山西省晉城市瑞麒建筑有限公司　董鑒珧

中北大學信息與通信工程學院　張志偉

中國農(nóng)業(yè)銀行股份有限公司運城分行營業(yè)部　解　洋

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配電運行參數(shù)檢測儀研究

山西省晉城市瑞麒建筑有限公司董鑒珧

中北大學信息與通信工程學院張志偉

中國農(nóng)業(yè)銀行股份有限公司運城分行營業(yè)部解洋

【摘要】在科學技術不斷發(fā)展的推動下，電力系統(tǒng)目前正朝著中低壓配電網(wǎng)智能化方向不斷前行。作為一種將電力資源輸送給成千萬戶用戶的設備，配電變壓器的工作狀態(tài)相關數(shù)據(jù)對于研究配電網(wǎng)整體運行狀態(tài)來說具有極高的價值。所以，通過一定的監(jiān)測手段收集該設備的工作狀態(tài)信息具有非常重要的意義。就目前電力系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀來看，能夠進行遠程通信的配電網(wǎng)正在逐漸變多。本文介紹了具有遠程通信功能的配電變壓器綜合參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)組成部分的主要功能，以及系統(tǒng)功能實現(xiàn)的手段。

【關鍵詞】自動化；配電；通信；監(jiān)測

1　具有遠程通信功能配電變壓器的意義與發(fā)展前景

在我國的供電系統(tǒng)，對居民、工礦企業(yè)及大型設備等供電的配電變壓器的監(jiān)測，大多地區(qū)在現(xiàn)場還是用手持儀器操作，這樣不僅費時費力，而且測試參數(shù)不夠全面，記錄不夠完整，不能夠達到真正的監(jiān)測目的。因此，電力系統(tǒng)發(fā)展主流方向逐漸朝著遠程通信、自動化等功能靠近，而配電變壓器的推廣及應用，將會提高我國配電網(wǎng)的自動化程度，提高配電變壓器的運行壽命，減少變壓器的維護次數(shù)及維修費用。另外，在出現(xiàn)故障時可進行自動控制并及時將故障原因信息發(fā)送至管理人員，因此可減少因事故造成的停電時間，提高了城鄉(xiāng)居民電力資源供給的可靠性。作為一種將電力資源輸送給成千萬戶用戶的設備，配電變壓器的工作狀態(tài)相關數(shù)據(jù)對于研究配電網(wǎng)整體運行狀態(tài)來說具有極高的價值。所以，通過一定的監(jiān)測手段收集該設備的工作狀態(tài)信息具有非常重要的意義[1]。

在實現(xiàn)監(jiān)測過程的自動化、規(guī)范化的過程中，變壓器是超負荷運行還是欠負荷運行，三相負荷平衡度怎樣，如何保證供電質量，保證電力系統(tǒng)運行的安全性、可靠性和經(jīng)濟性，是電力部門非常關心的問題。配電變壓器運行綜合參數(shù)監(jiān)測及無功最優(yōu)化補償系統(tǒng)，就是把目前配電變壓器所用的各種參數(shù)監(jiān)測儀表，如電壓表、電流表、功率因數(shù)表、負荷指示儀、電子式三相電度表集于一體并自動根據(jù)三相電壓、電流和無功功率對無功補償進行自動控制。隨著配電網(wǎng)自動化技術的不斷發(fā)展，這種作為基本終端的集配電運行綜合參數(shù)監(jiān)測及無功最優(yōu)化補償于一體的裝置，將會越來越受到重視其系統(tǒng)的推廣應用對用戶和電力部門均會帶來可觀的經(jīng)濟效益。

配電變壓器對于提升配電系統(tǒng)自動化水平來說非常重要。在過去的幾年間，由于監(jiān)測這種設備的終端發(fā)展非常迅速，已經(jīng)從早期的單一型發(fā)展到現(xiàn)在的智能化、多功能化、具有多種通信方式的現(xiàn)場測控設備。而為了適應21世紀配電網(wǎng)自動化的發(fā)展要需要，配電變壓器監(jiān)測終端將會朝著更加智能化、處理能力更強、使用更方便、性能更可靠、通信標準化以及設備一體化的方向發(fā)展[2]。

2　對基于GPRS通信的配電監(jiān)控系統(tǒng)的研究

2.1前言

在科學技術發(fā)展的推動下，電力系統(tǒng)的發(fā)展方向逐漸轉向中低壓配電網(wǎng)自動化水平的提高上。輸配電系統(tǒng)是由不同的環(huán)節(jié)所構成的，中低壓配電網(wǎng)位于所有環(huán)節(jié)的后方，也是最重要的一環(huán)。其自動化水平直接關系到電力資源耗用質量。所以，本文將對如何提升其自動化水平展開探討。

在電力系統(tǒng)中，配電變壓器是一種非常常見的硬件設施，其主要作用是降低電壓，并將電力資源輸送給千家萬戶。該設備的工作狀態(tài)信息是非常重要的配電系統(tǒng)數(shù)據(jù)。所以，收集該設備的實時工作狀態(tài)信息具有很高的實用價值。為了實現(xiàn)這一目標，筆者開發(fā)出一套配電變壓器監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)采用GPRS技術實現(xiàn)通信功能。

就目前的現(xiàn)狀來看，很多技術都能夠實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的通信功能，比如數(shù)傳電臺、GSM短信、光纖接入等。數(shù)傳電臺是一種最為經(jīng)濟的方法，在這種方法下只存在頻點費一項支出，但其應用效果和地理、天氣環(huán)境之間存在緊密的關聯(lián)，系統(tǒng)運行不夠可靠，且數(shù)據(jù)存在滯后性，數(shù)據(jù)難以主動收集和傳輸。GSM短信方式有效地克服了上述問題，但每發(fā)送一條數(shù)據(jù)，就需要收取一條短信的費用，后續(xù)運行成本很高，并且當服務器處于短信收發(fā)高峰期時，存在比較嚴重的延時現(xiàn)象。光纖通信在穩(wěn)定性和可靠性方面表現(xiàn)最佳，不過系統(tǒng)構建工程所需的硬件成本很高，難以擴展，后期運行過程的維護工作量很大。使用GPRS通信方法，能夠有效地避免這些缺陷。

2.2GPRS傳輸方法介紹

GPRS，全稱為General Packer Radio Service，中文名稱為通用無線分組業(yè)務。它是人們發(fā)明出來的一種能夠快速對數(shù)據(jù)進行處理的方法，它對數(shù)據(jù)進行分組處理，然后將數(shù)據(jù)傳輸給用戶。

GPRS是在GSM系統(tǒng)的基礎上發(fā)展而來的，人們研究它的初衷在于讓用戶能夠通過運營商的網(wǎng)絡享受更快的無線IP或X.25服務。在GSM模式下，數(shù)據(jù)傳輸速度基本上保持在9.6kbps左右，但GPRS的這一數(shù)據(jù)卻達到了171.2kbps。在連接效率方面，GSM的連接最少要花費10秒，GPRS將這一時間大大縮短。在使用費用方面，GSM以連接時長為依據(jù)，GPRS以傳輸數(shù)據(jù)流量為依據(jù)。在網(wǎng)絡資源閑置率方面，GSM相比GPRS更容易造成網(wǎng)絡資源的浪費。

從理論的角度來看，GPRS帶寬上限為171.2Kbit/s，在具體實踐中能夠達到40Kbit/s甚至100Kbit/s。將TCP/ IP協(xié)議置于這樣的信道上，就能夠和互聯(lián)網(wǎng)連接在一起，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸。GPRS應用了分組交換方法，用戶和無線信道之間是多對多的關系，通過這樣的方式，大大提高降低了資源的閑置率。在GPRS技術下，即便是應用端到端分組轉移模式，用戶也能夠在網(wǎng)絡上下載或是上傳數(shù)據(jù)，避免占用電路交換模式的資源。GPRS全天候不斷線，以數(shù)據(jù)流量為依據(jù)進行計費，這樣的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務在效率、投入方面有著巨大的優(yōu)勢。在傳輸非持續(xù)性、偶然性、多發(fā)性、中小流量數(shù)據(jù)時，能夠充分發(fā)揮自身的優(yōu)點，而且能夠為不經(jīng)常發(fā)生的大流量數(shù)據(jù)傳輸提供支持[3]。

總結來看，GPRS的優(yōu)勢體現(xiàn)在三個方面：

（1）數(shù)據(jù)往來速度快

相比GSM，GPRS的數(shù)據(jù)傳輸速度翻了十番，給用戶數(shù)據(jù)需求提供更加快速的服務，而且在傳輸視頻文件時，表現(xiàn)得更加穩(wěn)定，是一項偉大的創(chuàng)新。

（2）從不斷線

前文提到，GPRS的連接是在一瞬間完成的，這就決定了用戶能夠在任何時間和網(wǎng)絡連接起來。比如，如果用戶所在地區(qū)不存在GPRS，且用戶正在瀏覽網(wǎng)絡新聞的話，此時用戶接到一個呼叫電話，通常用戶都必須切斷網(wǎng)絡后然后再接電話，掛掉電話后再次連接網(wǎng)絡。在沒有別的選擇之前，用戶就對這種情況頗有微詞。GPRS的發(fā)明和應用，從根本上解決了這一問題。

（3）以數(shù)據(jù)傳輸量為依據(jù)計算費用

以用戶使用的流量為依據(jù)計算費用，改變過去在GSM模式下以在線時間為依據(jù)的計費模式。就算用戶長期保持“在線”狀態(tài)，如果沒有發(fā)生數(shù)據(jù)的傳輸，就不用支付任何費用。

將GPRS技術應用到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中去，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方向能夠將系統(tǒng)分割為兩大部分，即工作站和監(jiān)控站。系統(tǒng)中的GPRS和工作站連為一體。為此，系統(tǒng)上安裝了一個RS232/RS485數(shù)據(jù)接口，數(shù)據(jù)格式只要不超過1200-28800bps都是可行的。系統(tǒng)采用透明的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，目前的工作站以及監(jiān)控站的各種軟硬件設備都能發(fā)揮作用。該裝置有兩種供電方式：220V交流供電、7-40V直流供電，其功率消耗＜1W。

2.3系統(tǒng)結構

本文開發(fā)配電變壓器綜合管理系統(tǒng)，旨在創(chuàng)建兼具安全性和可靠性，擁有豐富的功能，由不同的彼此之間存在關聯(lián)的子系統(tǒng)在同一個開放式平臺上集成的系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有分布式、開放式、模塊化、可擴展性的特點，能夠為配電系統(tǒng)現(xiàn)代化功能和服務提供支持。平臺不但能夠提供系統(tǒng)運行背景以及硬件功能，而且還要具備更多的智能化功能，比如信息往來、人機交互等。根據(jù)系統(tǒng)應該具有的功能來看，平臺必須能夠讓這些子系統(tǒng)能夠在完全兼容的環(huán)境下運行，比如線損管理、自動抄表、諧波數(shù)據(jù)、自動報表等。平臺通過開放系統(tǒng)結構（OSA），將這些子系統(tǒng)全部集成起來，充分發(fā)揮各個子系統(tǒng)的功能，從而實現(xiàn)配電變壓器綜合管理信息系統(tǒng)的完整功能。

圖2.1詳細列出了本文所開發(fā)的系統(tǒng)的具體架構。從圖中可以看出，系統(tǒng)包括四個不同的構成部分。其中，主站的作用是進行人機交互，服務器的主要作用是收集和傳輸網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，GPRS數(shù)據(jù)終端的主要作用是信息的收發(fā)，監(jiān)控終端設備的作用是收集各種需要的數(shù)據(jù)。

圖2.1　GPRS配電變壓器監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構

在本文所設計的系統(tǒng)中，網(wǎng)絡代理服務器和互聯(lián)網(wǎng)之間的連接有兩種方式可以實現(xiàn)，一種為ADSL，另一種為LAN。系統(tǒng)在對服務進行解析時，選擇公網(wǎng)固定IP或公網(wǎng)動態(tài)IP+DNS方法。為了進一步消除系統(tǒng)安全隱患，系統(tǒng)主站并沒有和英特網(wǎng)連接在一起，而是位于局域網(wǎng)環(huán)境下。因此為了和網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)的往來，采用網(wǎng)絡代理服務器。GRPS數(shù)據(jù)數(shù)傳輸給終端后，后者就會采用既定的IP地址對網(wǎng)絡代理服務器進行訪問，在該服務器和主站的共同作用下，構建TCP/IP鏈路。主站保存有所有的終端的IP地址以及ID編號。如果主站需要某一終端所采集的數(shù)據(jù)時，首先會根據(jù)IP和ID數(shù)據(jù)定位終端，然后下達指令，終端接收到指令后把數(shù)據(jù)傳遞到網(wǎng)絡服務器端口，最后再傳輸給主站。至此，一個周期通訊流程完畢。

上述過程是在互聯(lián)網(wǎng)的支持下完成的，通過這樣的方式將成本控制在更低范圍內(nèi)。中國移動允許此類應用連接到GPRS網(wǎng)絡中來。正是由于運營商所提供的專線渠道，主站才能順利地連接GPRS移動基站，然后得到保持不變的IP地址。監(jiān)測點數(shù)據(jù)不需要通過路由器就能夠和互聯(lián)網(wǎng)相連，這一過程是通過SIM卡所實現(xiàn)的。通過上述方式構建的一對多的網(wǎng)絡，在實時性、安全性方面的表現(xiàn)十分突出，不過會造成成本的攀升[4]。

2.4監(jiān)控終端

本論文所設計的系統(tǒng)中的配電綜合監(jiān)測儀是目前應用十分廣泛的、科技含量很高的產(chǎn)品。該產(chǎn)品的參數(shù)嚴格遵循電力需求側以及配變負荷監(jiān)測的相關標準和要求。該產(chǎn)品對數(shù)據(jù)的處理功能十分豐富，比如采集、呈現(xiàn)、保存、通訊等，所有的處理過程都能夠保持高精度。后臺工作人員還能夠選擇圖表等非常直觀的方式來了解系統(tǒng)中保存的數(shù)據(jù)。具體來說，該設備的功能體現(xiàn)在兩個方面：

（1）可以通過測量提供三十多種參數(shù)，這些參數(shù)主要分布于九種類型中，即電壓、電流、有功功率、溫度等。

（2）能夠調整系統(tǒng)參數(shù)，比如裝置的CT、PT變比、系統(tǒng)時間等。

2.5GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端

該終端的主要作用是讓主站能夠和終端進行交流和通訊。本論文設計的系統(tǒng)所采用的終端為SARO1010P GRPS DTU，其功能和特點主要有：

2.5.1功能

（1）非常規(guī)范的AT指令畫面，給程序設計帶來極大的便利。

（2）內(nèi)部安裝了TCP/IP Internet協(xié)議棧，降低連接難度。（3）安裝RS232接口，降低通訊難度。（4）使用串口對程序進行升級處理。

2.5.2性能

（1）選擇功耗低、性能強勁的CPU，RAM以及FLASH的大小分別為125KB和512KB，因此在對協(xié)議和數(shù)據(jù)進行處理時，耗時極短。

（2）能夠采用全透明的方式進行數(shù)據(jù)往來，幀格式數(shù)據(jù)無需轉換就能傳輸。

（3）TCP、IP、PPP、等協(xié)議棧都能完美兼容。

（4）安裝有達到ISO7816-3IC卡規(guī)范的SIM卡座，符合GSM11.11以及11.10的SIM卡都能夠直接使用。

（5）降低接口復雜性，應用兼容性很強的232接口。

（6）應用便利性更高的電源接口，不但能夠使用外掛電源驅動，而且還能夠通過串口供電。

（7）功耗低，不超過3W。

（8）徹底避免了GRPS網(wǎng)絡本身的假撥問題，一旦掉線在無需人工干涉的情況下就能夠重啟，能夠進行遠距離的喚醒。

（9）為遠程控制、動態(tài)域名解析功能提供支撐。

（10）能夠滿足嵌入式系統(tǒng)需求，能夠安裝內(nèi)置式模塊。

（11）在軟件和硬件端都設計了看門狗，一旦DTU出現(xiàn)故障，在無需人工干涉的情況下就可以斷開電源并復位。

2.6監(jiān)控中心主站

從結構層次上看，主站系統(tǒng)包括四層結構。從里到外來看，第一層是操作平臺和軟件。第二層分布著和系統(tǒng)兼容的程序軟件，比如數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、數(shù)據(jù)收集和傳遞、電力系統(tǒng)模型。其中，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是由運行庫、基礎庫、標準庫以及歷史庫所構成的，數(shù)據(jù)收集和傳遞指的是利用不同的協(xié)議收集各個終端的采集的數(shù)據(jù)，然后直接傳輸至需要數(shù)據(jù)的系統(tǒng)里面。電力系統(tǒng)模型指的是系統(tǒng)中的設備和網(wǎng)絡拓撲。第三層是基礎應用層，該層的主要作用是以來自終端的數(shù)據(jù)為對象進行處理，并將處理結構呈現(xiàn)在GUI界面中，讓用戶瀏覽。第四層是高級應用層，該層的主要作用是為系統(tǒng)的決策提供客觀的數(shù)據(jù)依據(jù)。

主站的功能體現(xiàn)在這些方面：

在國家第三產(chǎn)業(yè)中，會展業(yè)已經(jīng)成為了主要的組成力量。會展行業(yè)所帶來的發(fā)展方式雖然與其他傳統(tǒng)行業(yè)存在明顯不同，但會展行業(yè)注重創(chuàng)新性以及交流性思維，符合當前國家急需發(fā)展的宏觀政策。而中小型會展中心作為國家會展行業(yè)的基層組成力量，故其雖具有規(guī)模較小的特質，但仍舊需要對自身的管理模式以及運營模式進行研究和改良。這樣才能保證中小型會展在發(fā)展進程中得到升級經(jīng)驗，進而迅速提升自身的發(fā)展實力，為國家第三產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展做出一份切實的推動貢獻。為此，本文選取會展管理以及運營模式為研究方向。

（1）對配電變壓器SCADA系統(tǒng)變壓器的工作狀態(tài)進行監(jiān)控和跟蹤，對數(shù)據(jù)進行分析、處理以及保存，結合實際情況調整RTU的參數(shù)，并將其狀態(tài)信息呈現(xiàn)出來。不但能夠提供配電網(wǎng)整體工作狀態(tài)信息，而且為系統(tǒng)整體功能的延伸提供了條件。

（2）工作人員在自動抄表系統(tǒng)中設定抄表時間，這樣系統(tǒng)就會定點進行抄表，除此之外該系統(tǒng)還提供了一些輔助功能，比如異常報警，記錄操作記錄等。

（3）支付預付費管理模式，避免以往用戶賴賬事件的發(fā)生，讓信譽度比較低的用戶先付錢，再用電，一旦剩余電量不足時提醒用戶及時購買。

（4）線損管理，該功能為臺區(qū)以及線路的線損問題的管理提供了極大的便利。

（5）針對配電線路以及變壓器等硬件進行管理，及時修復硬件故障，提高供電可靠性。

（6）對終端設備的錯誤進行診斷。從嚴重程度的角度來看，終端錯誤分為通訊中斷、終端無線錯誤、無線中斷等幾種類型，該功能能夠識別具體的終端錯誤類型。

（8）電容器投切。以電壓和功率因數(shù)為依據(jù)，結合時間因素以及投切次數(shù)展開調節(jié)。如果現(xiàn)場調節(jié)起不到應有的作用的話，通過監(jiān)視和遠程控制功能進行調節(jié)。若終端本身不支持調節(jié)和投切，同樣可以通過遠程功能實現(xiàn)。

（9）通過遠程功能，了解甚至調整終端的工作參數(shù)。在主站對開關合/分閘進行控制。了解甚至調整VQC參數(shù)。

（10）為了和營銷系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，系統(tǒng)專門設置了能夠和該系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫相連的接口。

（11）收集并統(tǒng)計諧波數(shù)據(jù)。

（12）用戶竊電管理。將用戶電量數(shù)據(jù)和功率準換電量數(shù)據(jù)放在一起進行比較，選擇最合適的比例系數(shù)作為臨界值，一旦達到了臨界值就發(fā)出警告。

當前，國內(nèi)電力資源供應和使用的安全性和可靠性引起人們極大的關注，電力企業(yè)也在積極尋找更加現(xiàn)代化的管理手段，以提高管理水平。中低壓配電網(wǎng)自動化能夠很好地滿足企業(yè)自身和社會的需求。將GPRS這一先進且成熟的通訊技術引入到配電自動化領域，能夠充分發(fā)揮其自身的優(yōu)勢。應用GPRS技術的配電變壓器管理系統(tǒng)具有可觀的市場發(fā)展?jié)摿5]。

3　結論

本文介紹了具有遠程通信功能的配電變壓器綜合參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)組成部分的主要功能，以及系統(tǒng)功能實現(xiàn)的手段。論文還簡要闡述了無功補償技術以及基于GPRS配電變壓器監(jiān)控系統(tǒng)。

本設計從配電變壓器各電氣參數(shù)的實時采集，到遠程網(wǎng)絡通訊，最后到監(jiān)測中心數(shù)據(jù)處理分析和遠程控制，基本實現(xiàn)了自動化、智能化。我相信隨著配電網(wǎng)自動化技術的不斷發(fā)展，這種作為基本終端的集配電運行綜合參數(shù)監(jiān)測及無功最優(yōu)化補償于一體的裝置，將會越來越受到重視。其系統(tǒng)的推廣應用對用戶和電力部門均會帶來可觀的經(jīng)濟效益。因此，此設計具有很高的實用價值，將有很好的發(fā)展前景。

參考文獻

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