侯 姍

(晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 晉中 030600)

0 引言

當(dāng)前數(shù)字化信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得智慧城市建設(shè)的速度不斷提升,分別按照不同的組成體系和服務(wù)體系對(duì)城市進(jìn)行劃分，可以有效提升城市中各類(lèi)資源的利用率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)城市建設(shè)中服務(wù)水平及信息管理的優(yōu)化[1]。城市供電設(shè)備的自動(dòng)化控制結(jié)合了通信技術(shù)和現(xiàn)代電子技術(shù)，對(duì)供電設(shè)備控制系統(tǒng)進(jìn)行合理使用，不僅可以提升城市供電設(shè)備的智能化、自動(dòng)化，同時(shí)還可以有效預(yù)防供電設(shè)備發(fā)生安全事故的危險(xiǎn)，保障供電的安全性[2]。PLC技術(shù)具有編程簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)具備對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)的采集圖像顯示以及數(shù)據(jù)處理等功能[3]。本文針對(duì)傳統(tǒng)控制系統(tǒng)在城市供電設(shè)備控制過(guò)程中存在的供電設(shè)備輸出量與用戶用電需求量相差較大，導(dǎo)致電能源浪費(fèi)的問(wèn)題，提出了一種全新的基于PLC的城市供電設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

1 基于PLC的城市供電設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)城市供電設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的功能需求，對(duì)系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，將所有需要供電的城市區(qū)域根據(jù)實(shí)際情況劃分為若干個(gè)供電單元。將PLC作為控制核心，采用電力傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)電力信號(hào)的采集，使用接近開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)城市電力輸入輸出檢測(cè)[4]。

圖1為城市供電設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)示意圖。將上位機(jī)與可編程邏輯控制器連入到供電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，為上位機(jī)與PLC分配相對(duì)應(yīng)的IP地址，給供電網(wǎng)絡(luò)管理人員賦予外網(wǎng)訪問(wèn)權(quán)限。通過(guò)虛擬專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)對(duì)城市中各供電設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，并間接控制整個(gè)供電控制體系。同時(shí)，也可以采用高性能智能移動(dòng)通訊設(shè)備通過(guò)Internet無(wú)線訪問(wèn)接入點(diǎn)遠(yuǎn)程控制上位機(jī)，從而能更加方便快捷地控制供電設(shè)備。在系統(tǒng)中連入通訊模塊，并將其放置在移動(dòng)通信網(wǎng)中，利用通信服務(wù)實(shí)現(xiàn)對(duì)供電設(shè)備的報(bào)警、報(bào)修和遠(yuǎn)程控制。

圖1 城市供電設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 基于PLC的中央處理器選型

基于PLC的城市供電設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)的硬件整體結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)在滿足系統(tǒng)應(yīng)用需要和后期軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上綜合考慮性?xún)r(jià)比、可靠性等條件進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。根據(jù)城市供電設(shè)備的特點(diǎn)，系統(tǒng)中需要32個(gè)輸入點(diǎn)、30個(gè)輸出點(diǎn)，4個(gè)模擬量輸入、1個(gè)模擬量輸出信號(hào)，因此采用西門(mén)子公司的6ES7 214-1BG40-0XB0型中央處理器[5]，該中央處理器自身集成14個(gè)輸入點(diǎn)和10個(gè)輸出點(diǎn)，兩個(gè)模擬量輸入，由于選用的該型號(hào)CPU本身并不能滿足數(shù)字量和模擬量進(jìn)行傳輸?shù)妮斎朦c(diǎn)和輸出點(diǎn)要求，因此需要在中央處理器中引入擴(kuò)展模塊：6ES7 3-1PL30-0XB0 (DI16/DO16)、6ES7 3-1PH30-0XB0 (DI8/DO8)和6ES7 234-4HE30-0XB0(AI4/AO2)。中央處理器主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 中央處理器主要技術(shù)參數(shù)

本系統(tǒng)選擇的中央處理器型號(hào)已經(jīng)通過(guò)了第三方技術(shù)的有力支撐，因此在實(shí)際應(yīng)用中可以不受外界環(huán)境的影響，保證供電的穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 計(jì)算城市供電設(shè)備整流供電量

該供電設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的供電控制主要由PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)。按照不同順序，給出相應(yīng)的定值，并與實(shí)際供電數(shù)據(jù)以線性形式進(jìn)行組合共同完成對(duì)其供電偏差的整合，形成控制變量，由被控制的供電設(shè)備完成整流供電控制，整流供電量計(jì)算公式為：

(1)

其中：V(t)為供電設(shè)備整流供電控制后輸出的電量；e(t)為供電量偏差值；s(t)為實(shí)際輸出電量；k為給定供電整流值。

通過(guò)對(duì)城市供電設(shè)備的偏差比例進(jìn)行合理控制，保證本系統(tǒng)能夠在達(dá)到一定精確度的條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)整流供電量的控制，并進(jìn)一步保證本系統(tǒng)供電輸出偏差的穩(wěn)定性[6]。

利用PLC可編程邏輯控制器對(duì)城市中的供電設(shè)施進(jìn)行智能控制，從而進(jìn)一步提升本系統(tǒng)整體的綜合容量。采用以上方式對(duì)城市供電設(shè)備的整流供電量進(jìn)行計(jì)算，可以在節(jié)約數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的同時(shí)提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。

2.2 供電補(bǔ)償措施方案設(shè)計(jì)

將本系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用于城市供電設(shè)備的自動(dòng)控制時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)供電網(wǎng)絡(luò)中接入諧波源負(fù)載的情況，此時(shí)不可直接利用本系統(tǒng)對(duì)供電設(shè)備進(jìn)行控制。其主要原因是供電設(shè)備的電容器與電網(wǎng)的阻抗之間形成了關(guān)聯(lián)諧振回路。因此，本文采用諧波源負(fù)載整流的方式對(duì)城市供電設(shè)備的供電進(jìn)行補(bǔ)償。在多種供電設(shè)備處于不同頻率時(shí)，城市電網(wǎng)會(huì)在原本穩(wěn)定、持續(xù)運(yùn)行的狀態(tài)下發(fā)生一定的抗振反應(yīng)，抗振反應(yīng)產(chǎn)生的抗振電壓會(huì)隨著電流值的升高而提升。根據(jù)這一特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)的供電補(bǔ)償措施方案為：通過(guò)功率執(zhí)行器件產(chǎn)生補(bǔ)償電流，其幅值與諧波電流相等，方向相反，并注入電力系統(tǒng)中，從而抵消非線性負(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流。利用供電設(shè)備自身回路電路中的供電量作為較高補(bǔ)償電壓，當(dāng)回路中的電流與供電設(shè)備基波電壓發(fā)生重疊時(shí)，將傅里葉級(jí)數(shù)分解次分量進(jìn)行無(wú)限放大。在這一過(guò)程中，城市中的供電設(shè)備與電容量之間能夠承擔(dān)的負(fù)荷電流明顯超過(guò)用電用戶的正常運(yùn)行需求。根據(jù)城市供電設(shè)備的電阻抗力作用調(diào)整電容裝置的配量，使并聯(lián)諧波在傳輸?shù)倪^(guò)程中產(chǎn)生共振頻率，從而降低諧波被放大的概率，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)城市供電設(shè)備的供電補(bǔ)償，保證用電用戶的電力所需。

3 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

選擇某城市供電設(shè)備作為試點(diǎn)，利用本系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)對(duì)該城市供電設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化控制。兩個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中均選取Windows 8操作系統(tǒng)，選取8 GB硬盤(pán)，設(shè)置系統(tǒng)控制周期為100 ms、中央處理器處理周期為10 ms、工作頻率為3.2 Hz。實(shí)驗(yàn)時(shí)間為120 min，在120 min內(nèi)通過(guò)不斷加大供電需求量，記錄在系統(tǒng)控制下供電設(shè)備輸出電量，以及供電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，將其與實(shí)際需求量比較，檢驗(yàn)控制系統(tǒng)能否完成自動(dòng)化控制任務(wù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表2可以看出，在本系統(tǒng)控制下，城市供電設(shè)備輸出電量基本與用電用戶需求量相符，能源浪費(fèi)量較小，而傳統(tǒng)系統(tǒng)雖然也能夠滿足供電需求，但是能源浪費(fèi)量較大，表明本系統(tǒng)具有良好的控制效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前智慧城市與智能電網(wǎng)的不斷普及，帶來(lái)了海量的電力設(shè)備數(shù)據(jù)，增加了對(duì)供電設(shè)備控制的難度。本文結(jié)合PLC技術(shù)，提出一種全新的城市供電設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了該系統(tǒng)的應(yīng)用效果，可以輔助供電設(shè)備管理部門(mén)對(duì)供電進(jìn)行更加合理地控制。后續(xù)還將針對(duì)城市建設(shè)發(fā)展過(guò)程中逐漸增加的供電線路完成更加合理的供電控制，減少供電控制器的故障產(chǎn)生，嚴(yán)格杜絕電能浪費(fèi)的現(xiàn)象產(chǎn)生。