動化調(diào)度的核心組成部分，旨在通過優(yōu)化電力系統(tǒng)的運行來提高能源利用效率。智能負載管理的實現(xiàn)基于實時監(jiān)測負載需求，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)對各個負載設備的智能控制，從而為電力系統(tǒng)提供更加智能、高效的運行方式。通過建立傳感器網(wǎng)絡，以實時監(jiān)測各個負載設備的電力消耗、運行狀態(tài)等關鍵數(shù)據(jù)。這些傳感器通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸，確保系統(tǒng)能夠及時獲取最新的負載信息，使系統(tǒng)能夠更精準地洞察電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)潛在問題并采取相應的智能調(diào)整措施。

在實施智能負載管理的過程中，數(shù)據(jù)處理和決策制定扮演著至關重要的角色。系統(tǒng)利用先進的算法和人工智能技術(shù)分析監(jiān)測到的負載設備工作狀態(tài)與電力需求趨勢，并通過學習和預測，制定出更為智能的負載調(diào)整策略，提高系統(tǒng)能效和穩(wěn)定性。具體而言，系統(tǒng)可以智能化調(diào)整負載設備的運行功率，根據(jù)實際需求合理地啟用或禁用特定設備。此外，系統(tǒng)還可以實施動態(tài)負載分配策略，根據(jù)電力系統(tǒng)的需求動態(tài)地分配負載，確保電力系統(tǒng)的平衡運行。這種靈活的智能負載管理策略有助于應對復雜多變的電力環(huán)境，提高UPS 系統(tǒng)的適應性和穩(wěn)健性。

2.3.2 故障檢測與自愈

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在UPS 系統(tǒng)的應用中，故障檢測與自愈至關重要。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過實時監(jiān)測系統(tǒng)各個部件的運行狀態(tài)和性能參數(shù)，能夠及時檢測出電力系統(tǒng)可能發(fā)生的故障，并通過自動化手段進行快速自愈。

故障檢測的關鍵是對系統(tǒng)各個部件的實時監(jiān)測。通過傳感器網(wǎng)絡采集電池狀態(tài)、電流、電壓等重要電力參數(shù)數(shù)據(jù)，并通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)傳輸至系統(tǒng)核心。在監(jiān)測過程中，需要評估系統(tǒng)的可用性，用公式表示為

式中：T1表示系統(tǒng)正常運行的時間；T表示系統(tǒng)的總運行時間。通過評估系統(tǒng)的可用性，以及時識別潛在故障，并通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)出相應的警報。

自愈階段的關鍵在于系統(tǒng)對故障的自動化處理。通過運用先進的控制算法，系統(tǒng)能夠根據(jù)故障的類型和程度自動調(diào)整電力系統(tǒng)的工作狀態(tài)，實現(xiàn)快速自愈。自愈過程中的調(diào)整策略用公式表示為

式中：S表示系統(tǒng)想要達到的期望狀態(tài)；S1表示系統(tǒng)當前的運行狀態(tài)；?S表示根據(jù)系統(tǒng)算法計算的調(diào)整值[3]。

3 性能分析

3.1 性能指標定義

在對基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的UPS 電源系統(tǒng)調(diào)度自動化進行性能分析時，需要定義關鍵性能指標，以全面評估系統(tǒng)的運行效能[4]。第一，可用性，衡量UPS電源系統(tǒng)正常運行的時間百分比；第二，故障檢測時間，表征系統(tǒng)檢測到故障并發(fā)出警報的時間，即從故障發(fā)生到系統(tǒng)發(fā)出告警的時間間隔；第三，自愈時間，衡量系統(tǒng)從檢測到故障到實際完成自愈的時間；第四，數(shù)據(jù)采集頻率，即傳感器網(wǎng)絡對關鍵電力參數(shù)進行監(jiān)測的頻率，確保完成及時而準確的數(shù)據(jù)采集；第五，系統(tǒng)響應時間，用于評估系統(tǒng)對外部指令或內(nèi)部事件作出響應的速度，包括控制算法執(zhí)行的時間和系統(tǒng)狀態(tài)調(diào)整的時間；第六，負載均衡度，衡量UPS電源系統(tǒng)對各負載的分配均衡程度，確保系統(tǒng)資源得到最優(yōu)利用[5]。

3.2 性能分析結(jié)果

系統(tǒng)性能表現(xiàn)如表1 所示。

表1 系統(tǒng)性能表現(xiàn)

由表1 可知，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的UPS 電源系統(tǒng)的各項性能指標均表現(xiàn)穩(wěn)定，能夠滿足不同負載條件下的工作需求，具有較好的可靠性和自適應性。在可用性方面，UPS 系統(tǒng)在輕載、中載和重載條件下的表現(xiàn)分別為98%、95%和90%，表明系統(tǒng)在各種負載情況下都能保持較高的可用性，確保電力供應的連續(xù)性。在故障檢測時間和自愈時間方面，隨著負載的增加，系統(tǒng)的故障檢測和自愈時間逐漸延長，說明系統(tǒng)在重載條件下更容易受到故障的影響，因此需要更多的時間來完成檢測和自愈。數(shù)據(jù)采集頻率在不同負載條件下有所變化，但整體表現(xiàn)穩(wěn)定，符合對電力參數(shù)實時監(jiān)測的需求。在系統(tǒng)響應時間方面，系統(tǒng)在輕載和中載條件下的表現(xiàn)相對較好，而在重載時略有延長。這是因為系統(tǒng)在高負載情況下需要耗費更多時間來響應外部指令和調(diào)整狀態(tài)。雖然負載均衡度在不同負載條件下有所波動，但整體保持在較高水平，表明UPS電源系統(tǒng)能夠有效分配負載，充分利用系統(tǒng)資源。

4 結(jié) 論

本研究為UPS 系統(tǒng)的智能化應用提供了有力的實證支持，為未來電力系統(tǒng)的智能調(diào)度與管理奠定了堅實的基礎。未來的研究可以進一步探討物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在更復雜電力環(huán)境下的應用，及如何進一步提升系統(tǒng)的性能和可靠性，以滿足不斷提高的電力需求。通過不斷優(yōu)化和創(chuàng)新，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的UPS 系統(tǒng)調(diào)度自動化將在電力行業(yè)發(fā)揮更為重要的作用，為社會電力供應提供更可靠、高效的解決方案，推動電力行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。