城鄉電網綜合監管系統的設計

王夢玲，邱益農

(1.南京供電公司，江蘇南京210008；2.江蘇聯宏自動化系統工程有限公司，江蘇南京210046)

近年來，隨著城鄉經濟的高速增長，原有的配電網和供電模式已經不能充分滿足客戶電力發展和居民生活用電的需要。為充分滿足電力系統供電側、售電側、購電側等多種對象的電能量信息的采集和監控，如變電站關口、公共配電變壓器、大客戶及中小客戶等，城鄉電網綜合監管系統運用負荷管理系統設計思想和資源，利用現代計算機技術和通信技術，實現對城鄉配電網絡各種用電對象的動態監測功能，通過負荷控制、故障自動診斷、網絡拓撲分析和無功自動投切等功能，改善電能質量，提高供電可靠性，減少配電設備維護成本，提高工作效率及降低線損等重要指標計算的準確性，進而提高電力部門的勞動生產率。

1 系統總體結構

城鄉電網綜合監管系統可由3層物理結構組成，如圖1所示。第1層為主站，負責整個系統的電能信息采集、用電管理以及數據管理和數據應用等。第2層為數據采集層，負責對各采集點電能信息的采集和監控，包括各種應用場所的電能信息采集終端。第3層是具體的采集點監控設備，即電能信息采集源和監控對象，如電能表和相關測量設備、客戶配電開關、無功補償裝置以及其他現場智能設備等。通信網絡完成系統各層之間的數據傳輸，可以是專用或公共無線、有線通信網絡以及電力線載波通信網絡。

系統可由監管中心、配變綜合監控終端、光纖以太網或者GPRS無線網絡、雙絞線或電力載波LonWorks[1]控制網絡、多功能電力監控終端、變壓器下游側采集終端、智能表計、配變終端及采集終端、現場抄表器等組成。其中，配變綜合監控終端具有變壓器監控、無功補償控制和抄表集中器等多項功能。多功能電力監控終端對10kV供電回路實現遙測、遙信與遙控。變壓器下游側由采集終端、單相或三相LonWorks電力線載波接口電能表及常規RS485接口電能表組成[2]。現場抄表器的使用，則能方便配變終端和采集終端的現場安裝、調試以及故障監測和設備維護。

系統的遠程通信網絡可采用多種無線、有線數據傳輸網絡，例如GPRS無線網絡、CDMA無線網絡、寬帶、光纖等，實現主站和數據采集層設備間的數據傳輸。系統的本地通信網絡用于數據采集層的采集終端之間以及采集終端與電能表之間的通信，可采用LonWorks電力線載波、RS485總線以及各種其他有線網絡。

主站與配變終端間、主站與直接通信的電能表通信單元間的數據傳輸協議均采用DL/T698.41。低壓集中抄表終端與電能表的數據傳輸協議采用DL/T698.42。其他電能信息采集終端與電能表的數據傳輸協議應支持DL/T645。

圖1 城鄉電網綜合監管管理系統物理結構

2 系統實現的主要功能

2.1 豐富的數據采集功能

系統通過配變終端采集負荷和電能量實時數據和歷史數據，監視電能表和相關設備的運行狀況以及供電電能質量等?？刹捎枚〞r自動采集、典型日數據采集、隨機召測數據、主動上報數據等方式。

電能數據有：當前和凍結電能示值、最大需量等；交直流模擬量有：電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、諧波等；狀態量有：開關狀態、終端及計量設備工況信息；電能質量數據統計有：電壓、功率因數、諧波、頻率等越限統計數據；事件記錄數據有：終端和表計記錄的事件記錄數據。

2.2 多種數據管理功能

2.2.1 數據合理性管理方面

可提供采集數據完整性、正確性的檢查和分析手段，發現異常數據或數據不完整自動進行補采。提供數據修正手段對錯誤數據、不可補采的數據進行統計分析處理和事件記錄，保證原始數據的唯一性和真實性。主站發現異常數據可按設置要求告警和提示。

2.2.2 數據的分析和計算方面

根據應用功能需求，用戶可通過配置或公式編寫，對采集的原始數據進行加工和處理，包括：按區域、行業、線路、自定義群組、單客戶等類別，按日、月、季、年或自定義時間段，進行負荷、電能量的分類統計分析；電能質量統計分析，對監測點的電壓、電流、功率因數、諧波等電能質量數據進行越限、合格率等統計分析；計算線損、母線不平衡、變損等。

2.2.3 一體化數據存儲管理方面

采用統一的數據存儲管理技術，對采集的各類原始數據和應用數據進行分類存儲和管理，為數據應用提供一體化數據平臺。對外提供統一的數據服務接口，為其他系統開放有權限的數據共享服務。

2.2.4 數據的綜合查詢和應用

系統支持數據綜合查詢功能，并提供組合條件方式查詢相應的數據頁面信息。

按應用需求，支持有序用電管理、異常用電分析、電能質量數據統計、報表管理、線損分析、增值服務等應用功能。實現了用電異常監測、重點客戶監測、事件處理和查詢。還可以進行電壓越限統計、功率因數越限統計、諧波數據統計、線損和母線不平衡及變損分析。此外，還能WEB信息發布及綜合數據查詢等。提供了網絡化的接口，數據隨時發布，提升電力監督管理能力。

2.3 系統總體技術和性能指標

可靠性指標：低壓集抄終端的MTBF≥7.6×104h；其他終端的MTBF≥2×104h。系統可用性指標：主站和終端的年可用率應≥99.5%。

系統的響應速度指標：遙控操作響應時間＜5s；重要信息（如重要狀態信息及總功率和電能量）巡檢時間＜15 min；常規數據召測和設置響應時間（主站發送召測命令到主站顯示數據的時間）＜15s；歷史數據召測響應時間＜30s；客戶事件響應時間＜30 min。數據庫常規數據查詢響應時間＜10s；數據庫模糊查詢響應時間＜15s。

3 配變終端實現的主要功能

配變終端由開關電源單元、信號采集單元、數字信號處理單元、系統管理單元以及輸入輸出以及通信接口單元等部分組成。采用AT9200為核心處理器進行采集數據的處理、存儲、顯示和通信，并對報警節點進行實時監測；為保證采樣精度，選擇ADI公司出產的16位6通道同步ADC芯片AD73360，選擇ADI的BF531作為采樣處理芯片；為保證系統時鐘的精確、穩定，選擇8025t時鐘芯片。此外，為斷電狀態保存數據和設備報警通信，選用12V的可充電鋰電池作為后備電源。配變終端原理如圖2所示。

圖2 配變終端原理

3.1 在測量方面的功能

為保證數據采集的密度和精度，選用ADI的BF531數字信號處理器進行電壓、電流的采樣，可在400 MHz主頻下工作，配有NOR FLASH、SDRM，配置外部看門狗和掉電監控，能在停電時及時保存必要的數據，保存在FLASH中。

測量功能主要包括：相電壓、線電壓；相電流和零序電流；三相分相的有功功率、無功功率及總有功、無功功率；三相功率因數和總功率因數；狀態量當前狀態的變位去抖和采集；能夠計算0～19次諧波以及波形畸變系數（THD）[3]；溫度傳感器接入的溫度測量；0～5V或4～20 mA輸入量測量。

3.2 在計量方面的功能

主控制板以Atmel的ARM9單片機AT9200為核心，CPU、NAND FLASH、NOR FLASH、SDRM設計在一塊核心板上，用兩排80芯的接插件與底板連接。并且盡量將所有資源引出。

計量功能主要包括：計量多時段總的及分相的正向有功電能、正反向無功電能，并存儲其數據。要求至少存儲最近12個月或最近12個抄表周期的數據，數據轉存分界時間為每月月末24時（月初零時）或其他抄表日的任意時刻；可以定義其他抄表日及時刻；轉存的同時，當月最大需量值應自動復零，對非指定的抄表日，抄表時數據不轉存，最大需量也不復零。抄表日及時刻設定可就地設置，允許遠方設置時，應當有相應權限的密碼保護。還能夠在指定的時間區間內，測量最大需量、分時段最大需量及其出現的日期和時間。需量周期可在5，10，15，30，60 min中選擇，滑差（窗）式[4]需量周期的滑差時間可在1，2，3，4，5 min中選擇，需量周期應為滑差（窗）時間的整數倍5倍以上。需量周期選擇和滑差時間就地和遠方均可設置。能接受遠方凍結命令進行數據凍結或根據預設周期進行數據凍結。已經具備二路LED顯示脈沖及四路光耦電度脈沖輸出，脈沖輸出時間間隔必須保證在輸入1%額定電流。cosφ＝1時每個脈沖間隔＜1.5 min。最大需量值應能在就地和遠方清零。

3.3 報警功能

按照設定的閾值、允許持續時間、告警功能等，實時計算出配變電壓、負荷電流的三相不平衡率、過負荷、零序電流等，超限時產生報警記錄。

3.4 無功補償功能

具備RS485通信接口和無功補償裝置通信。

3.5 數據安全防護功能

（1）功率設置、電量清零、需量清零、誤差調整（除廣播校時外）按參數分類有硬件的寫保護措施。

（2）參數的修改可產生操作記錄，該記錄無法刪除，可以遠方召喚。

（3）失去工作電源時，終端能保持斷電前數據及保證實時時鐘計時正常，數據可無電保存3年以上，實時時鐘能持續計時3個月以上。

（4）終端停電來電時間和終端復位次數等操作記錄。

（5）軟件升級設置密碼保護，密碼位數不少于6位，可區分本地版本升級和遠程版本升級各自允許的內容和等級；版本升級的操作產生操作記錄。

（6）能夠記錄停電時間和停電次數，產生操作記錄。

（7）記錄終端內部異常事件（如自檢錯、硬件錯等）發生的事件及當前電量。

（8）終端具備各被測量誤差調整功能，其誤差允許范圍正負5s。為防止曲線記錄的非連續，在時差不超過曲線記錄2個時間間隔點的情況下，應采用漸進式校時，超過則重新開始新的曲線記錄，同時產生告警和操作記錄。

（9）操作記錄不可刪除。

（10）告警、操作、事件等記錄記憶容量每個類型不少于64條，記錄個數超過容量時，覆蓋時標最早的記錄。

（11）終端記憶的任何數據都自帶數據完整性效驗功能，具有有效/無效校驗和指示功能。

3.6 遙控和遙信功能

能夠實現一路以上的超功率跳閘控制，可根據配變協議進行遠程遙控和終端設備本地閉環控制；同時，可對遙控動作后的動作節點進行遙信，查詢其狀態。

3.7 電表數據集中器功能

為提高系統運行效率，充分利用配變終端的功能，提高系統抄收電表數據的速度，可在配變終端上附加電表數據集中器功能，自動抄收所屬采集器內保存的電表運行信息并保存在該設備中。集中器或所屬采集終端及電表故障主動報警上傳。

4 采集終端實現的功能

電表采集終端采用通用的FT5000單片機作為主CPU，具有成本低且硬件結構簡單的特點。接有一片鐵電FM24CL64作為在線可電擦除存儲器，保存采集到的各電表數據。還包括復位電路、時鐘電路、外部RAM擴展、485通信電路、電源電路等。

FT5000串口可與RS232或RS485進行有線通信；通過硬件跳選選擇，FT5000串口可與Mbus進行通信；FT5000具有LonWorks網絡通信接口，可方便接入網絡。

4.1 對時功能

在綜合考慮可實現性和經濟性的基礎之上，采用廣播對時的形式。在采集終端還對下屬的電能表進行對時。如發現電能表有故障，則及時上報。采集終端內有狀態字，狀態字的定義符合《自動抄表系統通信規約》[5]要求。

4.2 通信功能

上行采用LonWorks、RS485及紅外通信；下行通信采用RS485，還有在線編程接口。

4.3 數據傳送功能

能實時采集所接表位的設備實時參數和日、月參數；能按自動抄表周期采集并保存采集的數據；每個采集終端整點過10 min自動抄收其歸屬內電表數據。并能保存其前2個月的數據。當下一次抄表時自動刷新。采集終端最多可下掛32個電能表。實時參數從電表采集后主動直接上傳，也可以通過終端上接集中器或掌機被動式上傳數據。

5 結束語

城鄉電網綜合監管系統的應用，適應國家堅強智能電網建設戰略的信息化、數字化、自動化、互動化的要求，有效地解決了電力部門在配變管理方面缺乏有效監測、分析手段的問題。在生產管理方面：利用系統提供的數據支持，可以解決電壓合格率、功率因素等方面的問題，滿足生產指標管理的需要。在經營管理方面：對配網變壓器的實時監控，使計量回路PT斷線、表計故障等造成電量少計、漏計的問題能得以及時發現，通過實時線損分析，最大程度減少供電損耗，為防竊電工作提供技術支持，提高了供電企業的直接經濟效益。城鄉電網綜合監管系統的建立，在實現自動監視變壓器的運行狀況的同時，還能通過多種技術措施及時、可靠地采集線路上電能表的運行參數和電量數據，提高電力設備的利用率及工作效率，為更加全面、科學地進行線損統計、負荷分析預測、電壓合格率統計、城區配變網規劃、優化供電方案、城網建設與改造項目決策等提供科學的依據。

[1] 岳姝.Lonworks現場總線簡介[J].電工技術，2000（8）：13-15.

[2] 吳苗鳳.現場總線技術在±500kV楓涇換流站的應用[J].上海電力，2011（2）：30-34.

[3] 王現軍，姬波.電力系統諧波功率分量的快速估算[J].現代電子技術，2003，26（11）：27-31.

[4] 潘文誠.基于DDS技術的工頻頻率滑差源[J].電力自動化設備，2005，25（1）：37-39.

[5] 邢建平，劉曉娟，呂玉軍.自動抄表系統設計[J].鐵路計算機應用，2011（4）：29-30.