民航機場供配電設備狀態管理系統設計

甄尚龍

（新疆機場（集團）有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830016）

0 引 言

民航機場作為重要的交通樞紐，其供配電設備的穩定運行對于機場運行的安全和順暢至關重要。然而，由于設備數量眾多、復雜的運行環境以及設備長期運行自然劣化等，設備故障和異常情況時有發生[1]。為了保證機場供配電設備的安全、可靠、高效運行，必須建立一套完整的設備狀態管理系統[2]。管理民航機場供配電設備狀態需要具備3個特點：一是通過實時監測設備狀態，提前預警設備故障，以便相關人員及時采取措施，減少故障對機場運行的影響；二是實現遠程控制功能，可以在不同位置的維護人員之間實現信息共享和協作，提高工作效率；三是系統提供數據分析和報告，以幫助管理人員了解設備的歷史運行情況和趨勢，從而更好地制定維護計劃和優化設備運行[3]。因此，文章設計民航機場供配電設備狀態管理系統的硬件時必須根據實際需求進行選型。

1 系統硬件設計

民航機場供配電設備狀態管理系統需要采用一定的硬件設備實現其功能，結構如圖1所示。

圖1 系統硬件結構

數據采集設備用于采集機場供配電設備的各種狀態數據，包括電壓、電流、功率以及頻率等參數。選擇ABB TPU pressure transmitter傳感器及GE Fanuc VersaMax Micro Controller數據采集儀作為數據采集設備，并與采集系統進行連接。選擇Siemens S7-1200可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作為控制設備，并與監控系統進行連接。監控設備用于監控機場供配電設備的狀態，包括運行狀態、告警狀態、故障狀態等。供電設備用于為各種硬件設備提供電源供應，包括Eaton 5P不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）、FIAMM FG20721電池等，應根據實際需求進行選型，并與各個設備進行連接。民航機場供配電設備狀態管理系統的硬件部分設計部分，具體選型和連接方式均需要根據實際情況進行調整和優化[4]。

2 系統軟件設計

2.1 數據采集處理模塊

數據采集處理模塊是民航機場供配電設備狀態管理系統的核心模塊之一，負責采集機場供配電系統中各設備的狀態數據，包括電壓、電流、溫度、濕度、運行時間以及運行狀態等信息[5]。在數據采集過程中，需要充分考慮傳感器的選型、數據傳輸的可靠性和實時性等因素，同時需要支持管理員設置系統參數、用戶權限、維護計劃等，保證系統的運行穩定性和安全性。

首先需要根據不同的設備類型和監測參數，選擇適合的傳感器，根據采集的數據進行校準，保證數據的準確性和可靠性。其次，采用現場總線技術，將采集到的各設備狀態數據實時傳輸到采集處理模塊進行濾波、采樣、處理、校準等操作。最后，將數據處理成可供后端系統進行分析和展示的格式。

系統選用NTC熱敏電阻溫度傳感器，其溫度計算公式為

式中：T為溫度；R為熱敏電阻的電阻值；R0為熱敏電阻在參考溫度下的電阻值；A為熱敏電阻的溫度系數。

系統采用現場總線技術或者無線通信技術，將采集到的數據傳輸到后端系統進行存儲和處理，同時管理員具備設置系統參數、用戶權限、維護計劃等功能的權利。

2.2 故障預警模塊

民航機場供配電設備狀態管理系統的故障預警模塊使用傳感器和數據采集處理模塊實時采集設備參數，并將數據存儲在數據庫中，實現設備運行數據和歷史數據的采集和存儲。系統使用機器學習和數據挖掘等技術，分析和預測設備數據。為監測溫度變化，使用了溫度變化公式。發電機的溫度變化公式為

式中：Q為單位時間內的熱量傳遞量；C為發電機的熱容量。

如果發電機溫度變化率異常增加，可能意味著發電機出現故障。方差和標準差是描述數據分布的2個常用統計量，可以用于衡量數據的離散程度。在民航機場供配電設備狀態管理系統中，方差和標準差可以用于分析設備的數據分布，識別異常值，提高故障預警的準確性。設有N個數據x1,x2,…,xn，它們的平均數為x，則它們的方差s2的計算公式為

式中：∑(xi-x)2為對每個數據xi減去平均數x后偏差的平方和；N為數據的個數。

標準差是方差的平方根，表示一組數據偏離平均值的平均距離。標準差s的計算公式為

在民航機場供配電設備狀態管理系統中，可以使用方差和標準差分析設備的數據分布。系統可以計算每個設備數據的方差和標準差，并將其與歷史數據進行比較，以識別異常值。如果發現某個設備的數據偏離歷史平均值過多，可能意味著該設備出現了異常，需要進行檢修或更換。

2.3 遠程控制模塊

遠程控制模塊允許維護人員通過移動設備或計算機遠程監控和控制機場供配電設備的運行狀態，主要應用了比例-積分-微分（Proportion-Integral-Derivative，PID）控制算法、網絡協議等，實現設備的開關、調節和故障處理等功能。遠程控制模塊具體操作流程如下。

系統需要建立與設備的網絡通信連接，實現遠程控制和監控功能。遠程控制模塊的網絡協議設計使用基于超文本傳輸協議（HyperText Transfer Protocol，HTTP）的RESTful應用程序編程接口（Application Programming Interface，API），提供對設備狀態和控制操作的訪問接口。系統通過超文本傳輸協議（HyperText Transfer Protocol，HTTP）請求進行狀態查詢、控制命令發送等操作，使用HTTP響應返回設備狀態和操作結果。系統通過傳輸控制協議（Transmission Control Protocol，TCP）連接建立客戶端和服務器之間的通信，使用TCP的流量控制和擁塞控制保證數據傳輸的穩定性。系統使用互聯網協議第6版（Internet Protocol version 6，IPv6）進行不同網絡之間的數據傳輸，并根據實際情況選擇合適的物理層協議。協議的具體處理流程如圖2所示。

圖2 網絡協議處理流程

由圖2可知，網絡協議處理流程為：第一，客戶端發起TCP連接請求，與服務器建立連接；第二，客戶端發送HTTP請求，請求獲取設備狀態或發送控制命令；第三，服務器接收到HTTP請求，根據請求內容進行相應的處理，返回HTTP響應結果；第四，客戶端接收到HTTP響應，根據響應結果進行相應的處理，如顯示設備狀態或操作結果。第五，通信完成，客戶端關閉TCP連接。

3 測試實驗

3.1 實驗準備

為測試民航機場供配電設備狀態管理系統的穩定性和性能，需要在實驗前進行一系列準備工作。實驗首先需要確定測試平臺。此次實驗選擇一臺Dell PowerEdge R740服務器作為測試平臺，并在其上安裝所需的系統軟件和遠程控制模塊。其次，準備一臺HP EliteBook 840 G5客戶端，安裝遠程控制軟件并進行配置，確保與服務器連接通暢。文章使用Ixia IxLoad網絡測試工具對遠程控制模塊進行壓力測試。最后，選擇TCP/IP協議和安全外殼（Secure Shell，SSH）協議連接軟件及Juniper網絡設備。

3.2 實驗結果

啟動測試前應根據測試用例選擇相應的測試工具和測試參數，通過測試工具對遠程控制模塊進行壓力測試。測試內容包括響應速度、處理能力和傳輸速率等。根據測試結果生成測試報告，展示測試數據和結果分析情況，以便評估系統的穩定性和性能。實驗數據如表1所示。

表1 實驗數據結果

由表1可知，在不同的運行時間節點下，系統的響應速度和處理能力基本穩定，并且傳輸速率較快，維持在2～10 Mb/s。這說明系統在不同的負載條件下均能夠正常運行，具有較好的穩定性和性能表現。同時，測試結果顯示，隨著時間的推移，系統的處理能力和傳輸速率有一定的提升。180 s時，系統處理能力為每秒100個，這可能與系統優化、硬件升級等因素有關。總的來說，民航機場供配電設備狀態管理系統的優點在于其能夠提升民航機場供配電設備管理的可靠性、降低設備維護成本、優化設備運行效率，有助于全面提高機場供配電設備的管理水平。

4 結 論

文章設計了一種民航機場供配電設備狀態管理系統。首先設計民航機場供配電設備狀態管理系統的硬件，根據實際需求進行選型；其次分析系統的需求和設計思路，并詳細闡述系統的軟件設計；最后進行實驗測試，驗證系統的性能和穩定性。該系統具有遠程控制、故障預警、數據分析等多種功能，可以大幅提升供配電設備維護人員的工作效率和工作質量。該系統在民航機場供配電設備的監測和管理方面具有重要的應用價值和推廣前景。在未來，將進一步完善該系統的功能，以滿足用戶的不同需求和持續變化的應用場景的需要。