基于3G無線網絡的用電檢查裝置的研究

摘 要：文章介紹采用現代數字處理技術和數字通訊技術，研究設計一套能夠實時監控用戶變電站供配電系統的自動裝置系統，利用其作為輔助管理手段，讓供電企業用電檢查人員及時掌握電力客戶電力使用情況和電氣運行狀況，提高用電檢查工作效率和質量。

關鍵詞：用電監測；3G無線網絡；高速數字信號處理器（DSP）

引言

隨著現代社會經濟的發展，各行各業對供電的需求和依賴程度越來越高，如何確保供電的安全、連續、穩定對于供電企業而言顯得尤為重要。由于電力生產、供應、和使用具有瞬間完成的自然特殊物理屬性，作為供電企業除了確保對自身電力設施、電氣設備的正常運行外，還必須加強電a力用戶的安全和技術管理，防止因電力用戶內部故障造成對電網的不利影響。

目前用電檢查人員對用電客戶實施的用電安全管理主要采用傳統的人工現場巡視檢查，這種檢查方法缺乏實時性，工作效率不高，無法實時檢查用戶的設備安全狀況、電氣運行狀態、電力使用情況和電工作業行為等。一旦用戶發生用電異常情況，用電檢查人員無法實時掌握和排除，影響電力系統安全穩定運行和用戶正常用電，這種傳統的用電檢查作業組織模式已不能適應當前的電力需求側管理和客戶服務提升。

文章著重探討針對高壓電力客戶供配電系統電氣設備運行方式、繼電保護及自動裝置的運行參數采樣、實時數據監測、無線遠程傳輸等方面內容，結合用電檢查工作實際需求，提出現有用電檢查管理模式下存在問題的一種解決方案。

1 高壓電力客戶用電檢查管理現狀

國家為了保障電網的安全、穩定、經濟運行，維護正常的供用電秩序，保護供用電雙方的合法權益，供電企業根據需要有權對用戶的電力使用情況進行檢查，確保用電安全，目前主要采用傳統的人工現場定期巡視檢查方式。

雖然有部分供電企業對35千伏及以上電壓等級的用電客戶端變電站（所）要求，將其進線開關裝置的繼電保護和自動裝置的二次系統通過光纖等通訊技術接入到供電企業的電力調度部門，供電企業通過用戶變電站的的測控裝置，繼電保護裝置，能夠很好的實現對其電氣設備實時監測，但是由于供電企業的調度部門相關系統數據涉及保密安全要求，往往作為同一系統內的營銷部門無法及時獲得信息，一般情況下，當此類用戶變電站發生故障時調度部門會電話告知營銷部門，再由營銷部門安排用電檢查人員進行現場處理。而對于35千伏以下的用戶端變電站（這類用戶主要為10千伏或20千伏電壓等級，是電力系統中供配電網的主要用戶，占高壓用戶戶數比例在95%以上），幾乎都沒有將其電氣設備繼電保護裝置的二次接入電力系統監測和遠方控制。由于無法及時獲得用戶變電站的電力運行信息，在用戶變電站發生內部故障時不能及時識別和排除，會對電力系統安全穩定運行和用戶正常用電造成不同程度影響。

若是針對10千伏或20千伏的電力客戶，也要求將其進線開關裝置的繼電保護和自動裝置的二次系統通過光纖等通訊技術接入到供電企業的電力調度控制部門，那么由于光纖接入的投資龐大，將會大大增加電力客戶的建設成本，而且10千伏等中壓配網的負荷開放，以及系統運行方式調整比較靈活，工程實施起來非常復雜，實際情況難以實現。同樣供電企業針對10千伏或20千伏的電力用戶變電站都裝有負荷管理終端裝置，負荷管理終端裝置終端通過485連線與計量電能表計進行通訊，僅僅是通過二次回路接線對總進線開關和部分分支路開關在負荷控制時實施電氣分閘功能，對有序用電分輪次控制起到保證作用，無法滿足用電檢查工作要求。目前電力用戶變電站的自動化裝置已廣泛使用，如測控裝置，繼電保護裝置，都能夠很好的對現場設備實現保護和測控的功能，但是由于沒有電氣信息傳輸渠道，當發生異常或故障時無法實時將故障信息通知用電檢查人員，造成安全隱患和故障處理的延誤。

2 用電檢查裝置的研究

在保證用電檢查人員專業素質和技能水平的前提下，如何做到讓用電檢查工作更高效快捷顯得尤為重要和迫切。因此，基于現代通訊技術研制出一套適合遠程監測和控制的無線用電檢查裝置是可行的，它的成功研制將具有廣泛的應用前景。

2.1 裝置的硬件設計

本系統用電檢查裝置硬件平臺由電能信號測量模塊和數據收集處理模塊及信息顯示模塊組成。其中電能信號測量模塊采用DSP架構， 充分利用DSP穩定高速的特點對電能的各項參數進行測量，數據收集處理模塊采用ARM架構， 充分利用ARM多任務及標準化的外設接口的特點， 通過RS485接口（7路），CAN口（1路）及網口采集數據，處理數據， 并通過RJ45口將數據輸出。數據顯示模塊采用ARM Cortex-M3芯片， 主要完成數據的本地顯示。以上模塊彼此獨立，又通過網絡互連達到統一，提高整個系統的穩定性和可靠性。

用電檢查裝置的硬件主要分為三大部分如圖1用電檢查裝置硬件框圖所示。

（1）供電電源。

（2）用電檢查裝置系統管理硬件平臺。

（3）ADI DSP BF518 電力測控硬件平臺。

（4）人機界面LM8963 硬件平臺。

圖1 用電檢查裝置硬件框圖所示

用電檢查裝置系統管理硬件平臺主要實現兩種功能系統框圖如圖2所示：

（1）對外實現與服務器的通訊連接；（2）對內實現與電力儀表的通訊，采集電力數據，分析電力故障，并上報服務器。

圖2 硬件的總體設計圖

2.2 用電檢查裝置的理論分析

在用電檢查系統中，通常需要監測用戶變電所電氣設備裝置及饋線回路的運行狀況，以分析判斷電力運行是否正常，只有通過采樣到實時的電力數據，才能做出正確分析判斷，因此在用電檢查系統中電力采樣至關重要。除了電力采樣之外，同時還需要對一些開關量的采集，以及水浸檢測，入侵檢測，現場溫濕度和視頻等。用電檢查系統中采用的傅里葉交流采樣算法。endprint

根據傅里葉級數，將待分析的周期函數電流信號i（t）表示為

（1）

可用和分別乘式（1）兩邊，然后在t0到t0+T積分，得到

（2）

（3）

每工頻周期T采樣N次，對式（2）和式（3）用梯形法數值積分來代替，則得

（4）

（5）

式中k、ik-第k采樣及第k個采樣值

電流n次諧波幅值（最大值）和相位（余弦函數的初相）分別為

Inm=■ （6）

？茲n=arctg■ （7）

寫成復數形式有

■n=Inc+jIns

對于基波分量，若每周采樣12點（N=12），則式（2-4）和式（2-5）可簡化為

（8）

（9）

在微機保護的實際編程中，為盡量避免采用費時的乘法指令，在準確度容許的情況下，為了獲得對采樣結果分析計算的快速性，可用（1-1/8）近似代替上兩式中的■/2，而后1/2和1/8采用較省時的移位指令來實現。

全周波傅里葉算法本身具有濾波作用，在計算基頻分量時，能抑制恒定直流和消除各整數次諧波，雖然對衰減的直流分量將造成基頻（或其他倍頻）分量計算結果的誤差，另外在用近似數值計算代替積也會導致一定的誤差。

由于目前用戶端的用電設備當中非線性負載越來越多，其諧波污染和對電網注入的負序電流也日益突出，為確保采樣數據精度，綜合比較而言，文章電力采樣選用全周波傅里葉算法。

3 用電檢查裝置的系統方案

根據江蘇省電力公司《用電檢查工作標準》相關規定，將原先人工巡視的用電檢查內容通過無線傳輸實現遠程在線工作，實時掌握客戶變電站各種電氣設備運行情況。首先從客戶變電站采集實時數據，送入用電檢查現場檢測裝置模塊，經模塊處理后，相關數據通過3G無線網絡傳輸至管理服務器，最后由用電檢查員在計算機終端進行登錄查看和有關數據分析以及工作指令執行，在非工作時間可以通過移動終端（手機）進行工作。為此該系統包括前端嵌入式用電檢查監測裝置、權限管理服務器、客戶端三部分組成，安全可靠，適應各類工業現場惡劣環境，可以跨平臺、跨區域，實現任何時間、任何地點無縫接入該系統，并隨時監控各類用戶變電站的電力參數及環境狀況，該系統總體構架如圖3所示。

用電檢查裝置軟硬件平臺：硬件采用三星ARMS3C6410平臺，嵌入式linux系統，ADIDSP測控模塊。

權限管理服務器軟硬件平臺：硬件平臺采用intel x86-64平臺架構，操作系統為linux server（ubuntu server11.10 64-bit）

客戶端平臺：硬件平臺為intel-x86/ARM平臺，操作系統平臺為windows/linux/ios/android。

4 用電檢查系統工程應用

用電檢查智能監控客戶端軟件基于3G、wifi等網絡載體，通過服務器與前端用戶變電站的數據發生交換，實現用戶通過網絡連接實現對遠程用戶變電站的各種參數進行瀏覽查看的功能，并且能主動捕獲前端用戶變電站產生的報警數據，亦能對通過權限的配置， 實現對前端用戶變電站開關的遙控、遙調等遠程操作，真正實現智能監控的目的。

4.1 主界面功能

客戶端軟件登錄之前，確定配置文件已經配置正確，然后用管理員分配的用戶名和密碼進行登錄，系統登錄界面如圖4所示：

正確登錄之后，進入到主界面的操作，系統操作界面如圖5所示：

圖4 系統登陸界面 圖5系統操作界面

在主界面的左側顯示了該用戶有權限瀏覽的所有工程，以樹狀列表的形式展現出來，雙擊樹的節點，可對這個工程進行瀏覽，瀏覽的效果在左側顯示出來。

4.2 歷史數據查詢

如需對客戶變電站設備運行的歷史數據進行查詢，輸入想要查詢的時間和查詢的測點，即可進行查詢，可有兩種表達方式：歷史數據曲線查詢模式如圖6所示；歷史數據列表查詢模式如圖7所示。

圖6 歷史數據曲線查詢模式

圖7 歷史數據列表查詢模式

用戶可根據實際情況進行查詢顯示。

4.3 報警數據查詢

用戶需要查詢報警數據時，輸入查詢的時間范圍、報警類型、報警級別等檢索條件，即可查詢到相應的報警數據，如圖8所示報警數據查詢。

圖8 報警數據查詢

4.4 遙控和視頻

客戶端軟件還可對有權限的用戶開放遙控開關功能，并能將視頻定位到此開關上面，以達到在遙控開關的同時，實地觀察該開關的跳轉動作，確保遙控成功，如圖9所示系統遙控報警界面。

圖9 系統遙控報警界面

注意的是，在遙控開關的時候除了應具有管理員分配的相應權限之外，還需要進行隨即密鑰和問題的回答，答對之后方能遙控，確保遙控萬無一失。

4.5 南京玄武湖和平大溝工程案例

4.5.1 項目概況：玄武湖公園管理處，現有7個電力用戶變電站，用戶變電站分布較為分散，距離較遠，依靠傳統的用電檢查作業方式較難進行有效的工作。

4.5.2 用電檢查作業需求：實時監測用戶變電站關鍵電力參數并具有預警功能、箱變具有入侵、煙感、水浸報警功能、電能質量監測、3G智能手機實時監測。

4.5.3 項目實施情況

（1）現在各用戶變電站加裝用電檢查裝置，同時將用戶變電站各回路主要電力參數信息上傳（電流、電壓、功率因素、電量、諧波、開關狀態等）。（2）變壓器溫控儀接入用電檢查裝置，實時監測變壓器三相溫度以及歷史最高值。（3）低壓進線柜接入三相電流、三相電壓信號，實時監測各種電能質量參數，包括有功、無功、正序電流電壓、負序電流電壓、電流電壓的1-31次諧波分量、計量等。（4）重要的狀態量（如：門禁、煙感、水浸、溫濕度）通過前端智能裝置及傳感器接入用電檢查裝置。（5）用電檢查裝置自身狀態監測：3G信號強度、運營商信息、機內溫度、后備電池電量等信息。endprint

工程截圖如圖10、圖11所示。

圖11 南京玄武湖和平大溝案例截圖2

4.5.4 手機客戶端（android平臺）

圖12 智能手機客戶端登陸界面

圖13 智能手機客戶端工程界面

圖14 智能手機客戶端一次圖顯示、報警查詢界面

4.5.5 工程案例使用效果

（1）正常巡檢功能

本工程案例除了實現供電企業用電檢查人員實施遠程監測客戶用電狀況外，還可供用戶的內部電氣管理部門做為日常管理應用。用戶變電站值班電工可以不到現場，對下轄用戶變電站進行日常巡檢，可以做到無人值守或少人值守，可以了解到電力設備所有的電力參數、開關狀態，同時能夠實時查看門禁、水浸、煙感、溫濕度等環境參數。為優化電力設備管理提供依據。

（2）故障報警功能

無線用電檢查系統配置多種故障類型報警，主要針對常用高低壓斷路器、電力變壓器、電壓互感器、電流互感器等主要電氣設備異常和故障運行狀態。例如計量用的電壓互感器（俗稱PT）斷線報警，當由于電網不穩定、人為等因素引起的PT斷線，用電檢查裝置就會形成報警信息，通過短信方式通知系統設定的手機號碼，同時通過聲光報警方式推送到在線客戶端，用電檢查裝置同時也記錄該事件發生的用戶、用戶變電站、時間、報警級別等信息，形成報警歷史數據，便于故障查詢和處理。該裝置同時在程序設計時就考慮了防止誤報功能，通過設置合適的變化率、死區值來防止反復報警及誤報。配置界面如圖15。

圖15 系統報警屬性配置界面

（3）數據分析功能

通過歷史數據查詢分析，可發現電流、電壓等在一定時段內變化的規律，通過對該工程分析發現3/5/7次諧波分量在17：30后明顯增高，甚至達到5%，經與用戶溝通發現玄武湖內觀光車、觀光船均采用電動車，下班后給觀光電動車集中充電時引起的諧波源。

5 結束語

文章是在對3G無線用電檢查系統工作原理進行研究的基礎上，針對3G用電檢查裝置3G數據傳輸、Linux嵌入式操作系統、uCosII嵌入式操作系統、電力采樣算法、服務器功能、客戶端功能進行了原理性的分析，并在實際工程中得到驗證，經過一年多的試運行，該裝置設計先進合理，運行穩定可靠，產生的經濟效益和社會效益可觀。歸納起來有以下幾個方面：

（1）準確掌握了客戶變電站的運行狀況，最大限度地發揮了用電檢查員的工作潛力，減輕了用檢人員的勞動強度。該裝置為用電檢查工作提供了便利，為科學指導客戶安全用電、合理用電、節約用電打下了堅實的基礎。該裝置是一套圖、文、聲并茂的現場實時系統，提高了用電檢查人員的業務水平和管理能力。

（2）安全效益可觀。由于加強了對客戶變電站的設備管理，，減少了因客戶設備故障運行而導致影響系統安全運行的機率，從保證電網安全的角度來講，其效益巨大。

（3）優質服務效益顯著。該裝置針對客戶變電站突發事件，系統會自動向分管用電檢查人員報警，加速了故障處理和恢復正常用電，對于客戶而言節約大量的時間和精力，凸顯了供電企業的服務能力和水平，社會效益十分顯著。

參考文獻

[1]江蘇省電力公司用電檢查工作標準[S].

[2]DGJ32/J14-2005.35kV及以下客戶端變電所建設標準[S].

[3]周立功，等.ARM嵌入式系統基礎教程[M].北京航天航空大學出版社，2006.

[4]陳光軍.數據通訊技術與應用[M].北京郵電出版社，2005.

[5]賀家李，等.電力系統繼電保護[M].中國電力出版社，2002.

[6]周全仁，等.現代電網自動控制系統及運用[M].中國電力出版社，2004.

作者簡介：吳芳柱（1981-），男，南京，工程師，用電檢查技師，長期從事用電檢查、電力營銷管理。endprint

工程截圖如圖10、圖11所示。

圖11 南京玄武湖和平大溝案例截圖2

4.5.4 手機客戶端（android平臺）

圖12 智能手機客戶端登陸界面

圖13 智能手機客戶端工程界面

圖14 智能手機客戶端一次圖顯示、報警查詢界面

4.5.5 工程案例使用效果

（1）正常巡檢功能

本工程案例除了實現供電企業用電檢查人員實施遠程監測客戶用電狀況外，還可供用戶的內部電氣管理部門做為日常管理應用。用戶變電站值班電工可以不到現場，對下轄用戶變電站進行日常巡檢，可以做到無人值守或少人值守，可以了解到電力設備所有的電力參數、開關狀態，同時能夠實時查看門禁、水浸、煙感、溫濕度等環境參數。為優化電力設備管理提供依據。

（2）故障報警功能

無線用電檢查系統配置多種故障類型報警，主要針對常用高低壓斷路器、電力變壓器、電壓互感器、電流互感器等主要電氣設備異常和故障運行狀態。例如計量用的電壓互感器（俗稱PT）斷線報警，當由于電網不穩定、人為等因素引起的PT斷線，用電檢查裝置就會形成報警信息，通過短信方式通知系統設定的手機號碼，同時通過聲光報警方式推送到在線客戶端，用電檢查裝置同時也記錄該事件發生的用戶、用戶變電站、時間、報警級別等信息，形成報警歷史數據，便于故障查詢和處理。該裝置同時在程序設計時就考慮了防止誤報功能，通過設置合適的變化率、死區值來防止反復報警及誤報。配置界面如圖15。

圖15 系統報警屬性配置界面

（3）數據分析功能

通過歷史數據查詢分析，可發現電流、電壓等在一定時段內變化的規律，通過對該工程分析發現3/5/7次諧波分量在17：30后明顯增高，甚至達到5%，經與用戶溝通發現玄武湖內觀光車、觀光船均采用電動車，下班后給觀光電動車集中充電時引起的諧波源。

5 結束語

文章是在對3G無線用電檢查系統工作原理進行研究的基礎上，針對3G用電檢查裝置3G數據傳輸、Linux嵌入式操作系統、uCosII嵌入式操作系統、電力采樣算法、服務器功能、客戶端功能進行了原理性的分析，并在實際工程中得到驗證，經過一年多的試運行，該裝置設計先進合理，運行穩定可靠，產生的經濟效益和社會效益可觀。歸納起來有以下幾個方面：

（1）準確掌握了客戶變電站的運行狀況，最大限度地發揮了用電檢查員的工作潛力，減輕了用檢人員的勞動強度。該裝置為用電檢查工作提供了便利，為科學指導客戶安全用電、合理用電、節約用電打下了堅實的基礎。該裝置是一套圖、文、聲并茂的現場實時系統，提高了用電檢查人員的業務水平和管理能力。

（2）安全效益可觀。由于加強了對客戶變電站的設備管理，，減少了因客戶設備故障運行而導致影響系統安全運行的機率，從保證電網安全的角度來講，其效益巨大。

（3）優質服務效益顯著。該裝置針對客戶變電站突發事件，系統會自動向分管用電檢查人員報警，加速了故障處理和恢復正常用電，對于客戶而言節約大量的時間和精力，凸顯了供電企業的服務能力和水平，社會效益十分顯著。

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[4]陳光軍.數據通訊技術與應用[M].北京郵電出版社，2005.

[5]賀家李，等.電力系統繼電保護[M].中國電力出版社，2002.

[6]周全仁，等.現代電網自動控制系統及運用[M].中國電力出版社，2004.

作者簡介：吳芳柱（1981-），男，南京，工程師，用電檢查技師，長期從事用電檢查、電力營銷管理。endprint

工程截圖如圖10、圖11所示。

圖11 南京玄武湖和平大溝案例截圖2

4.5.4 手機客戶端（android平臺）

圖12 智能手機客戶端登陸界面

圖13 智能手機客戶端工程界面

圖14 智能手機客戶端一次圖顯示、報警查詢界面

4.5.5 工程案例使用效果

（1）正常巡檢功能

本工程案例除了實現供電企業用電檢查人員實施遠程監測客戶用電狀況外，還可供用戶的內部電氣管理部門做為日常管理應用。用戶變電站值班電工可以不到現場，對下轄用戶變電站進行日常巡檢，可以做到無人值守或少人值守，可以了解到電力設備所有的電力參數、開關狀態，同時能夠實時查看門禁、水浸、煙感、溫濕度等環境參數。為優化電力設備管理提供依據。

（2）故障報警功能

無線用電檢查系統配置多種故障類型報警，主要針對常用高低壓斷路器、電力變壓器、電壓互感器、電流互感器等主要電氣設備異常和故障運行狀態。例如計量用的電壓互感器（俗稱PT）斷線報警，當由于電網不穩定、人為等因素引起的PT斷線，用電檢查裝置就會形成報警信息，通過短信方式通知系統設定的手機號碼，同時通過聲光報警方式推送到在線客戶端，用電檢查裝置同時也記錄該事件發生的用戶、用戶變電站、時間、報警級別等信息，形成報警歷史數據，便于故障查詢和處理。該裝置同時在程序設計時就考慮了防止誤報功能，通過設置合適的變化率、死區值來防止反復報警及誤報。配置界面如圖15。

圖15 系統報警屬性配置界面

（3）數據分析功能

通過歷史數據查詢分析，可發現電流、電壓等在一定時段內變化的規律，通過對該工程分析發現3/5/7次諧波分量在17：30后明顯增高，甚至達到5%，經與用戶溝通發現玄武湖內觀光車、觀光船均采用電動車，下班后給觀光電動車集中充電時引起的諧波源。

5 結束語

文章是在對3G無線用電檢查系統工作原理進行研究的基礎上，針對3G用電檢查裝置3G數據傳輸、Linux嵌入式操作系統、uCosII嵌入式操作系統、電力采樣算法、服務器功能、客戶端功能進行了原理性的分析，并在實際工程中得到驗證，經過一年多的試運行，該裝置設計先進合理，運行穩定可靠，產生的經濟效益和社會效益可觀。歸納起來有以下幾個方面：

（1）準確掌握了客戶變電站的運行狀況，最大限度地發揮了用電檢查員的工作潛力，減輕了用檢人員的勞動強度。該裝置為用電檢查工作提供了便利，為科學指導客戶安全用電、合理用電、節約用電打下了堅實的基礎。該裝置是一套圖、文、聲并茂的現場實時系統，提高了用電檢查人員的業務水平和管理能力。

（2）安全效益可觀。由于加強了對客戶變電站的設備管理，，減少了因客戶設備故障運行而導致影響系統安全運行的機率，從保證電網安全的角度來講，其效益巨大。

（3）優質服務效益顯著。該裝置針對客戶變電站突發事件，系統會自動向分管用電檢查人員報警，加速了故障處理和恢復正常用電，對于客戶而言節約大量的時間和精力，凸顯了供電企業的服務能力和水平，社會效益十分顯著。

參考文獻

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[4]陳光軍.數據通訊技術與應用[M].北京郵電出版社，2005.

[5]賀家李，等.電力系統繼電保護[M].中國電力出版社，2002.

[6]周全仁，等.現代電網自動控制系統及運用[M].中國電力出版社，2004.

作者簡介：吳芳柱（1981-），男，南京，工程師，用電檢查技師，長期從事用電檢查、電力營銷管理。endprint