基于PLC的城市供電設備自動化控制系統設計

侯 姍

(晉中職業技術學院，山西 晉中 030600)

0 引言

當前數字化信息技術的廣泛應用，使得智慧城市建設的速度不斷提升,分別按照不同的組成體系和服務體系對城市進行劃分，可以有效提升城市中各類資源的利用率，從而實現對城市建設中服務水平及信息管理的優化[1]。城市供電設備的自動化控制結合了通信技術和現代電子技術，對供電設備控制系統進行合理使用，不僅可以提升城市供電設備的智能化、自動化，同時還可以有效預防供電設備發生安全事故的危險，保障供電的安全性[2]。PLC技術具有編程簡單、通用性強、穩定性高、結構簡單等優勢，同時具備對數據信號的采集圖像顯示以及數據處理等功能[3]。本文針對傳統控制系統在城市供電設備控制過程中存在的供電設備輸出量與用戶用電需求量相差較大，導致電能源浪費的問題，提出了一種全新的基于PLC的城市供電設備自動化控制系統。

1 基于PLC的城市供電設備自動化控制系統硬件設計

1.1 硬件整體結構設計

根據城市供電設備自動化控制系統在實際應用中的功能需求，對系統硬件整體結構進行設計，將所有需要供電的城市區域根據實際情況劃分為若干個供電單元。將PLC作為控制核心，采用電力傳感器實現對電力信號的采集，使用接近開關實現城市電力輸入輸出檢測[4]。

圖1為城市供電設備自動化控制系統硬件整體結構示意圖。將上位機與可編程邏輯控制器連入到供電網絡內部，為上位機與PLC分配相對應的IP地址，給供電網絡管理人員賦予外網訪問權限。通過虛擬專用網絡對城市中各供電設備進行遠程控制，并間接控制整個供電控制體系。同時，也可以采用高性能智能移動通訊設備通過Internet無線訪問接入點遠程控制上位機，從而能更加方便快捷地控制供電設備。在系統中連入通訊模塊，并將其放置在移動通信網中，利用通信服務實現對供電設備的報警、報修和遠程控制。

圖1 城市供電設備自動化控制系統硬件整體結構示意圖

1.2 基于PLC的中央處理器選型

基于PLC的城市供電設備自動化控制系統的硬件整體結構應當在滿足系統應用需要和后期軟件設計的基礎上綜合考慮性價比、可靠性等條件進行綜合設計。根據城市供電設備的特點，系統中需要32個輸入點、30個輸出點，4個模擬量輸入、1個模擬量輸出信號，因此采用西門子公司的6ES7 214-1BG40-0XB0型中央處理器[5]，該中央處理器自身集成14個輸入點和10個輸出點，兩個模擬量輸入，由于選用的該型號CPU本身并不能滿足數字量和模擬量進行傳輸的輸入點和輸出點要求，因此需要在中央處理器中引入擴展模塊：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參數如表1所示。

表1 中央處理器主要技術參數

本系統選擇的中央處理器型號已經通過了第三方技術的有力支撐，因此在實際應用中可以不受外界環境的影響，保證供電的穩定性。

2 系統軟件設計

2.1 計算城市供電設備整流供電量

該供電設備自動化控制系統中的供電控制主要由PLC技術實現。按照不同順序，給出相應的定值，并與實際供電數據以線性形式進行組合共同完成對其供電偏差的整合，形成控制變量，由被控制的供電設備完成整流供電控制，整流供電量計算公式為：

(1)

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

通過對城市供電設備的偏差比例進行合理控制，保證本系統能夠在達到一定精確度的條件下實現對整流供電量的控制，并進一步保證本系統供電輸出偏差的穩定性[6]。

利用PLC可編程邏輯控制器對城市中的供電設施進行智能控制，從而進一步提升本系統整體的綜合容量。采用以上方式對城市供電設備的整流供電量進行計算，可以在節約數據存儲空間的同時提高計算結果的準確度。

2.2 供電補償措施方案設計

將本系統實際應用于城市供電設備的自動控制時，還會出現供電網絡中接入諧波源負載的情況，此時不可直接利用本系統對供電設備進行控制。其主要原因是供電設備的電容器與電網的阻抗之間形成了關聯諧振回路。因此，本文采用諧波源負載整流的方式對城市供電設備的供電進行補償。在多種供電設備處于不同頻率時，城市電網會在原本穩定、持續運行的狀態下發生一定的抗振反應，抗振反應產生的抗振電壓會隨著電流值的升高而提升。根據這一特點，本文設計的供電補償措施方案為：通過功率執行器件產生補償電流，其幅值與諧波電流相等，方向相反，并注入電力系統中，從而抵消非線性負載所產生的諧波電流。利用供電設備自身回路電路中的供電量作為較高補償電壓，當回路中的電流與供電設備基波電壓發生重疊時，將傅里葉級數分解次分量進行無限放大。在這一過程中，城市中的供電設備與電容量之間能夠承擔的負荷電流明顯超過用電用戶的正常運行需求。根據城市供電設備的電阻抗力作用調整電容裝置的配量，使并聯諧波在傳輸的過程中產生共振頻率，從而降低諧波被放大的概率，以此實現對城市供電設備的供電補償，保證用電用戶的電力所需。

3 對比實驗

選擇某城市供電設備作為試點，利用本系統與傳統系統對該城市供電設備進行自動化控制。兩個系統在運行過程中均選取Windows 8操作系統，選取8 GB硬盤，設置系統控制周期為100 ms、中央處理器處理周期為10 ms、工作頻率為3.2 Hz。實驗時間為120 min，在120 min內通過不斷加大供電需求量，記錄在系統控制下供電設備輸出電量，以及供電設備運行狀態，將其與實際需求量比較，檢驗控制系統能否完成自動化控制任務。實驗結果如表2所示。

表2 實驗結果

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

4 結束語

當前智慧城市與智能電網的不斷普及，帶來了海量的電力設備數據，增加了對供電設備控制的難度。本文結合PLC技術，提出一種全新的城市供電設備自動化控制系統，并通過實驗證明了該系統的應用效果，可以輔助供電設備管理部門對供電進行更加合理地控制。后續還將針對城市建設發展過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生，嚴格杜絕電能浪費的現象產生。