基于物聯(lián)網(wǎng)的配電站電氣節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

桂曉純

（上海東捷電力設(shè)計(jì)有限公司，上海 201203）

0 引 言

隨著能源需求的不斷增長(zhǎng)和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的日益提高，節(jié)能減排已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的重要趨勢(shì)。配電站作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，其能耗問題備受關(guān)注?；谖锫?lián)網(wǎng)的配電站電氣節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)旨在通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)配電站能耗的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，提高配電站的運(yùn)行效率和節(jié)能水平，為電力行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供有力支持。配電站電氣節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是降低能源消耗、減少排放、提高運(yùn)行效率。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理配電站設(shè)備，實(shí)時(shí)采集設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)和能耗數(shù)據(jù)，為節(jié)能管理和系統(tǒng)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)，基于物聯(lián)網(wǎng)的配電站電氣節(jié)能系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)化控制和智能調(diào)節(jié)，進(jìn)一步降低能耗，提高運(yùn)行效率。此外，基于物聯(lián)網(wǎng)的配電站電氣節(jié)能系統(tǒng)可以為智能城市的建設(shè)提供有力支持，推動(dòng)城市能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和可持續(xù)發(fā)展[1]。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的配電站電氣節(jié)能系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

配電站電氣系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，主要由高低壓配電設(shè)備、發(fā)電機(jī)組、配電線路以及電力監(jiān)控系統(tǒng)等部分組成。配電站電氣系統(tǒng)需要綜合考慮可靠、安全及經(jīng)濟(jì)等多方面因素，確保電能能夠高效、安全地輸送至各個(gè)用電終端。同時(shí)，配電站的電氣系統(tǒng)需要不斷進(jìn)行技術(shù)升級(jí)和改造，以適應(yīng)社會(huì)對(duì)電力能源日益增長(zhǎng)的需求。因此，文章設(shè)計(jì)一種基于物聯(lián)網(wǎng)的配電站電氣節(jié)能系統(tǒng)。該系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過互聯(lián)、協(xié)同實(shí)現(xiàn)配電站的終端信息采集，通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、局域網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)管終端和監(jiān)控界面。配電站管理人員可以在監(jiān)控室通過服務(wù)器，實(shí)時(shí)查看配電站的環(huán)境、電氣設(shè)備及電力設(shè)備的歷史用電情況。同時(shí)，根據(jù)服務(wù)器端的需求對(duì)配電站進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控、實(shí)時(shí)控制。在節(jié)能控制方面，基于配電站的活動(dòng)規(guī)則與室內(nèi)環(huán)境動(dòng)態(tài)參數(shù)，研究不同的節(jié)能控制策略[2-3]。

本系統(tǒng)硬件主要分為4 個(gè)功能模塊，分別是數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊、中央控制器以及節(jié)能控制模塊。

第一，數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊包括傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC），其中傳感器負(fù)責(zé)感應(yīng)電氣參數(shù)，ADC 將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)供后續(xù)處理，實(shí)時(shí)采集配電站內(nèi)的電壓、電流、功率因數(shù)等電氣參數(shù)。

第二，通信模塊。通信模塊采用遠(yuǎn)距離無(wú)線電（Long Range Radio，LoRa）通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊與中央控制器、節(jié)能控制模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸。

第三，中央控制器。中央控制器作為系統(tǒng)核心，負(fù)責(zé)接收、處理及分析數(shù)據(jù)。其借助PIC18F4520 芯片設(shè)計(jì)Jscript 腳本程序代碼，按照節(jié)能算法生成控制指令，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

第四，節(jié)能控制模塊。節(jié)能控制模塊包括變頻器、無(wú)功補(bǔ)償裝置及智能開關(guān)等，根據(jù)中央控制器指令調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)或工作模式，實(shí)現(xiàn)配電站內(nèi)電氣設(shè)備的節(jié)能控制。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的配電站電氣節(jié)能系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)時(shí)設(shè)備控制模塊設(shè)計(jì)

以電氣節(jié)能系統(tǒng)中的照明控制系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)以MrtlcLight 軟件作為中央監(jiān)控軟件的實(shí)時(shí)設(shè)備控制模塊。MrtlcLigh 軟件具有良好的人機(jī)互動(dòng)經(jīng)驗(yàn)，且用戶體驗(yàn)較好[4]。實(shí)時(shí)設(shè)備控制模塊采用IL/40-2 型照度傳感器。該傳感器包括感應(yīng)和控制器兩部分，具有防水性，適用于配電站的室內(nèi)外環(huán)境，可以在0～95%相對(duì)光照范圍內(nèi)正常工作，并通過多功能輸入模塊，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)場(chǎng)地的照明環(huán)境信息的收取。本次設(shè)計(jì)選用IY-40-1.U 和IY-40-2.U 型號(hào)的紅外動(dòng)力傳感器，采用紅外線與微波復(fù)合感應(yīng)相結(jié)合的方法來(lái)檢測(cè)信號(hào)[5]。

在配電站室內(nèi)光照充足時(shí)，若照明設(shè)備常亮，則會(huì)消耗大量能源，因此需要判斷場(chǎng)地環(huán)境的光照條件，通過實(shí)時(shí)設(shè)備控制模塊實(shí)時(shí)控制光照強(qiáng)度等。調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度包括調(diào)節(jié)燈光和干預(yù)自然光。調(diào)節(jié)燈光主要使用DM/50-6.3 型調(diào)光控制器，該設(shè)備具備網(wǎng)絡(luò)控制和手動(dòng)控制2 種模式[6]。干預(yù)自然光則通過窗簾控制模塊實(shí)現(xiàn)智能遮擋。調(diào)光控制器內(nèi)存有照明模式信息，模式切換時(shí)能做到淡入淡出，避免對(duì)人眼造成不適。模式切換后，會(huì)向監(jiān)控中心反饋燈具的實(shí)際亮度。各回路還設(shè)有調(diào)光閾值，以保護(hù)設(shè)備并滿足基本的燈光需求。其自動(dòng)控制流程如圖1 所示。以配電站的照明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)設(shè)備控制模塊功能為例，照明節(jié)能量的計(jì)算公式為

圖1 照明設(shè)備自動(dòng)控制流程

式中：eui表示基準(zhǔn)期第i種燈具的實(shí)測(cè)功率；n表示節(jié)能后所使用的燈具種類數(shù)；nxi表示節(jié)能后的照明區(qū)域；exi表示節(jié)能后第i種燈具的實(shí)測(cè)功率；mxi表示節(jié)能后第i種燈具的使用時(shí)間。

通過設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)設(shè)備控制模塊，確保系統(tǒng)能夠高效、安全地控制各個(gè)電氣設(shè)備，為節(jié)能決策和優(yōu)化提供支持[7]。

2.2 數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，需要明確系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)量以及數(shù)據(jù)來(lái)源。數(shù)據(jù)不僅包括設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、能耗數(shù)據(jù)、環(huán)境參數(shù)等，還包括權(quán)限管理、用戶信息、操作日志等系統(tǒng)管理相關(guān)的數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)需求和系統(tǒng)規(guī)模，選擇合適的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式。對(duì)于大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可能需要使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)或NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)；對(duì)于少量數(shù)據(jù)，可以使用文件存儲(chǔ)或輕量級(jí)的數(shù)據(jù)庫(kù)。文章針對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)的配電站電氣節(jié)能系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，劃分為7 個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)表，分別為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)表、節(jié)能減排綜合指標(biāo)考核數(shù)據(jù)表、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集原始數(shù)據(jù)表、值班運(yùn)行人員數(shù)據(jù)表、離線數(shù)據(jù)表、用戶信息數(shù)據(jù)表以及生產(chǎn)報(bào)表數(shù)據(jù)表。文章選取實(shí)際數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)表為例進(jìn)行分析。

首先，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理單元是整個(gè)模塊的核心。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)化處理，對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行校驗(yàn)和解析、原能耗數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及拆分能耗數(shù)據(jù)的分割計(jì)算等功能。神經(jīng)元的輸出表達(dá)公式為

式中：xi和yi分別表示輸入和輸出；qij表示神經(jīng)元i至j的權(quán)值（在抑制狀態(tài)下，qij為負(fù)；在激發(fā)狀態(tài)下，qij為正）；f(·)表示輸出的變換函數(shù)；n表示輸入信號(hào)的總數(shù)量；ε表示閾值。

其次，完成數(shù)據(jù)處理后，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)上報(bào)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的抽取、打包、上傳及反饋等功能。在驗(yàn)證低層數(shù)據(jù)的合法性之后，將其存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)。

最后，歸類和整理數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行分析、匯總、集成，以靜態(tài)表格或動(dòng)態(tài)圖形的形式在服務(wù)端界面中展現(xiàn)出來(lái)。配電站的工作人員可以通過服務(wù)端界面實(shí)時(shí)查詢、評(píng)價(jià)能耗數(shù)據(jù)，為信息變更、節(jié)能運(yùn)營(yíng)及改造、決策指令等方面提供良好的服務(wù)，深入發(fā)掘配電站電氣節(jié)能的潛力，為節(jié)能管理部門提供有效的管理手段。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

3.1 系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境

本次測(cè)試以MATLAB 軟件作為測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試選用的環(huán)境參數(shù)配置如表1 所示。

表1 開發(fā)環(huán)境參數(shù)配置

3.2 系統(tǒng)功能測(cè)試

基于配置的測(cè)試環(huán)境，選取A 配電站安裝基于物聯(lián)網(wǎng)的配電站電氣節(jié)能系統(tǒng)。收集和統(tǒng)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)的配電站電氣節(jié)能系統(tǒng)安裝前后的用電量，以驗(yàn)證該系統(tǒng)的節(jié)能效果，測(cè)試結(jié)果如表2 所示。

表2 節(jié)能效果對(duì)比

從表2 可以看出，在相同的測(cè)試時(shí)間下，安裝基于物聯(lián)網(wǎng)的配電站電氣節(jié)能系統(tǒng)后的能耗數(shù)據(jù)比節(jié)能系統(tǒng)安裝前的能耗數(shù)據(jù)低6.37 kW·h，能耗下降49.61%。由此表明，安裝基于物聯(lián)網(wǎng)的配電站電氣節(jié)能系統(tǒng)后的節(jié)能效果得到明顯提升，實(shí)現(xiàn)降損增效、節(jié)能減排，達(dá)到營(yíng)造綠色環(huán)境的目的。

4 結(jié) 論

文章設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的配電站電氣節(jié)能系統(tǒng)，為配電站的能源管理提供一種高效的解決方案。該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控和智能控制配電站電氣設(shè)備，提高能源利用效率。隨著能源需求的不斷增長(zhǎng)和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高，電氣節(jié)能成為電力行業(yè)的重要發(fā)展方向?；谖锫?lián)網(wǎng)的配電站電氣節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有良好的應(yīng)用前景和社會(huì)價(jià)值，不僅可以為企業(yè)節(jié)約能源成本，還可以為環(huán)境保護(hù)做出貢獻(xiàn)。然而，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施仍面臨一些挑戰(zhàn)，如數(shù)據(jù)安全、系統(tǒng)穩(wěn)定性等問題。未來(lái)的研究中，需要進(jìn)一步探討如何提高系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，解決實(shí)際應(yīng)用中的問題，推動(dòng)基于物聯(lián)網(wǎng)的配電站電氣節(jié)能系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。