基于PLC的城市供电设备自动化控制系统设计

侯 姗

(晋中职业技术学院，山西 晋中 030600)

0 引言

当前数字化信息技术的广泛应用，使得智慧城市建设的速度不断提升,分别按照不同的组成体系和服务体系对城市进行划分，可以有效提升城市中各类资源的利用率，从而实现对城市建设中服务水平及信息管理的优化[1]。城市供电设备的自动化控制结合了通信技术和现代电子技术，对供电设备控制系统进行合理使用，不仅可以提升城市供电设备的智能化、自动化，同时还可以有效预防供电设备发生安全事故的危险，保障供电的安全性[2]。PLC技术具有编程简单、通用性强、稳定性高、结构简单等优势，同时具备对数据信号的采集图像显示以及数据处理等功能[3]。本文针对传统控制系统在城市供电设备控制过程中存在的供电设备输出量与用户用电需求量相差较大，导致电能源浪费的问题，提出了一种全新的基于PLC的城市供电设备自动化控制系统。

1 基于PLC的城市供电设备自动化控制系统硬件设计

1.1 硬件整体结构设计

根据城市供电设备自动化控制系统在实际应用中的功能需求，对系统硬件整体结构进行设计，将所有需要供电的城市区域根据实际情况划分为若干个供电单元。将PLC作为控制核心，采用电力传感器实现对电力信号的采集，使用接近开关实现城市电力输入输出检测[4]。

图1为城市供电设备自动化控制系统硬件整体结构示意图。将上位机与可编程逻辑控制器连入到供电网络内部，为上位机与PLC分配相对应的IP地址，给供电网络管理人员赋予外网访问权限。通过虚拟专用网络对城市中各供电设备进行远程控制，并间接控制整个供电控制体系。同时，也可以采用高性能智能移动通讯设备通过Internet无线访问接入点远程控制上位机，从而能更加方便快捷地控制供电设备。在系统中连入通讯模块，并将其放置在移动通信网中，利用通信服务实现对供电设备的报警、报修和远程控制。

图1 城市供电设备自动化控制系统硬件整体结构示意图

1.2 基于PLC的中央处理器选型

基于PLC的城市供电设备自动化控制系统的硬件整体结构应当在满足系统应用需要和后期软件设计的基础上综合考虑性价比、可靠性等条件进行综合设计。根据城市供电设备的特点，系统中需要32个输入点、30个输出点，4个模拟量输入、1个模拟量输出信号，因此采用西门子公司的6ES7 214-1BG40-0XB0型中央处理器[5]，该中央处理器自身集成14个输入点和10个输出点，两个模拟量输入，由于选用的该型号CPU本身并不能满足数字量和模拟量进行传输的输入点和输出点要求，因此需要在中央处理器中引入扩展模块：6ES7 3-1PL30-0XB0 (DI16/DO16)、6ES7 3-1PH30-0XB0 (DI8/DO8)和6ES7 234-4HE30-0XB0(AI4/AO2)。中央处理器主要技术参数如表1所示。

表1 中央处理器主要技术参数

本系统选择的中央处理器型号已经通过了第三方技术的有力支撑，因此在实际应用中可以不受外界环境的影响，保证供电的稳定性。

2 系统软件设计

2.1 计算城市供电设备整流供电量

该供电设备自动化控制系统中的供电控制主要由PLC技术实现。按照不同顺序，给出相应的定值，并与实际供电数据以线性形式进行组合共同完成对其供电偏差的整合，形成控制变量，由被控制的供电设备完成整流供电控制，整流供电量计算公式为：

(1)

其中：V(t)为供电设备整流供电控制后输出的电量；e(t)为供电量偏差值；s(t)为实际输出电量；k为给定供电整流值。

通过对城市供电设备的偏差比例进行合理控制，保证本系统能够在达到一定精确度的条件下实现对整流供电量的控制，并进一步保证本系统供电输出偏差的稳定性[6]。

利用PLC可编程逻辑控制器对城市中的供电设施进行智能控制，从而进一步提升本系统整体的综合容量。采用以上方式对城市供电设备的整流供电量进行计算，可以在节约数据存储空间的同时提高计算结果的准确度。

2.2 供电补偿措施方案设计

将本系统实际应用于城市供电设备的自动控制时，还会出现供电网络中接入谐波源负载的情况，此时不可直接利用本系统对供电设备进行控制。其主要原因是供电设备的电容器与电网的阻抗之间形成了关联谐振回路。因此，本文采用谐波源负载整流的方式对城市供电设备的供电进行补偿。在多种供电设备处于不同频率时，城市电网会在原本稳定、持续运行的状态下发生一定的抗振反应，抗振反应产生的抗振电压会随着电流值的升高而提升。根据这一特点，本文设计的供电补偿措施方案为：通过功率执行器件产生补偿电流，其幅值与谐波电流相等，方向相反，并注入电力系统中，从而抵消非线性负载所产生的谐波电流。利用供电设备自身回路电路中的供电量作为较高补偿电压，当回路中的电流与供电设备基波电压发生重叠时，将傅里叶级数分解次分量进行无限放大。在这一过程中，城市中的供电设备与电容量之间能够承担的负荷电流明显超过用电用户的正常运行需求。根据城市供电设备的电阻抗力作用调整电容装置的配量，使并联谐波在传输的过程中产生共振频率，从而降低谐波被放大的概率，以此实现对城市供电设备的供电补偿，保证用电用户的电力所需。

3 对比实验

选择某城市供电设备作为试点，利用本系统与传统系统对该城市供电设备进行自动化控制。两个系统在运行过程中均选取Windows 8操作系统，选取8 GB硬盘，设置系统控制周期为100 ms、中央处理器处理周期为10 ms、工作频率为3.2 Hz。实验时间为120 min，在120 min内通过不断加大供电需求量，记录在系统控制下供电设备输出电量，以及供电设备运行状态，将其与实际需求量比较，检验控制系统能否完成自动化控制任务。实验结果如表2所示。

表2 实验结果

从表2可以看出，在本系统控制下，城市供电设备输出电量基本与用电用户需求量相符，能源浪费量较小，而传统系统虽然也能够满足供电需求，但是能源浪费量较大，表明本系统具有良好的控制效果。

4 结束语

当前智慧城市与智能电网的不断普及，带来了海量的电力设备数据，增加了对供电设备控制的难度。本文结合PLC技术，提出一种全新的城市供电设备自动化控制系统，并通过实验证明了该系统的应用效果，可以辅助供电设备管理部门对供电进行更加合理地控制。后续还将针对城市建设发展过程中逐渐增加的供电线路完成更加合理的供电控制，减少供电控制器的故障产生，严格杜绝电能浪费的现象产生。