智能配电系统的构架设计与应用研究

杨春培,谯君华

(国网四川省电力公司剑阁县供电分公司,四川 广元 628371)

0 引言

随着经济的发展和人民生活水平的提高,电力系统面临着越来越大的压力。传统的配电系统存在管理效率低下、安全隐患大等问题,已经无法满足现代电力系统的高效运行和安全可靠的需求。因此,研究和开发智能配电系统具有重要的现实意义。本研究旨在设计一种能够更加智能化地分析数据的智能配电系统[1]。该系统能够实现对配电设备的实时监控、故障预警、能源管理等功能,提高电力系统的运行效率和管理水平。

1 配电系统构架的现状与不足

目前,配电系统构架的现状与不足主要表现在结构复杂、通信系统不完善等方面。首先,很多配电系统的构架设计较为复杂,导致系统的可维护性和可扩展性较差。复杂的构架不仅增加了系统的维护成本和难度,也降低了系统的可靠性和稳定性。同时,复杂的构架也使得故障排查和修复时间较长,给电力供应带来较大的压力和风险。其次,很多配电系统的通信系统并不完善,存在通信协议不统一、通信设备不可靠等问题。这导致系统之间的信息传递和交换受到很大限制,无法实现真正的信息共享和协同工作。

2 智能配电系统的构架设计

为了提高配电系统的安全性和稳定性,降低运行成本和维护难度,需要针对配电系统构架的现状与不足进行改进和完善。在此,笔者提出了智能配电系统的构架设计。智能配电系统的构架设计是实现系统高效运行的关键,主要包括监控中心设计、通信网络设计、配电设备设计等几个部分。

2.1 监控中心设计

智能配电系统的监控中心设计是配电系统构架中的重要组成部分。它负责对整个配电系统的运行状态进行实时监控、数据采集、数据处理和故障预警等。

2.1.1 硬件设计

监控中心的硬件设计包括计算机、显示器、键盘、鼠标、网络、移动终端等设备。计算机应选择高性能、稳定可靠的型号,以适应监控中心各种任务的需求。显示器应选择高清晰度、低延迟的型号,以便于用户查看实时数据和图像。键盘和鼠标应选择舒适、耐用、操作简便的型号,以满足用户日常操作的需求。

2.1.2 软件设计

监控中心的软件设计包括操作系统、数据库管理系统、智能配电系统软件等。操作系统应选择安全、稳定、易维护的版本,以提供良好的运行环境。数据库管理系统应选择高效、可靠、易管理的版本,以便于存储和管理大量的实时数据。智能配电系统软件应选择功能强大、易操作、实时性强的版本,以实现对配电系统的全面监控和管理。

2.1.3 数据采集与处理

监控中心具备数据采集与处理的功能,包括对现场设备的数据采集、数据处理、数据存储和数据展示等。数据采集采用高效、可靠的通信协议,以确保数据传输的稳定性和准确性;数据处理采用高效的算法和程序,以实现对大量数据的快速处理和分析;数据存储选择可靠的存储设备和技术,以确保数据的安全性和可访问性;数据展示采用直观、易懂的图表和报表,以方便用户查看和理解实时数据和历史数据。智能配电系统通常会以PLC为核心进行控制[2]。本研究选择了功能强大、稳定性高的PLC控制系统作为数据处理与控制系统的基础,可以实现高效的数据处理和控制。

2.1.4 监控与控制

监控中心具备对配电系统运行状态的实时监控、对现场设备的远程控制等。监控功能采用直观、易懂的界面设计,以便用户查看和理解实时数据和图像。控制功能采用可靠、安全的通信协议和程序,用户可以随时随地即时掌握整个配电控制系统的工作状态[3]。

2.1.5 报警与故障处理

监控中心具备报警与故障处理的功能包括:对配电系统中出现的异常情况及时报警、对故障设备进行快速诊断和处理等。报警功能采用多种报警方式,如声音、灯光、短信等,以便于用户及时发现和处理异常情况。故障处理采用快速、可靠的程序和技术,以确保故障设备的及时诊断和处理。

2.2 通信网络设计

通信网络是连接监控中心和配电设备的桥梁,主要负责传输实时数据和控制指令。其中,通信协议是通信网络的基础,它决定了网络中设备之间的通信方式和信息交换规则。本次智能配电系统研究采用了基于TCP/IP协议的以太网通信方式,主要包含以太网协议、TCP/IP协议、以太网接口、数据传输等几个关键方面。

2.2.1 以太网协议

以太网(Ethernet)是一种数据链路层的协议。它将数据分成固定长度的数据包,每个数据包包括头部和数据部分。头部包含源MAC地址、目标MAC地址、数据类型等信息,用于标识数据包的身份和类型。每一个设备都包含有唯一的MAC地址。MAC地址共48位,使用十六进制表示。数据部分则包含传输的数据,可以是任意类型的数据,如文本、图像、视频等。本次智能配电系统采用星形结构的以太网作为通信网络,完成相邻设备的数据帧传输,具有结构简单、扩展方便等优点。此外,需配备高性能的路由器和交换机,确保数据传输的稳定性和可靠性。

2.2.2 TCP/IP协议

TCP/IP协议是一种应用层协议。它建立在Ethernet协议之上,用于实现设备之间的可靠通信。TCP/IP协议包括传输控制协议(TCP)和网络协议(IP)2个主要的协议。传输控制协议(Transmission Control Protocol,TCP)是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。它在因特网协议族(TCP/IP协议族)中担任主要的传输协议,为许多应用程序(如Web浏览器和电子邮件客户端)提供可靠的数据传输服务。在智能配电系统中使用TCP协议可以提高系统的连接稳定性、数据传输可靠性、传输效率、跨平台性和丰富的接口支持,有助于提高系统的性能和稳定性。

TCP协议负责建立连接、传输数据和控制流量等任务,而IP协议(Internet Protocol)则是互联网协议族(TCP/IP协议族)的核心协议。IP协议通过版本、头部格式、分片、无连接、服务类型、选项、校验和路由等方面,可靠地将数据从源地址传输到目标地址。IP协议使得复杂的实际网络变成一个虚拟互联的网络。它规定了数据如何在网络中传输和路由,解决了虚拟网络中数据传输路径的问题。此外,在数据传输过程中,数据帧每一跳的MAC地址都在变化,但IP数据报每一跳的IP地址始终不变。因此,智能配电系统通过使用IP协议,可以让管理员轻松地更改网络地址分配,无需对每个设备进行手动更改。此外,设计者利用IP协议具有标准化、灵活性、高可用性、可扩展性和安全性等特点,使智能配电系统能够更好地适应不断变化的需求和技术环境。

2.2.3 以太网接口

以太网接口是设备连接到以太网的接口。以太网接口通常采用RJ45接口或光纤接口等形式,由媒体接入控制器(MAC)和物理接口收发器(PHY)组成。MAC由IEEE 802.3以太网标准定义,实现数据链路层,支持10 Mbit/s或100 Mbit/s 2种速率。PHY是物理接口收发器,负责将MAC的数据包发送到网络上,同时从网络接收数据包并将其发送到MAC。本次智能配电系统设计者选择在监控中心和配电设备上安装相应的通信接口实现Modbus TCP通信协议的通信,通信接口采用RJ45接口标准,具有连接简单、稳定性高等优点。

2.3 配电设备设计

配电设备包括变压器、开关柜、电容器等,是电力系统的重要组成部分。设计者采用先进的传感器技术,将传感器安装在配电设备上,实现对设备运行状态的实时监测。

2.3.1 传感器的选择

传感器的选择要考虑到精度、稳定性等因素。设计者针对不同类型的配电设备选择了相应的传感器,如温度传感器、电流传感器、位置传感器、压力传感器和振动传感器等。

在配电设备中安装温度传感器,当设备温度超过预设阈值时,系统可以触发警报或自动调节设备运行状态,以防止设备过热或损坏。在配电线路中安装电流传感器,当电流超过或低于正常范围时,系统可以触发警报或自动调整线路的电流,以确保电力系统的稳定运行。在配电设备中安装位置传感器,当设备位置发生变化时,系统可以触发警报或自动调整设备运行状态,以确保电力系统的安全性和稳定性。在配电设备中安装压力传感器,当设备压力超过或低于正常范围时,系统可以触发警报或自动调整设备运行状态,以确保电力系统的正常运行。在配电设备中安装振动传感器,当设备振动超过正常范围时,系统可以触发警报或自动调整设备运行状态,防止设备损坏或降低设备的寿命。这些传感器能够准确地监测设备的运行状态,及时发现并预警故障,从而避免了由设备故障导致的供电中断。

2.3.2 执行器的选择

执行器是实现远程控制的关键设备,设计者根据配电设备具体需求来选择和配置电动执行器、气动执行器、电磁阀、液压执行器、液动执行器,以实现远程控制和自动化操作。执行器通过与智能配电系统中的传感器和其他设备进行集成和控制,实现对配电设备的精准控制和高效管理。例如,在断路器、隔离开关等开关设备上选择电动执行器控制操作;在阀门、泵等设备上选择气动执行器控制操作;在变压器、发电机等大型设备上选择液压执行器控制操作;在继电器、接触器等小型设备上选择电磁执行器控制操作。

3 应用实例与分析

为了验证本研究的智能配电系统的实际应用效果,本研究在剑阁县供电分公司进行了实地测试。测试结果表明,本研究的智能配电系统能够支持远程配置功能,可免去维护人员到现场配置、调试作量,提高了整个项目配置效率,节约了调试及维护成本[4]。同时,本研究的智能配电系统还具有结构简单、扩展方便等优点,具有较高的实用性和推广价值。

4 结语

本文通过介绍配电系统的现状及问题,阐述了智能配电系统的架构设计,包括:监控中心、通信网络和配电设备的设计,并探讨了智能配电系统的应用效果,认为智能配电系统具有明显的优势和广阔的发展前景。随着科技的不断进步和应用场景的不断扩展,智能配电系统将会在更多领域得到应用并发挥重要作用。未来可以在提高系统的稳定性、优化控制策略、增强系统的可维护性和降低成本等方面展开深入研究。