箱式變電站遠程控制的解決方案

0　 概述
　　
隨著(zhù)我國城市現代化建設的飛速發(fā)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(chǎng)預安裝、節能、節地、安全、美觀(guān)等特點(diǎn)，因此在城網(wǎng)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(wǎng)絡(luò )化和智能化的快速發(fā)展，要求箱變不僅要安全穩定運行，同時(shí)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(shí)切除、負荷轉帶、網(wǎng)絡(luò )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(yè)、港口、機場(chǎng)、城市公共建筑、高速公路、地下設施和居民住宅小區等場(chǎng)所；要對智能箱式變電站進(jìn)行遠程監控、系統組網(wǎng)，由于其布線(xiàn)施工比較苦難，一般的現場(chǎng)總線(xiàn)組網(wǎng)方式就很難實(shí)現。
　　
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控系統的應用實(shí)例，該系統成功解決了對箱式變電站進(jìn)行監控監控中存在的布線(xiàn)困難問(wèn)題，實(shí)現了遠程監測系統的通訊問(wèn)題，比有線(xiàn)通訊方式有著(zhù)無(wú)可比擬的優(yōu)越性。目前該系統在山東淄博電力環(huán)網(wǎng)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(wǎng)絡(luò )結構，如圖2所示，即現場(chǎng)層、通訊層、管理層?，F場(chǎng)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(wù)器、GPRS MODEM組成，主要實(shí)現現場(chǎng)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(dòng)數據終端（用戶(hù)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(dòng)的GPRS網(wǎng)絡(luò )實(shí)現數據的遠程采集和管理。

圖2　系統內部網(wǎng)絡(luò )結構圖

箱變內部智能元器件由進(jìn)線(xiàn)多功能網(wǎng)絡(luò )電力儀表、漏電報警裝置、溫濕度控制裝置、饋線(xiàn)測量?jì)x表、開(kāi)關(guān)量I/O模塊、風(fēng)機故障檢測裝置、智能通訊服務(wù)器、無(wú)線(xiàn)GPRS MODEM等智能器件組成。
　　
進(jìn)線(xiàn)回路實(shí)現對低壓進(jìn)線(xiàn)側的全電參量的測量：如檢測進(jìn)線(xiàn)回路的電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、頻率、功率因數、四象限電能等電參量；同時(shí)還可以實(shí)現對進(jìn)線(xiàn)回路遙信量的檢測，如：進(jìn)線(xiàn)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，完成遠程合分斷路器的功能。
　　
饋線(xiàn)回路通過(guò)多回路監控單元實(shí)現對多條饋線(xiàn)回路點(diǎn)參量的集中采集，主要采集箱變內部饋線(xiàn)回路的電流參量和開(kāi)關(guān)位置信息；直觀(guān)的了解箱變內部各個(gè)饋線(xiàn)的運行負荷狀態(tài)和開(kāi)關(guān)位置。
　　
漏電報警裝置通過(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)對超出安全警戒的漏電信息發(fā)出報警；提高各饋線(xiàn)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(guò)箱變內部的風(fēng)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(huán)境；從而提高內部元器件的使用壽命和安全運行指數。
　　
風(fēng)機故障檢測裝置完成對風(fēng)機制冷風(fēng)機運行狀態(tài)進(jìn)行檢測判斷，提高整個(gè)系統安全運行環(huán)境的指數。
　　
智能通訊服務(wù)器為一臺嵌入式計算機，其具有軟件代碼小、高度自動(dòng)化、響應速度快等特點(diǎn)，特別適合于要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)的體系。嵌入式系統主要由嵌入式處理器、相關(guān)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(hù)編程操作，通過(guò)用戶(hù)設計應用程序，實(shí)現對箱變內部數據采集、運算處理、任務(wù)管理、發(fā)送信息存儲和與無(wú)線(xiàn)GPRS MODEM的通訊等功能。
　　
無(wú)線(xiàn)GPRS MODEM主要實(shí)現智能服務(wù)器與無(wú)限公網(wǎng)的數據傳輸；GPRS是GSM的一種新數據業(yè)務(wù)，它在移動(dòng)用戶(hù)和數據網(wǎng)絡(luò )之間提供一種連接，給移動(dòng)用戶(hù)提供高速無(wú)線(xiàn)IP和X.25 分組數據接入服務(wù)。GPRS (General Packet Radio Service)中文含義為通用分組無(wú)線(xiàn)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(xiàn)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(gè)一個(gè)傳送出去，形式上有點(diǎn)類(lèi)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，而且可以以傳輸的資料量計價(jià)，這對用戶(hù)來(lái)說(shuō)是比較合理的計費方式，因為象Internet 這類(lèi)的數據傳輸大多數的時(shí)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(shù)的應用提高了系統的通訊組網(wǎng)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(shí)際運行的智能要求和對整體運行成本的節約化進(jìn)行設計；系統主要由運行故障報警和實(shí)時(shí)數據采集兩大任務(wù)模塊，如圖3所示。

圖3　系統任務(wù)流程

運行故障報警主要為箱變內部高壓開(kāi)關(guān)狀態(tài)實(shí)時(shí)監控和變位報警；報警內容如圖4所示，包括：故障報警產(chǎn)生日期時(shí)間，站號，回路名稱(chēng)，報警內容等信息；報警范圍為高低壓主斷路器實(shí)時(shí)監測，故障報警，變位報警；饋線(xiàn)斷路器狀態(tài)實(shí)時(shí)監測及開(kāi)關(guān)變位報警；各饋線(xiàn)回路的漏電報警；箱變內部溫度異常報警；風(fēng)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(guò)智能元器件對箱變數據進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、運算、通訊上傳至由智能通訊服務(wù)器，再由通訊服務(wù)器進(jìn)行運算、分析判斷；最后利用GPRS modem把有效的報警信息通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò )發(fā)送至指定用戶(hù)手機；使用戶(hù)及時(shí)響應故障報警，縮短故障恢復時(shí)間。同時(shí)考慮到GSM網(wǎng)絡(luò )繁忙和用戶(hù)手機是否在線(xiàn)等因素，支持報警信息多用戶(hù)，多次間隔發(fā)送。保證信息及時(shí)傳輸至用戶(hù)，增強系統運行的安全指數。

圖4　短信報警信息

實(shí)時(shí)數據監測，主要完成對箱變內部的實(shí)時(shí)數據進(jìn)行監測。郵件內容如圖5，包括：子站ID號碼，郵件發(fā)送日期時(shí)間，高低側遙測：三相電壓，三相電流，環(huán)境溫度，變壓器溫度；低壓進(jìn)線(xiàn)側遙測：三相相電壓，三相線(xiàn)電壓，三相電流，有功功率，無(wú)功功率，功率因數，頻率，吸收有功電度，無(wú)功電度，負荷率，不平衡率；以及饋線(xiàn)回路的三相電流，漏電流等信息。通訊服務(wù)器負責數據采集、處理和郵件數據發(fā)送；由于郵件發(fā)送是采用定時(shí)發(fā)送機制，為了保證報警數據的實(shí)時(shí)性，因此對實(shí)時(shí)數據的采集也是定時(shí)完成的，即在需要發(fā)送郵件之前由通訊服務(wù)器負責數據的采集，處理，存儲；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)數據的遠程發(fā)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(jīng)濟性；由于監控站點(diǎn)相對分散，大大減少了線(xiàn)纜鋪設的施工難度；只要有GPRS網(wǎng)絡(luò )覆蓋的場(chǎng)所即可完成對箱變子站的監控；不設監控主站，系統的實(shí)時(shí)數據采用定時(shí)發(fā)送；報警信息實(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(fā)送、郵件發(fā)送都是有通訊服務(wù)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(lài)有固有的監控主站獨立運行；每個(gè)子站都是一個(gè)獨立運行的監控單元，單個(gè)子站的故障不會(huì )影響其它站點(diǎn)的正常使用；減少了因為監控主站單點(diǎn)故障造成的整個(gè)系統癱瘓的弊端。
　　
實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性很高的uCLinux操作系統，同時(shí)借助于覆蓋范圍廣，覆蓋信號強，傳輸速度快的GPRS網(wǎng)絡(luò )，極大提高了系統數據采集、運算處理和報警發(fā)送的實(shí)時(shí)性；極大的提高了報警系統實(shí)時(shí)性，縮短故障報警的響應時(shí)間。
　　
易用性；系統通過(guò)內部配置文件完成對移動(dòng)數據接收終端的配置，方便用戶(hù)對移動(dòng)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(fā)送次數、發(fā)送時(shí)間間隔、接收SIM號碼、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(hù)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)器即可完成對監控站點(diǎn)信息的變更；方便用戶(hù)對監控站點(diǎn)信息修改和維護。

4　 結束語(yǔ)
　　
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(yōu)勢是除了每年的頻點(diǎn)費以外，平時(shí)運行無(wú)需額外費用，缺點(diǎn)是受地形、氣候的影響較大，造成系統的可靠性、實(shí)時(shí)性較差，無(wú)法主動(dòng)上報；GSM短消息方式可以實(shí)現主動(dòng)上報，缺點(diǎn)是按條收費，運行費用高，而且在節假日短消息中心服務(wù)器繁忙時(shí)延時(shí)相當長(cháng)；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(wèn)題，組網(wǎng)靈活，數據傳輸速度快，提高數據采集的靈活性和穩定性。
　　
實(shí)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。