基于物联网的配电站电气节能系统设计

桂晓纯

（上海东捷电力设计有限公司，上海 201203）

0 引 言

随着能源需求的不断增长和环境保护意识的日益提高，节能减排已经成为当今社会发展的重要趋势。配电站作为电力系统的重要组成部分，其能耗问题备受关注。基于物联网的配电站电气节能系统设计旨在通过物联网技术实现对配电站能耗的实时监测和控制，提高配电站的运行效率和节能水平，为电力行业的可持续发展提供有力支持。配电站电气节能系统设计的主要目标是降低能源消耗、减少排放、提高运行效率。通过物联网技术，可以远程监控和管理配电站设备，实时采集设备的运行数据和能耗数据，为节能管理和系统优化提供数据支撑。同时，基于物联网的配电站电气节能系统可以实现设备的自动化控制和智能调节，进一步降低能耗，提高运行效率。此外，基于物联网的配电站电气节能系统可以为智能城市的建设提供有力支持，推动城市能源结构的优化和可持续发展[1]。

1 基于物联网的配电站电气节能系统的硬件设计

配电站电气系统是一个复杂的网络，主要由高低压配电设备、发电机组、配电线路以及电力监控系统等部分组成。配电站电气系统需要综合考虑可靠、安全及经济等多方面因素，确保电能能够高效、安全地输送至各个用电终端。同时，配电站的电气系统需要不断进行技术升级和改造，以适应社会对电力能源日益增长的需求。因此，文章设计一种基于物联网的配电站电气节能系统。该系统以物联网技术为基础，通过互联、协同实现配电站的终端信息采集，通过无线网络、局域网等网络将数据上传至网管终端和监控界面。配电站管理人员可以在监控室通过服务器，实时查看配电站的环境、电气设备及电力设备的历史用电情况。同时，根据服务器端的需求对配电站进行远程遥控、实时控制。在节能控制方面，基于配电站的活动规则与室内环境动态参数，研究不同的节能控制策略[2-3]。

本系统硬件主要分为4 个功能模块，分别是数据采集模块、通信模块、中央控制器以及节能控制模块。

第一，数据采集模块。数据采集模块包括传感器和模数转换器（Analog to Digital Converter，ADC），其中传感器负责感应电气参数，ADC 将模拟信号转换为数字信号供后续处理，实时采集配电站内的电压、电流、功率因数等电气参数。

第二，通信模块。通信模块采用远距离无线电（Long Range Radio，LoRa）通信协议，实现数据采集模块与中央控制器、节能控制模块之间的数据传输。

第三，中央控制器。中央控制器作为系统核心，负责接收、处理及分析数据。其借助PIC18F4520 芯片设计Jscript 脚本程序代码，按照节能算法生成控制指令，确保系统稳定运行。

第四，节能控制模块。节能控制模块包括变频器、无功补偿装置及智能开关等，根据中央控制器指令调整设备的运行参数或工作模式，实现配电站内电气设备的节能控制。

2 基于物联网的配电站电气节能系统的软件设计

2.1 实时设备控制模块设计

以电气节能系统中的照明控制系统为例，该系统以MrtlcLight 软件作为中央监控软件的实时设备控制模块。MrtlcLigh 软件具有良好的人机互动经验，且用户体验较好[4]。实时设备控制模块采用IL/40-2 型照度传感器。该传感器包括感应和控制器两部分，具有防水性，适用于配电站的室内外环境，可以在0～95%相对光照范围内正常工作，并通过多功能输入模块，实现监测场地的照明环境信息的收取。本次设计选用IY-40-1.U 和IY-40-2.U 型号的红外动力传感器，采用红外线与微波复合感应相结合的方法来检测信号[5]。

在配电站室内光照充足时，若照明设备常亮，则会消耗大量能源，因此需要判断场地环境的光照条件，通过实时设备控制模块实时控制光照强度等。调节光照强度包括调节灯光和干预自然光。调节灯光主要使用DM/50-6.3 型调光控制器，该设备具备网络控制和手动控制2 种模式[6]。干预自然光则通过窗帘控制模块实现智能遮挡。调光控制器内存有照明模式信息，模式切换时能做到淡入淡出，避免对人眼造成不适。模式切换后，会向监控中心反馈灯具的实际亮度。各回路还设有调光阈值，以保护设备并满足基本的灯光需求。其自动控制流程如图1 所示。以配电站的照明系统实现实时设备控制模块功能为例，照明节能量的计算公式为

图1 照明设备自动控制流程

式中：eui表示基准期第i种灯具的实测功率；n表示节能后所使用的灯具种类数；nxi表示节能后的照明区域；exi表示节能后第i种灯具的实测功率；mxi表示节能后第i种灯具的使用时间。

通过设计实时设备控制模块，确保系统能够高效、安全地控制各个电气设备，为节能决策和优化提供支持[7]。

2.2 数据处理模块设计

在系统软件设计中，需要明确系统所需的数据类型、数据量以及数据来源。数据不仅包括设备运行状态、能耗数据、环境参数等，还包括权限管理、用户信息、操作日志等系统管理相关的数据。根据数据需求和系统规模，选择合适的数据存储方式。对于大量实时数据，可能需要使用关系型数据库或NoSQL数据库；对于少量数据，可以使用文件存储或轻量级的数据库。文章针对基于物联网的配电站电气节能系统的数据库，划分为7 个数据库表，分别为实时数据处理数据表、节能减排综合指标考核数据表、实时数据采集原始数据表、值班运行人员数据表、离线数据表、用户信息数据表以及生产报表数据表。文章选取实际数据处理数据表为例进行分析。

首先，数据的存储、管理单元是整个模块的核心。通过神经网络算法实现数据采集时间的标准化处理，对数据包进行校验和解析、原能耗数据的存储以及拆分能耗数据的分割计算等功能。神经元的输出表达公式为

式中：xi和yi分别表示输入和输出；qij表示神经元i至j的权值（在抑制状态下，qij为负；在激发状态下，qij为正）；f(·)表示输出的变换函数；n表示输入信号的总数量；ε表示阈值。

其次，完成数据处理后，需要进行数据上报，以实现数据的抽取、打包、上传及反馈等功能。在验证低层数据的合法性之后，将其存储于数据库。

最后，归类和整理数据，并对其进行分析、汇总、集成，以静态表格或动态图形的形式在服务端界面中展现出来。配电站的工作人员可以通过服务端界面实时查询、评价能耗数据，为信息变更、节能运营及改造、决策指令等方面提供良好的服务，深入发掘配电站电气节能的潜力，为节能管理部门提供有效的管理手段。

3 实验测试与分析

3.1 系统测试环境

本次测试以MATLAB 软件作为测试平台，测试选用的环境参数配置如表1 所示。

表1 开发环境参数配置

3.2 系统功能测试

基于配置的测试环境，选取A 配电站安装基于物联网的配电站电气节能系统。收集和统计基于物联网的配电站电气节能系统安装前后的用电量，以验证该系统的节能效果，测试结果如表2 所示。

表2 节能效果对比

从表2 可以看出，在相同的测试时间下，安装基于物联网的配电站电气节能系统后的能耗数据比节能系统安装前的能耗数据低6.37 kW·h，能耗下降49.61%。由此表明，安装基于物联网的配电站电气节能系统后的节能效果得到明显提升，实现降损增效、节能减排，达到营造绿色环境的目的。

4 结 论

文章设计的基于物联网的配电站电气节能系统，为配电站的能源管理提供一种高效的解决方案。该系统利用物联网技术，实时监控和智能控制配电站电气设备，提高能源利用效率。随着能源需求的不断增长和环境保护意识的提高，电气节能成为电力行业的重要发展方向。基于物联网的配电站电气节能系统设计具有良好的应用前景和社会价值，不仅可以为企业节约能源成本，还可以为环境保护做出贡献。然而，该系统的设计和实施仍面临一些挑战，如数据安全、系统稳定性等问题。未来的研究中，需要进一步探讨如何提高系统的安全性和稳定性，解决实际应用中的问题，推动基于物联网的配电站电气节能系统的广泛应用。