箱式變電站遠(yuǎn)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(wǎng)絡(luò)無(wú)線監(jiān)控在智能箱式變電站系統(tǒng)監(jiān)控中的解決方案，描述了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及各其構(gòu)成模塊功能，對(duì)系統(tǒng)特點(diǎn)進(jìn)行了分析。
關(guān)鍵詞：箱式變電站 GPRS 通訊服務(wù)器 監(jiān)控系統(tǒng)
0 概述
隨著我國(guó)城市現(xiàn)代化建設(shè)的飛速發(fā)展，城市配電系統(tǒng)的不斷改造更新，一種新型的智能箱式變電站應(yīng)運(yùn)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(jī)地組合在一起，由于其具有集成化程度高、工廠預(yù)安裝、節(jié)能、節(jié)地、安全、美觀等特點(diǎn)，因此在城網(wǎng)建設(shè)與改造中得到廣泛應(yīng)用。
圖1 智能箱式變電站
信息化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的快速發(fā)展，要求箱變不僅要安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)還要具有“四遙”(遙測(cè)、遙信、遙調(diào)、遙控)的智能化功能；達(dá)到故障區(qū)段快速準(zhǔn)確定位、故障及時(shí)切除、負(fù)荷轉(zhuǎn)帶、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)等功能，從而保證快速恢復(fù)供電。
但是，智能箱式變電站一般安裝在負(fù)荷密集的工礦企業(yè)、港口、機(jī)場(chǎng)、城市公共建筑、高速公路、地下設(shè)施和居民住宅小區(qū)等場(chǎng)所；要對(duì)智能箱式變電站進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、系統(tǒng)組網(wǎng)，由于其布線施工比較苦難，一般的現(xiàn)場(chǎng)總線組網(wǎng)方式就很難實(shí)現(xiàn)。
本文介紹的就是一種基于GPRS網(wǎng)絡(luò)在智能箱式變電站監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例，該系統(tǒng)成功解決了對(duì)箱式變電站進(jìn)行監(jiān)控監(jiān)控中存在的布線困難問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通訊問(wèn)題，比有線通訊方式有著無(wú)可比擬的優(yōu)越性。目前該系統(tǒng)在山東淄博電力環(huán)網(wǎng)改造箱式變電站系統(tǒng)監(jiān)控中得以成功的應(yīng)用，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，達(dá)到了預(yù)期的效果和設(shè)計(jì)要求。
1 基于GPRS箱變遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計(jì)
基于GPRS箱變遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖2所示，即現(xiàn)場(chǎng)層、通訊層、管理層。現(xiàn)場(chǎng)層主要由智能儀表組成主要完成箱變內(nèi)部電量與非電量的數(shù)據(jù)采集；通訊層主要由智能通訊服務(wù)器、GPRS MODEM組成，主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的集中采集和通訊管理；管理層不設(shè)監(jiān)控中心，主要由移動(dòng)數(shù)據(jù)終端（用戶手機(jī)、email郵箱等）組成，主要用于接收箱變內(nèi)部運(yùn)行數(shù)據(jù)；系統(tǒng)借助于移動(dòng)的GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集和管理。
圖2 系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
箱變內(nèi)部智能元器件由進(jìn)線多功能網(wǎng)絡(luò)電力儀表、漏電報(bào)警裝置、溫濕度控制裝置、饋線測(cè)量?jī)x表、開(kāi)關(guān)量I/O模塊、風(fēng)機(jī)故障檢測(cè)裝置、智能通訊服務(wù)器、無(wú)線GPRS MODEM等智能器件組成。
進(jìn)線回路實(shí)現(xiàn)對(duì)低壓進(jìn)線側(cè)的全電參量的測(cè)量：如檢測(cè)進(jìn)線回路的電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、頻率、功率因數(shù)、四象限電能等電參量；同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)線回路遙信量的檢測(cè)，如：進(jìn)線刀閘，斷路器位置，斷路器故障等；通過(guò)自身的繼電器輸出模塊，完成遠(yuǎn)程合分?jǐn)嗦菲鞯墓δ堋?br/> 饋線回路通過(guò)多回路監(jiān)控單元實(shí)現(xiàn)對(duì)多條饋線回路點(diǎn)參量的集中采集，主要采集箱變內(nèi)部饋線回路的電流參量和開(kāi)關(guān)位置信息；直觀的了解箱變內(nèi)部各個(gè)饋線的運(yùn)行負(fù)荷狀態(tài)和開(kāi)關(guān)位置。
漏電報(bào)警裝置通過(guò)安裝在各個(gè)回路的零序電流互感器分別采集各回路的漏電流，同時(shí)對(duì)超出安全警戒的漏電信息發(fā)出報(bào)警；提高各饋線回路用電安全指數(shù)。
溫濕度控制器主要檢測(cè)箱變內(nèi)部的溫濕度和變壓器鐵心溫度；通過(guò)箱變內(nèi)部的風(fēng)機(jī)和加熱器，調(diào)節(jié)箱變內(nèi)部的溫濕度指數(shù)；為箱變內(nèi)部元器件提供穩(wěn)定的工作環(huán)境；從而提高內(nèi)部元器件的使用壽命和安全運(yùn)行指數(shù)。
風(fēng)機(jī)故障檢測(cè)裝置完成對(duì)風(fēng)機(jī)制冷風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)判斷，提高整個(gè)系統(tǒng)安全運(yùn)行環(huán)境的指數(shù)。
智能通訊服務(wù)器為一臺(tái)嵌入式計(jì)算機(jī)，其具有軟件代碼小、高度自動(dòng)化、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，特別適合于要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)的體系。嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、相關(guān)支撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)（內(nèi)嵌uCLinux操作系統(tǒng)）及應(yīng)用軟件系統(tǒng)等組成，它是可獨(dú)立工作的“器件”。支持用戶編程操作，通過(guò)用戶設(shè)計(jì)應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)箱變內(nèi)部數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算處理、任務(wù)管理、發(fā)送信息存儲(chǔ)和與無(wú)線GPRS MODEM的通訊等功能。
無(wú)線GPRS MODEM主要實(shí)現(xiàn)智能服務(wù)器與無(wú)限公網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸；GPRS是GSM的一種新數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，它在移動(dòng)用戶和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間提供一種連接，給移動(dòng)用戶提供高速無(wú)線IP和X.25 分組數(shù)據(jù)接入服務(wù)。GPRS (General Packet Radio Service)中文含義為通用分組無(wú)線服務(wù)，它是利用“包交換”（Packet-Switch）的概念所發(fā)展出的一套無(wú)線傳輸方式。所謂的包交換就是將Date 封裝成許多獨(dú)立的封包，再將這些封包一個(gè)一個(gè)傳送出去，形式上有點(diǎn)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(shí)才會(huì)占用頻寬，而且可以以傳輸?shù)馁Y料量計(jì)價(jià)，這對(duì)用戶來(lái)說(shuō)是比較合理的計(jì)費(fèi)方式，因?yàn)橄驣nternet 這類的數(shù)據(jù)傳輸大多數(shù)的時(shí)間頻寬是閑置的。此外，在GSM phase 2+的標(biāo)準(zhǔn)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(cuò)誤保護(hù)能力。GPRS技術(shù)的應(yīng)用提高了系統(tǒng)的通訊組網(wǎng)靈活性、穩(wěn)定性。
2 基于GPRS箱變遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)功能分析
系統(tǒng)功能根據(jù)箱變實(shí)際運(yùn)行的智能要求和對(duì)整體運(yùn)行成本的節(jié)約化進(jìn)行設(shè)計(jì)；系統(tǒng)主要由運(yùn)行故障報(bào)警和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集兩大任務(wù)模塊，如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)任務(wù)流程
運(yùn)行故障報(bào)警主要為箱變內(nèi)部高壓開(kāi)關(guān)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控和變位報(bào)警；報(bào)警內(nèi)容如圖4所示，包括：故障報(bào)警產(chǎn)生日期時(shí)間，站號(hào)，回路名稱，報(bào)警內(nèi)容等信息；報(bào)警范圍為高低壓主斷路器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，故障報(bào)警，變位報(bào)警；饋線斷路器狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及開(kāi)關(guān)變位報(bào)警；各饋線回路的漏電報(bào)警；箱變內(nèi)部溫度異常報(bào)警；風(fēng)機(jī)故障報(bào)警；及運(yùn)行電壓的缺相和不平衡報(bào)警等報(bào)警信息組成。該報(bào)警信息主要通過(guò)智能元器件對(duì)箱變數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、運(yùn)算、通訊上傳至由智能通訊服務(wù)器，再由通訊服務(wù)器進(jìn)行運(yùn)算、分析判斷；最后利用GPRS modem把有效的報(bào)警信息通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至指定用戶手機(jī)；使用戶及時(shí)響應(yīng)故障報(bào)警，縮短故障恢復(fù)時(shí)間。同時(shí)考慮到GSM網(wǎng)絡(luò)繁忙和用戶手機(jī)是否在線等因素，支持報(bào)警信息多用戶，多次間隔發(fā)送。保證信息及時(shí)傳輸至用戶，增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行的安全指數(shù)。
圖4 短信報(bào)警信息
實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，主要完成對(duì)箱變內(nèi)部的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。郵件內(nèi)容如圖5，包括：子站ID號(hào)碼，郵件發(fā)送日期時(shí)間，高低側(cè)遙測(cè)：三相電壓，三相電流，環(huán)境溫度，變壓器溫度；低壓進(jìn)線側(cè)遙測(cè)：三相相電壓，三相線電壓，三相電流，有功功率，無(wú)功功率，功率因數(shù)，頻率，吸收有功電度，無(wú)功電度，負(fù)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(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、處理和郵件數(shù)據(jù)發(fā)送；由于郵件發(fā)送是采用定時(shí)發(fā)送機(jī)制，為了保證報(bào)警數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，因此對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集也是定時(shí)完成的，即在需要發(fā)送郵件之前由通訊服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，處理，存儲(chǔ)；然后編輯郵件進(jìn)行定時(shí)郵件發(fā)送，最終完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程發(fā)送。
圖5 Email遙測(cè)信息內(nèi)容
3 基于GPRS箱變遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)特性
經(jīng)濟(jì)性；由于監(jiān)控站點(diǎn)相對(duì)分散，大大減少了線纜鋪設(shè)的施工難度；只要有GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋的場(chǎng)所即可完成對(duì)箱變子站的監(jiān)控；不設(shè)監(jiān)控主站，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采用定時(shí)發(fā)送；報(bào)警信息實(shí)時(shí)短消息發(fā)送，大大減少了利用GPRS網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量費(fèi)用；減少系統(tǒng)運(yùn)行的成本，降低系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。
穩(wěn)定性與可靠性；本系統(tǒng)是基于嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成的，數(shù)據(jù)采集、報(bào)警發(fā)送、郵件發(fā)送都是有通訊服務(wù)器即嵌入式計(jì)算機(jī)完成；嵌入式計(jì)算機(jī)內(nèi)嵌uCLinux操作系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性與可靠性；避免系統(tǒng)因軟件和硬件造成的系統(tǒng)故障，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的免維護(hù)性。
獨(dú)立性；可以不依賴有固有的監(jiān)控主站獨(dú)立運(yùn)行；每個(gè)子站都是一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的監(jiān)控單元，單個(gè)子站的故障不會(huì)影響其它站點(diǎn)的正常使用；減少了因?yàn)楸O(jiān)控主站單點(diǎn)故障造成的整個(gè)系統(tǒng)癱瘓的弊端。
實(shí)時(shí)性；系統(tǒng)所有的功能都是有嵌入式計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)完成，嵌入式計(jì)算機(jī)采用了具有實(shí)時(shí)性很高的uCLinux操作系統(tǒng)，同時(shí)借助于覆蓋范圍廣，覆蓋信號(hào)強(qiáng)，傳輸速度快的GPRS網(wǎng)絡(luò)，極大提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算處理和報(bào)警發(fā)送的實(shí)時(shí)性；極大的提高了報(bào)警系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，縮短故障報(bào)警的響應(yīng)時(shí)間。
易用性；系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)部配置文件完成對(duì)移動(dòng)數(shù)據(jù)接收終端的配置，方便用戶對(duì)移動(dòng)數(shù)據(jù)接收終端信息的變更；主要完成完成的變更信息為：短信報(bào)警發(fā)送次數(shù)、發(fā)送時(shí)間間隔、接收SIM號(hào)碼、發(fā)送郵箱地址、接收郵箱地址、發(fā)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(guò)FTP上傳工具上傳至通訊服務(wù)器即可完成對(duì)監(jiān)控站點(diǎn)信息的變更；方便用戶對(duì)監(jiān)控站點(diǎn)信息修改和維護(hù)。
4 結(jié)束語(yǔ)
目前在智能箱式變電站智能化監(jiān)控系統(tǒng)的通信中，主要采用數(shù)傳電臺(tái)、GSM短消息、光纖接入等方式。數(shù)傳電臺(tái)的優(yōu)勢(shì)是除了每年的頻點(diǎn)費(fèi)以外，平時(shí)運(yùn)行無(wú)需額外費(fèi)用，缺點(diǎn)是受地形、氣候的影響較大，造成系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性較差，無(wú)法主動(dòng)上報(bào)；GSM短消息方式可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)上報(bào)，缺點(diǎn)是按條收費(fèi)，運(yùn)行費(fèi)用高，而且在節(jié)假日短消息中心服務(wù)器繁忙時(shí)延時(shí)相當(dāng)長(zhǎng)；光纖通信穩(wěn)定可靠，但是施工成本投入太大、擴(kuò)展性差、光纖及設(shè)備等的維護(hù)方面很不方便；而GPRS通信則避免了以上問(wèn)題，組網(wǎng)靈活，數(shù)據(jù)傳輸速度快，提高數(shù)據(jù)采集的靈活性和穩(wěn)定性。
實(shí)踐證明，該系統(tǒng)不僅可以用于遠(yuǎn)程電力監(jiān)控，在遠(yuǎn)程抄表電能管理方面也有很好的應(yīng)用前景。
