箱式變電站遠程控制的解決方案

蔣偉¹曹雪華¹
（1上海安科瑞電氣股份有限公司，上海 嘉定，201801）

摘    要：介紹基于GPRS網絡無線監控在智能箱式變電站系統監控中的解決方案，描述了系統結構及各其構成模塊功能，對系統特點進行了分析。
關鍵詞：箱式變電站  GPRS   通訊服務器  監控系統

0　 概述
　　隨著我國城市現代化建設的飛速發展，城市配電系統的不斷改造更新，一種新型的智能箱式變電站應運而生，如圖1所示，這種新型的箱式變電站將高壓受電、變壓器降壓、低壓配電等功能有機地組合在一起，由于其具有集成化程度高、工廠預安裝、節能、節地、安全、美觀等特點，因此在城網建設與改造中得到廣泛應用。

圖1　智能箱式變電站

　　信息化、網絡化和智能化的快速發展，要求箱變不僅要安全穩定運行，同時還要具有“四遙”(遙測、遙信、遙調、遙控)的智能化功能；達到故障區段快速準確定位、故障及時切除、負荷轉帶、網絡重構等功能，從而保證快速恢復供電。
　　但是，智能箱式變電站一般安裝在負荷密集的工礦企業、港口、機場、城市公共建筑、高速公路、地下設施和居民住宅小區等場所；要對智能箱式變電站進行遠程監控、系統組網，由于其布線施工比較苦難，一般的現場總線組網方式就很難實現。
　　本文介紹的就是一種基于GPRS網絡在智能箱式變電站監控系統的應用實例，該系統成功解決了對箱式變電站進行監控監控中存在的布線困難問題，實現了遠程監測系統的通訊問題，比有線通訊方式有著無可比擬的優越性。目前該系統在山東淄博電力環網改造箱式變電站系統監控中得以成功的應用，系統運行穩定可靠，達到了預期的效果和設計要求。

1　  基于GPRS箱變遠程監控系統內部設計
　　基于GPRS箱變遠程監控系統采用三層網絡結構，如圖2所示，即現場層、通訊層、管理層。現場層主要由智能儀表組成主要完成箱變內部電量與非電量的數據采集；通訊層主要由智能通訊服務器、GPRS MODEM組成，主要實現現場數據的集中采集和通訊管理；管理層不設監控中心，主要由移動數據終端（用戶手機、email郵箱等）組成，主要用于接收箱變內部運行數據；系統借助于移動的GPRS網絡實現數據的遠程采集和管理。

圖2　系統內部網絡結構圖

　　箱變內部智能元器件由進線多功能網絡電力儀表、漏電報警裝置、溫濕度控制裝置、饋線測量儀表、開關量I/O模塊、風機故障檢測裝置、智能通訊服務器、無線GPRS MODEM等智能器件組成。
　　進線回路實現對低壓進線側的全電參量的測量：如檢測進線回路的電壓、電流、有功功率、無功功率、頻率、功率因數、四象限電能等電參量；同時還可以實現對進線回路遙信量的檢測，如：進線刀閘，斷路器位置，斷路器故障等；通過自身的繼電器輸出模塊，完成遠程合分斷路器的功能。
　　饋線回路通過多回路監控單元實現對多條饋線回路點參量的集中采集，主要采集箱變內部饋線回路的電流參量和開關位置信息；直觀的了解箱變內部各個饋線的運行負荷狀態和開關位置。
　　漏電報警裝置通過安裝在各個回路的零序電流互感器分別采集各回路的漏電流，同時對超出安全警戒的漏電信息發出報警；提高各饋線回路用電安全指數。
　　溫濕度控制器主要檢測箱變內部的溫濕度和變壓器鐵心溫度；通過箱變內部的風機和加熱器，調節箱變內部的溫濕度指數；為箱變內部元器件提供穩定的工作環境；從而提高內部元器件的使用壽命和安全運行指數。
　　風機故障檢測裝置完成對風機制冷風機運行狀態進行檢測判斷，提高整個系統安全運行環境的指數。
　　智能通訊服務器為一臺嵌入式計算機，其具有軟件代碼小、高度自動化、響應速度快等特點，特別適合于要求實時和多任務的體系。嵌入式系統主要由嵌入式處理器、相關支撐硬件、嵌入式操作系統（內嵌uCLinux操作系統）及應用軟件系統等組成，它是可獨立工作的“器件”。支持用戶編程操作，通過用戶設計應用程序，實現對箱變內部數據采集、運算處理、任務管理、發送信息存儲和與無線GPRS MODEM的通訊等功能。
　　無線GPRS MODEM主要實現智能服務器與無限公網的數據傳輸；GPRS是GSM的一種新數據業務，它在移動用戶和數據網絡之間提供一種連接，給移動用戶提供高速無線IP和X.25 分組數據接入服務。GPRS (General Packet Radio Service)中文含義為通用分組無線服務，它是利用“包交換”（Packet-Switch）的概念所發展出的一套無線傳輸方式。所謂的包交換就是將Date 封裝成許多獨立的封包，再將這些封包一個一個傳送出去，形式上有點類似寄包裹，采用包交換的好處是只有在有資料需要傳送時才會占用頻寬，而且可以以傳輸的資料量計價，這對用戶來說是比較合理的計費方式，因為象Internet 這類的數據傳輸大多數的時間頻寬是閑置的。此外，在GSM phase 2+的標準里，GPRS 可以提供4種不同的編碼方式，這些編碼方式也分別提供不同的錯誤保護能力。GPRS技術的應用提高了系統的通訊組網靈活性、穩定性。

2 　 基于GPRS箱變遠程監控系統功能分析
　　系統功能根據箱變實際運行的智能要求和對整體運行成本的節約化進行設計；系統主要由運行故障報警和實時數據采集兩大任務模塊，如圖3所示。

圖3　系統任務流程

　　運行故障報警主要為箱變內部高壓開關狀態實時監控和變位報警；報警內容如圖4所示，包括：故障報警產生日期時間，站號，回路名稱，報警內容等信息；報警范圍為高低壓主斷路器實時監測，故障報警，變位報警；饋線斷路器狀態實時監測及開關變位報警；各饋線回路的漏電報警；箱變內部溫度異常報警；風機故障報警；及運行電壓的缺相和不平衡報警等報警信息組成。該報警信息主要通過智能元器件對箱變數據進行實時采集、運算、通訊上傳至由智能通訊服務器，再由通訊服務器進行運算、分析判斷；最后利用GPRS modem把有效的報警信息通過GSM網絡發送至指定用戶手機；使用戶及時響應故障報警，縮短故障恢復時間。同時考慮到GSM網絡繁忙和用戶手機是否在線等因素，支持報警信息多用戶，多次間隔發送。保證信息及時傳輸至用戶，增強系統運行的安全指數。

圖4　短信報警信息

　　實時數據監測，主要完成對箱變內部的實時數據進行監測。郵件內容如圖5，包括：子站ID號碼，郵件發送日期時間，高低側遙測：三相電壓，三相電流，環境溫度，變壓器溫度；低壓進線側遙測：三相相電壓，三相線電壓，三相電流，有功功率，無功功率，功率因數，頻率，吸收有功電度，無功電度，負荷率，不平衡率；以及饋線回路的三相電流，漏電流等信息。通訊服務器負責數據采集、處理和郵件數據發送；由于郵件發送是采用定時發送機制，為了保證報警數據的實時性，因此對實時數據的采集也是定時完成的，即在需要發送郵件之前由通訊服務器負責數據的采集，處理，存儲；然后編輯郵件進行定時郵件發送，最終完成實時數據的遠程發送。

 圖5　Email遙測信息內容

3　 基于GPRS箱變遠程監控系統特性
　　經濟性；由于監控站點相對分散，大大減少了線纜鋪設的施工難度；只要有GPRS網絡覆蓋的場所即可完成對箱變子站的監控；不設監控主站，系統的實時數據采用定時發送；報警信息實時短消息發送，大大減少了利用GPRS網絡產生的數據流量費用；減少系統運行的成本，降低系統的運行費用。
　　穩定性與可靠性；本系統是基于嵌入式計算機系統完成的，數據采集、報警發送、郵件發送都是有通訊服務器即嵌入式計算機完成；嵌入式計算機內嵌uCLinux操作系統，具有很強的穩定性與可靠性；避免系統因軟件和硬件造成的系統故障，提高了系統運行的免維護性。
　　獨立性；可以不依賴有固有的監控主站獨立運行；每個子站都是一個獨立運行的監控單元，單個子站的故障不會影響其它站點的正常使用；減少了因為監控主站單點故障造成的整個系統癱瘓的弊端。
　　實時性；系統所有的功能都是有嵌入式計算機負責完成，嵌入式計算機采用了具有實時性很高的uCLinux操作系統，同時借助于覆蓋范圍廣，覆蓋信號強，傳輸速度快的GPRS網絡，極大提高了系統數據采集、運算處理和報警發送的實時性；極大的提高了報警系統實時性，縮短故障報警的響應時間。
　　易用性；系統通過內部配置文件完成對移動數據接收終端的配置，方便用戶對移動數據接收終端信息的變更；主要完成完成的變更信息為：短信報警發送次數、發送時間間隔、接收SIM號碼、發送郵箱地址、接收郵箱地址、發送郵件間隔、站地址等信息的變更；用戶把變更后的配置文件通過FTP上傳工具上傳至通訊服務器即可完成對監控站點信息的變更；方便用戶對監控站點信息修改和維護。

4　 結束語
　　目前在智能箱式變電站智能化監控系統的通信中，主要采用數傳電臺、GSM短消息、光纖接入等方式。數傳電臺的優勢是除了每年的頻點費以外，平時運行無需額外費用，缺點是受地形、氣候的影響較大，造成系統的可靠性、實時性較差，無法主動上報；GSM短消息方式可以實現主動上報，缺點是按條收費，運行費用高，而且在節假日短消息中心服務器繁忙時延時相當長；光纖通信穩定可靠，但是施工成本投入太大、擴展性差、光纖及設備等的維護方面很不方便；而GPRS通信則避免了以上問題，組網靈活，數據傳輸速度快，提高數據采集的靈活性和穩定性。
　　實踐證明，該系統不僅可以用于遠程電力監控，在遠程抄表電能管理方面也有很好的應用前景。

　　文章來源于：《供用電》2009年12期。

參考文獻
[1] 上海安科瑞電氣股份有限公司.ACR系列網絡多功能電力儀表安裝使用說明書.2008.7
[2] 任致程 周中. 電力電測數字儀表原理與應用指南. 北京.中國電力出版社. 2007.4
[3] 新華社《國務院關于印發節能減排綜合性工作方案的通知》. 2007.6
[4] 國家發改委《能源發展“十一五”規劃》. 2007.4

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