配電運行參數檢測儀研究

山西省晉城市瑞麒建筑有限公司　董鑒珧

中北大學信息與通信工程學院　張志偉

中國農業銀行股份有限公司運城分行營業部　解　洋

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配電運行參數檢測儀研究

山西省晉城市瑞麒建筑有限公司董鑒珧

中北大學信息與通信工程學院張志偉

中國農業銀行股份有限公司運城分行營業部解洋

【摘要】在科學技術不斷發展的推動下，電力系統目前正朝著中低壓配電網智能化方向不斷前行。作為一種將電力資源輸送給成千萬戶用戶的設備，配電變壓器的工作狀態相關數據對于研究配電網整體運行狀態來說具有極高的價值。所以，通過一定的監測手段收集該設備的工作狀態信息具有非常重要的意義。就目前電力系統發展現狀來看，能夠進行遠程通信的配電網正在逐漸變多。本文介紹了具有遠程通信功能的配電變壓器綜合參數監測系統組成部分的主要功能，以及系統功能實現的手段。

【關鍵詞】自動化；配電；通信；監測

1　具有遠程通信功能配電變壓器的意義與發展前景

在我國的供電系統，對居民、工礦企業及大型設備等供電的配電變壓器的監測，大多地區在現場還是用手持儀器操作，這樣不僅費時費力，而且測試參數不夠全面，記錄不夠完整，不能夠達到真正的監測目的。因此，電力系統發展主流方向逐漸朝著遠程通信、自動化等功能靠近，而配電變壓器的推廣及應用，將會提高我國配電網的自動化程度，提高配電變壓器的運行壽命，減少變壓器的維護次數及維修費用。另外，在出現故障時可進行自動控制并及時將故障原因信息發送至管理人員，因此可減少因事故造成的停電時間，提高了城鄉居民電力資源供給的可靠性。作為一種將電力資源輸送給成千萬戶用戶的設備，配電變壓器的工作狀態相關數據對于研究配電網整體運行狀態來說具有極高的價值。所以，通過一定的監測手段收集該設備的工作狀態信息具有非常重要的意義[1]。

在實現監測過程的自動化、規范化的過程中，變壓器是超負荷運行還是欠負荷運行，三相負荷平衡度怎樣，如何保證供電質量，保證電力系統運行的安全性、可靠性和經濟性，是電力部門非常關心的問題。配電變壓器運行綜合參數監測及無功最優化補償系統，就是把目前配電變壓器所用的各種參數監測儀表，如電壓表、電流表、功率因數表、負荷指示儀、電子式三相電度表集于一體并自動根據三相電壓、電流和無功功率對無功補償進行自動控制。隨著配電網自動化技術的不斷發展，這種作為基本終端的集配電運行綜合參數監測及無功最優化補償于一體的裝置，將會越來越受到重視其系統的推廣應用對用戶和電力部門均會帶來可觀的經濟效益。

配電變壓器對于提升配電系統自動化水平來說非常重要。在過去的幾年間，由于監測這種設備的終端發展非常迅速，已經從早期的單一型發展到現在的智能化、多功能化、具有多種通信方式的現場測控設備。而為了適應21世紀配電網自動化的發展要需要，配電變壓器監測終端將會朝著更加智能化、處理能力更強、使用更方便、性能更可靠、通信標準化以及設備一體化的方向發展[2]。

2　對基于GPRS通信的配電監控系統的研究

2.1前言

在科學技術發展的推動下，電力系統的發展方向逐漸轉向中低壓配電網自動化水平的提高上。輸配電系統是由不同的環節所構成的，中低壓配電網位于所有環節的后方，也是最重要的一環。其自動化水平直接關系到電力資源耗用質量。所以，本文將對如何提升其自動化水平展開探討。

在電力系統中，配電變壓器是一種非常常見的硬件設施，其主要作用是降低電壓，并將電力資源輸送給千家萬戶。該設備的工作狀態信息是非常重要的配電系統數據。所以，收集該設備的實時工作狀態信息具有很高的實用價值。為了實現這一目標，筆者開發出一套配電變壓器監測系統，系統采用GPRS技術實現通信功能。

就目前的現狀來看，很多技術都能夠實現監控系統的通信功能，比如數傳電臺、GSM短信、光纖接入等。數傳電臺是一種最為經濟的方法，在這種方法下只存在頻點費一項支出，但其應用效果和地理、天氣環境之間存在緊密的關聯，系統運行不夠可靠，且數據存在滯后性，數據難以主動收集和傳輸。GSM短信方式有效地克服了上述問題，但每發送一條數據，就需要收取一條短信的費用，后續運行成本很高，并且當服務器處于短信收發高峰期時，存在比較嚴重的延時現象。光纖通信在穩定性和可靠性方面表現最佳，不過系統構建工程所需的硬件成本很高，難以擴展，后期運行過程的維護工作量很大。使用GPRS通信方法，能夠有效地避免這些缺陷。

2.2GPRS傳輸方法介紹

GPRS，全稱為General Packer Radio Service，中文名稱為通用無線分組業務。它是人們發明出來的一種能夠快速對數據進行處理的方法，它對數據進行分組處理，然后將數據傳輸給用戶。

GPRS是在GSM系統的基礎上發展而來的，人們研究它的初衷在于讓用戶能夠通過運營商的網絡享受更快的無線IP或X.25服務。在GSM模式下，數據傳輸速度基本上保持在9.6kbps左右，但GPRS的這一數據卻達到了171.2kbps。在連接效率方面，GSM的連接最少要花費10秒，GPRS將這一時間大大縮短。在使用費用方面，GSM以連接時長為依據，GPRS以傳輸數據流量為依據。在網絡資源閑置率方面，GSM相比GPRS更容易造成網絡資源的浪費。

從理論的角度來看，GPRS帶寬上限為171.2Kbit/s，在具體實踐中能夠達到40Kbit/s甚至100Kbit/s。將TCP/ IP協議置于這樣的信道上，就能夠和互聯網連接在一起，從而實現數據信息的傳輸。GPRS應用了分組交換方法，用戶和無線信道之間是多對多的關系，通過這樣的方式，大大提高降低了資源的閑置率。在GPRS技術下，即便是應用端到端分組轉移模式，用戶也能夠在網絡上下載或是上傳數據，避免占用電路交換模式的資源。GPRS全天候不斷線，以數據流量為依據進行計費，這樣的無線分組數據業務在效率、投入方面有著巨大的優勢。在傳輸非持續性、偶然性、多發性、中小流量數據時，能夠充分發揮自身的優點，而且能夠為不經常發生的大流量數據傳輸提供支持[3]。

總結來看，GPRS的優勢體現在三個方面：

（1）數據往來速度快

相比GSM，GPRS的數據傳輸速度翻了十番，給用戶數據需求提供更加快速的服務，而且在傳輸視頻文件時，表現得更加穩定，是一項偉大的創新。

（2）從不斷線

前文提到，GPRS的連接是在一瞬間完成的，這就決定了用戶能夠在任何時間和網絡連接起來。比如，如果用戶所在地區不存在GPRS，且用戶正在瀏覽網絡新聞的話，此時用戶接到一個呼叫電話，通常用戶都必須切斷網絡后然后再接電話，掛掉電話后再次連接網絡。在沒有別的選擇之前，用戶就對這種情況頗有微詞。GPRS的發明和應用，從根本上解決了這一問題。

（3）以數據傳輸量為依據計算費用

以用戶使用的流量為依據計算費用，改變過去在GSM模式下以在線時間為依據的計費模式。就算用戶長期保持“在線”狀態，如果沒有發生數據的傳輸，就不用支付任何費用。

將GPRS技術應用到數據采集系統中去，根據數據傳輸方向能夠將系統分割為兩大部分，即工作站和監控站。系統中的GPRS和工作站連為一體。為此，系統上安裝了一個RS232/RS485數據接口，數據格式只要不超過1200-28800bps都是可行的。系統采用透明的方式進行數據傳輸，目前的工作站以及監控站的各種軟硬件設備都能發揮作用。該裝置有兩種供電方式：220V交流供電、7-40V直流供電，其功率消耗＜1W。

2.3系統結構

本文開發配電變壓器綜合管理系統，旨在創建兼具安全性和可靠性，擁有豐富的功能，由不同的彼此之間存在關聯的子系統在同一個開放式平臺上集成的系統，該系統具有分布式、開放式、模塊化、可擴展性的特點，能夠為配電系統現代化功能和服務提供支持。平臺不但能夠提供系統運行背景以及硬件功能，而且還要具備更多的智能化功能，比如信息往來、人機交互等。根據系統應該具有的功能來看，平臺必須能夠讓這些子系統能夠在完全兼容的環境下運行，比如線損管理、自動抄表、諧波數據、自動報表等。平臺通過開放系統結構（OSA），將這些子系統全部集成起來，充分發揮各個子系統的功能，從而實現配電變壓器綜合管理信息系統的完整功能。

圖2.1詳細列出了本文所開發的系統的具體架構。從圖中可以看出，系統包括四個不同的構成部分。其中，主站的作用是進行人機交互，服務器的主要作用是收集和傳輸網絡數據，GPRS數據終端的主要作用是信息的收發，監控終端設備的作用是收集各種需要的數據。

圖2.1　GPRS配電變壓器監控系統的網絡架構

在本文所設計的系統中，網絡代理服務器和互聯網之間的連接有兩種方式可以實現，一種為ADSL，另一種為LAN。系統在對服務進行解析時，選擇公網固定IP或公網動態IP+DNS方法。為了進一步消除系統安全隱患，系統主站并沒有和英特網連接在一起，而是位于局域網環境下。因此為了和網絡進行數據的往來，采用網絡代理服務器。GRPS數據數傳輸給終端后，后者就會采用既定的IP地址對網絡代理服務器進行訪問，在該服務器和主站的共同作用下，構建TCP/IP鏈路。主站保存有所有的終端的IP地址以及ID編號。如果主站需要某一終端所采集的數據時，首先會根據IP和ID數據定位終端，然后下達指令，終端接收到指令后把數據傳遞到網絡服務器端口，最后再傳輸給主站。至此，一個周期通訊流程完畢。

上述過程是在互聯網的支持下完成的，通過這樣的方式將成本控制在更低范圍內。中國移動允許此類應用連接到GPRS網絡中來。正是由于運營商所提供的專線渠道，主站才能順利地連接GPRS移動基站，然后得到保持不變的IP地址。監測點數據不需要通過路由器就能夠和互聯網相連，這一過程是通過SIM卡所實現的。通過上述方式構建的一對多的網絡，在實時性、安全性方面的表現十分突出，不過會造成成本的攀升[4]。

2.4監控終端

本論文所設計的系統中的配電綜合監測儀是目前應用十分廣泛的、科技含量很高的產品。該產品的參數嚴格遵循電力需求側以及配變負荷監測的相關標準和要求。該產品對數據的處理功能十分豐富，比如采集、呈現、保存、通訊等，所有的處理過程都能夠保持高精度。后臺工作人員還能夠選擇圖表等非常直觀的方式來了解系統中保存的數據。具體來說，該設備的功能體現在兩個方面：

（1）可以通過測量提供三十多種參數，這些參數主要分布于九種類型中，即電壓、電流、有功功率、溫度等。

（2）能夠調整系統參數，比如裝置的CT、PT變比、系統時間等。

2.5GPRS數據傳輸終端

該終端的主要作用是讓主站能夠和終端進行交流和通訊。本論文設計的系統所采用的終端為SARO1010P GRPS DTU，其功能和特點主要有：

2.5.1功能

（1）非常規范的AT指令畫面，給程序設計帶來極大的便利。

（2）內部安裝了TCP/IP Internet協議棧，降低連接難度。（3）安裝RS232接口，降低通訊難度。（4）使用串口對程序進行升級處理。

2.5.2性能

（1）選擇功耗低、性能強勁的CPU，RAM以及FLASH的大小分別為125KB和512KB，因此在對協議和數據進行處理時，耗時極短。

（2）能夠采用全透明的方式進行數據往來，幀格式數據無需轉換就能傳輸。

（3）TCP、IP、PPP、等協議棧都能完美兼容。

（4）安裝有達到ISO7816-3IC卡規范的SIM卡座，符合GSM11.11以及11.10的SIM卡都能夠直接使用。

（5）降低接口復雜性，應用兼容性很強的232接口。

（6）應用便利性更高的電源接口，不但能夠使用外掛電源驅動，而且還能夠通過串口供電。

（7）功耗低，不超過3W。

（8）徹底避免了GRPS網絡本身的假撥問題，一旦掉線在無需人工干涉的情況下就能夠重啟，能夠進行遠距離的喚醒。

（9）為遠程控制、動態域名解析功能提供支撐。

（10）能夠滿足嵌入式系統需求，能夠安裝內置式模塊。

（11）在軟件和硬件端都設計了看門狗，一旦DTU出現故障，在無需人工干涉的情況下就可以斷開電源并復位。

2.6監控中心主站

從結構層次上看，主站系統包括四層結構。從里到外來看，第一層是操作平臺和軟件。第二層分布著和系統兼容的程序軟件，比如數據庫系統、數據收集和傳遞、電力系統模型。其中，數據庫系統是由運行庫、基礎庫、標準庫以及歷史庫所構成的，數據收集和傳遞指的是利用不同的協議收集各個終端的采集的數據，然后直接傳輸至需要數據的系統里面。電力系統模型指的是系統中的設備和網絡拓撲。第三層是基礎應用層，該層的主要作用是以來自終端的數據為對象進行處理，并將處理結構呈現在GUI界面中，讓用戶瀏覽。第四層是高級應用層，該層的主要作用是為系統的決策提供客觀的數據依據。

主站的功能體現在這些方面：

在國家第三產業中，會展業已經成為了主要的組成力量。會展行業所帶來的發展方式雖然與其他傳統行業存在明顯不同，但會展行業注重創新性以及交流性思維，符合當前國家急需發展的宏觀政策。而中小型會展中心作為國家會展行業的基層組成力量，故其雖具有規模較小的特質，但仍舊需要對自身的管理模式以及運營模式進行研究和改良。這樣才能保證中小型會展在發展進程中得到升級經驗，進而迅速提升自身的發展實力，為國家第三產業的持續發展做出一份切實的推動貢獻。為此，本文選取會展管理以及運營模式為研究方向。

（1）對配電變壓器SCADA系統變壓器的工作狀態進行監控和跟蹤，對數據進行分析、處理以及保存，結合實際情況調整RTU的參數，并將其狀態信息呈現出來。不但能夠提供配電網整體工作狀態信息，而且為系統整體功能的延伸提供了條件。

（2）工作人員在自動抄表系統中設定抄表時間，這樣系統就會定點進行抄表，除此之外該系統還提供了一些輔助功能，比如異常報警，記錄操作記錄等。

（3）支付預付費管理模式，避免以往用戶賴賬事件的發生，讓信譽度比較低的用戶先付錢，再用電，一旦剩余電量不足時提醒用戶及時購買。

（4）線損管理，該功能為臺區以及線路的線損問題的管理提供了極大的便利。

（5）針對配電線路以及變壓器等硬件進行管理，及時修復硬件故障，提高供電可靠性。

（6）對終端設備的錯誤進行診斷。從嚴重程度的角度來看，終端錯誤分為通訊中斷、終端無線錯誤、無線中斷等幾種類型，該功能能夠識別具體的終端錯誤類型。

（8）電容器投切。以電壓和功率因數為依據，結合時間因素以及投切次數展開調節。如果現場調節起不到應有的作用的話，通過監視和遠程控制功能進行調節。若終端本身不支持調節和投切，同樣可以通過遠程功能實現。

（9）通過遠程功能，了解甚至調整終端的工作參數。在主站對開關合/分閘進行控制。了解甚至調整VQC參數。

（10）為了和營銷系統實現數據共享，系統專門設置了能夠和該系統數據庫相連的接口。

（11）收集并統計諧波數據。

（12）用戶竊電管理。將用戶電量數據和功率準換電量數據放在一起進行比較，選擇最合適的比例系數作為臨界值，一旦達到了臨界值就發出警告。

當前，國內電力資源供應和使用的安全性和可靠性引起人們極大的關注，電力企業也在積極尋找更加現代化的管理手段，以提高管理水平。中低壓配電網自動化能夠很好地滿足企業自身和社會的需求。將GPRS這一先進且成熟的通訊技術引入到配電自動化領域，能夠充分發揮其自身的優勢。應用GPRS技術的配電變壓器管理系統具有可觀的市場發展潛力[5]。

3　結論

本文介紹了具有遠程通信功能的配電變壓器綜合參數監測系統組成部分的主要功能，以及系統功能實現的手段。論文還簡要闡述了無功補償技術以及基于GPRS配電變壓器監控系統。

本設計從配電變壓器各電氣參數的實時采集，到遠程網絡通訊，最后到監測中心數據處理分析和遠程控制，基本實現了自動化、智能化。我相信隨著配電網自動化技術的不斷發展，這種作為基本終端的集配電運行綜合參數監測及無功最優化補償于一體的裝置，將會越來越受到重視。其系統的推廣應用對用戶和電力部門均會帶來可觀的經濟效益。因此，此設計具有很高的實用價值，將有很好的發展前景。

參考文獻

[1]曹建平,倪瑛.配電變壓器監測終端現狀及發展[J].電器應用,2005,24(1):18-21.

[2]林功平,徐石明,羅建波.配電自動化終端技術分析[J].電力系統自動化l2003,27(12):59-62.

[3]葉力勤,羅非.配電變壓器參數GPRS網絡遠程監測系統[J].華南理工大學學報,2002,6(12):89.

[4]郝云芳.GPRS的網絡結構與接口信令研究[J].西安郵電學院報,2002,7(1):46-49.

[5]基于GPRS通信的配電監控系統.http://co.163.com/ neteaseivp/resource/paper/detail.jsp?pk=15964&way=3,2004-12-13.