民航机场供配电设备状态管理系统设计

甄尚龙

（新疆机场（集团）有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830016）

0 引 言

民航机场作为重要的交通枢纽，其供配电设备的稳定运行对于机场运行的安全和顺畅至关重要。然而，由于设备数量众多、复杂的运行环境以及设备长期运行自然劣化等，设备故障和异常情况时有发生[1]。为了保证机场供配电设备的安全、可靠、高效运行，必须建立一套完整的设备状态管理系统[2]。管理民航机场供配电设备状态需要具备3个特点：一是通过实时监测设备状态，提前预警设备故障，以便相关人员及时采取措施，减少故障对机场运行的影响；二是实现远程控制功能，可以在不同位置的维护人员之间实现信息共享和协作，提高工作效率；三是系统提供数据分析和报告，以帮助管理人员了解设备的历史运行情况和趋势，从而更好地制定维护计划和优化设备运行[3]。因此，文章设计民航机场供配电设备状态管理系统的硬件时必须根据实际需求进行选型。

1 系统硬件设计

民航机场供配电设备状态管理系统需要采用一定的硬件设备实现其功能，结构如图1所示。

图1 系统硬件结构

数据采集设备用于采集机场供配电设备的各种状态数据，包括电压、电流、功率以及频率等参数。选择ABB TPU pressure transmitter传感器及GE Fanuc VersaMax Micro Controller数据采集仪作为数据采集设备，并与采集系统进行连接。选择Siemens S7-1200可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作为控制设备，并与监控系统进行连接。监控设备用于监控机场供配电设备的状态，包括运行状态、告警状态、故障状态等。供电设备用于为各种硬件设备提供电源供应，包括Eaton 5P不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）、FIAMM FG20721电池等，应根据实际需求进行选型，并与各个设备进行连接。民航机场供配电设备状态管理系统的硬件部分设计部分，具体选型和连接方式均需要根据实际情况进行调整和优化[4]。

2 系统软件设计

2.1 数据采集处理模块

数据采集处理模块是民航机场供配电设备状态管理系统的核心模块之一，负责采集机场供配电系统中各设备的状态数据，包括电压、电流、温度、湿度、运行时间以及运行状态等信息[5]。在数据采集过程中，需要充分考虑传感器的选型、数据传输的可靠性和实时性等因素，同时需要支持管理员设置系统参数、用户权限、维护计划等，保证系统的运行稳定性和安全性。

首先需要根据不同的设备类型和监测参数，选择适合的传感器，根据采集的数据进行校准，保证数据的准确性和可靠性。其次，采用现场总线技术，将采集到的各设备状态数据实时传输到采集处理模块进行滤波、采样、处理、校准等操作。最后，将数据处理成可供后端系统进行分析和展示的格式。

系统选用NTC热敏电阻温度传感器，其温度计算公式为

式中：T为温度；R为热敏电阻的电阻值；R0为热敏电阻在参考温度下的电阻值；A为热敏电阻的温度系数。

系统采用现场总线技术或者无线通信技术，将采集到的数据传输到后端系统进行存储和处理，同时管理员具备设置系统参数、用户权限、维护计划等功能的权利。

2.2 故障预警模块

民航机场供配电设备状态管理系统的故障预警模块使用传感器和数据采集处理模块实时采集设备参数，并将数据存储在数据库中，实现设备运行数据和历史数据的采集和存储。系统使用机器学习和数据挖掘等技术，分析和预测设备数据。为监测温度变化，使用了温度变化公式。发电机的温度变化公式为

式中：Q为单位时间内的热量传递量；C为发电机的热容量。

如果发电机温度变化率异常增加，可能意味着发电机出现故障。方差和标准差是描述数据分布的2个常用统计量，可以用于衡量数据的离散程度。在民航机场供配电设备状态管理系统中，方差和标准差可以用于分析设备的数据分布，识别异常值，提高故障预警的准确性。设有N个数据x1,x2,…,xn，它们的平均数为x，则它们的方差s2的计算公式为

式中：∑(xi-x)2为对每个数据xi减去平均数x后偏差的平方和；N为数据的个数。

标准差是方差的平方根，表示一组数据偏离平均值的平均距离。标准差s的计算公式为

在民航机场供配电设备状态管理系统中，可以使用方差和标准差分析设备的数据分布。系统可以计算每个设备数据的方差和标准差，并将其与历史数据进行比较，以识别异常值。如果发现某个设备的数据偏离历史平均值过多，可能意味着该设备出现了异常，需要进行检修或更换。

2.3 远程控制模块

远程控制模块允许维护人员通过移动设备或计算机远程监控和控制机场供配电设备的运行状态，主要应用了比例-积分-微分（Proportion-Integral-Derivative，PID）控制算法、网络协议等，实现设备的开关、调节和故障处理等功能。远程控制模块具体操作流程如下。

系统需要建立与设备的网络通信连接，实现远程控制和监控功能。远程控制模块的网络协议设计使用基于超文本传输协议（HyperText Transfer Protocol，HTTP）的RESTful应用程序编程接口（Application Programming Interface，API），提供对设备状态和控制操作的访问接口。系统通过超文本传输协议（HyperText Transfer Protocol，HTTP）请求进行状态查询、控制命令发送等操作，使用HTTP响应返回设备状态和操作结果。系统通过传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）连接建立客户端和服务器之间的通信，使用TCP的流量控制和拥塞控制保证数据传输的稳定性。系统使用互联网协议第6版（Internet Protocol version 6，IPv6）进行不同网络之间的数据传输，并根据实际情况选择合适的物理层协议。协议的具体处理流程如图2所示。

图2 网络协议处理流程

由图2可知，网络协议处理流程为：第一，客户端发起TCP连接请求，与服务器建立连接；第二，客户端发送HTTP请求，请求获取设备状态或发送控制命令；第三，服务器接收到HTTP请求，根据请求内容进行相应的处理，返回HTTP响应结果；第四，客户端接收到HTTP响应，根据响应结果进行相应的处理，如显示设备状态或操作结果。第五，通信完成，客户端关闭TCP连接。

3 测试实验

3.1 实验准备

为测试民航机场供配电设备状态管理系统的稳定性和性能，需要在实验前进行一系列准备工作。实验首先需要确定测试平台。此次实验选择一台Dell PowerEdge R740服务器作为测试平台，并在其上安装所需的系统软件和远程控制模块。其次，准备一台HP EliteBook 840 G5客户端，安装远程控制软件并进行配置，确保与服务器连接通畅。文章使用Ixia IxLoad网络测试工具对远程控制模块进行压力测试。最后，选择TCP/IP协议和安全外壳（Secure Shell，SSH）协议连接软件及Juniper网络设备。

3.2 实验结果

启动测试前应根据测试用例选择相应的测试工具和测试参数，通过测试工具对远程控制模块进行压力测试。测试内容包括响应速度、处理能力和传输速率等。根据测试结果生成测试报告，展示测试数据和结果分析情况，以便评估系统的稳定性和性能。实验数据如表1所示。

表1 实验数据结果

由表1可知，在不同的运行时间节点下，系统的响应速度和处理能力基本稳定，并且传输速率较快，维持在2～10 Mb/s。这说明系统在不同的负载条件下均能够正常运行，具有较好的稳定性和性能表现。同时，测试结果显示，随着时间的推移，系统的处理能力和传输速率有一定的提升。180 s时，系统处理能力为每秒100个，这可能与系统优化、硬件升级等因素有关。总的来说，民航机场供配电设备状态管理系统的优点在于其能够提升民航机场供配电设备管理的可靠性、降低设备维护成本、优化设备运行效率，有助于全面提高机场供配电设备的管理水平。

4 结 论

文章设计了一种民航机场供配电设备状态管理系统。首先设计民航机场供配电设备状态管理系统的硬件，根据实际需求进行选型；其次分析系统的需求和设计思路，并详细阐述系统的软件设计；最后进行实验测试，验证系统的性能和稳定性。该系统具有远程控制、故障预警、数据分析等多种功能，可以大幅提升供配电设备维护人员的工作效率和工作质量。该系统在民航机场供配电设备的监测和管理方面具有重要的应用价值和推广前景。在未来，将进一步完善该系统的功能，以满足用户的不同需求和持续变化的应用场景的需要。