基于GIS技術的10 kV配電網綜合自動化系統研究

周月琴

（中北大學，山西 太原 030051）

0 引 言

當前，很多10 kV配電網還延用傳統的PMS1.0系統，只能體現出配電網電氣設備相互間的連接方式和線路，無法反映出線路路徑和電氣設備位置，只起到的示意作用。當配電網中存在緊急狀況需要查找圖紙和調用模擬運行系統時，這樣得到的信息是不完整、不準確的，如果不能及時處理配電網故障，那么會對配電網穩定性造成很大的影響。配電網中應用GIS技術可以獲取到配電網地理信息，還可以管理電網負荷，實現遠程抄表和電網規劃，對提高綜合自動化水平具有重要意義。

1 基于GIS配網自動化系統

1.1 系統結構

配電網自動化系統由主站層、子站層、通信層以及終端層構成(如圖1所示)。其中，主站系統由服務器、客戶端電腦以及應用軟件等構成，對配電網整體進行調度與管控。通信網絡層用于保證主站層和配電設備間實現數據交互，可根據使用要求采用無線或光纖等方式。終端層主要由FTU、DTU、TTU、故障指示器以及看門狗等電氣設備和自動設備構成[1]。自動化系統構成要素較多，其中控制設備是構成系統的基礎，不同的電網單元或節點需要配置合理的設備，這樣才能得到相應的運行參數和信息。通信系統為不同設備運行信息交互提供途徑，也可以接收和發送控制指令，不同電力設備和控制設備應該盡量采用相同的控制協議，避免信息無法實現通信。GIS技術結合計算機技術、地理科學和信息科學技術，通過計算機輔助設計技術處理圖形數據，確定出圖形元素對應的空間位置坐標，與配電網自動化技術進行結合，從而提高電網調度與管理效率，形成綜合性的自動控制體系統。

圖1 配電網自動化結構示意圖

1.2 通信方式

配電網通信包括無線和有線兩種方式，需要根據不同的應用場合和配電設備選擇合理的通信方式。無線方式可以不考慮布線，設置比較方便，但容易受到地形干擾，因此可以采用衛星或高頻通信等[2]。有線通信可以采用RS485、工業以太網以及CAN通信等，通過光纖或電話線來實現，配置好子站和主站站號、波特率等就可以實現串行數據通信。以太網通信則更為方便，只需要分配好地址就可以。光纖傳輸的成本較高，但具有較高通信穩定性和抗干擾性能，電話線路傳輸造價較低，但穩定性相對較差。

1.3 對配電網及變電站的要求

配電網綜合自動化系統有著很高的綜合性和集成性，在進行系統設計和建設時應該結合自控技術、通信技術以及計算機技術等，通過不同專業技術間的配合來提高自動化程度，不再依賴人工方式對變電站運行狀態信息進行記錄或操控倒閘等，提高自動化設備的安全性與可靠性，真正滿足配電網控制需要[3]。配電網綜合自動化系統應該對電網運行參數進行有效監控，實現自動運行和通信調度，采集用電量、操作指令、斷路器狀態以及電能質量等參數，用于分析配電網是否安全運行。此外，其具有無功補償功能，提高配電網供電質量，自動調整變壓器接頭，結合無功補償裝置進行處理，可以實現保持運行電壓穩定的效果。

1.4 對GIS的應用需求

GIS也就是地理信息系統，借助計算機軟、硬件技術，將空間地理信息進行采集、計算與管理，將地理坐標和分析模型等集于一體，具有很高的實用性。配電網中的每個設備都有著對應位置信息，可以體現出拓撲結構與地址，在配電網運行階段可以獲取到故障信息和位置信息，從而實現對配電網的準確、高效調度，避免配電網問題處理不及時導致停電范圍變大[4]。原來的配電網設備管理只依賴查找圖紙或經驗，這樣的故障排查會占用很長時間并耗費大量人力和物力，而且故障處理不及時會使影響范圍變大。采用GIS技術可以通過管理平臺來獲取到準確的故障點坐標，借助導航系統來指引人員去故障位置進行修復。

2 基于GIS的配電網自動化系統總體設計

2.1 需求分析

為了降低配電網綜合自動化系統安裝、調試難度，準確采集配電網自動化設備或節點位置信息，通信系統可以同步將信息發送給調控中心[5]。這就要求GIS設備可以自動獲取到位置信息，自動完成配電網節點和坐標標注，避免人為錄入位置信息造成的差別。此外還需要具備GIS數據信息自動上傳功能，不再另外構建通信通道，不需要太多的投資，采取模塊化設計方式滿足即插即用的要求，兼顧GPS和北斗兩種定位方式，根據實際需要進行模式切換，具有較好的可靠性。

2.2 總體設計

10 kV配電網綜合自動化系統中電力設備具有信息交互和監控功能，可以接收到調度中心指令發生動作，將運行參數信息，如電壓、電流以及運行溫度等發送給調度中心，電力設備功能需要由生產商來提供，通信線路由電網公司進行設計[6]。軍用GPS模塊定位精度可在0.5 m，民用模塊精度在2～3 m。配電網綜合自動化系統要求對設備節點進行有效定位，出現運行故障定位后可以為及時排查，由于存在2～3 m誤差并不影響維修，因此可以選擇民用級GPS模塊。配電網電氣設備中安裝GPS模塊可以得到不同設備節點的位置信息，這就需要對電氣設備進行升級改造，還需要解決通信渠道問題，而電氣設備出廠后都進行密封處理，如果拆卸后安裝GPS模塊會影響使用效果[7]。將GPS模塊安裝到現場通信節點對其進行合理規劃，盡量與電氣設備距離相近（5 m以內），這樣才能獲取到更準確的精度。采用后種方案可以有效降低成本，定位部署更為方便，不存在與配電網自動化拓撲結構產生沖突的問題，利用原有的通信網絡就可以達到GIS通信要求，不再另外架設通信線路，布設起來更為方便。

2.3 地理坐標信息獲取

采用GPS模塊雖然可以獲取到通信節點的坐標信息，也可以滿足獲取到故障位置的要求，但為了提高配電網故障定位的安全性和可靠性，需要功能模塊同時兼容北斗衛星定位技術，避免GPS信號關閉帶來的影響，具有更好的穩定性和定位精度，避免出現定位信號丟失的問題。該模塊的運行功耗和投資都較少，可以滿足配電網綜合自動系統配置要求，利用UART串口通信方式可以與PLC和單片機等實現串行通信，根據要求來縮短首次定位時間。

3 10 kV配電網自動化系統現場通信節點設計

3.1 通信單元設計要求

配電網電氣設備以RS485串行通信和工業以太網通信為主，還有一些設備支持CAN總線等通信，無線傳輸可采用構建起的3G和4G通信網絡，上層監控采用以太網，現場電氣設備與監控中心間需要設置通信轉接單元，而配電網通信要求有著更高的安全性和可靠性，避免不法分子入侵網絡造成嚴重的經濟損失，對社會帶來危害[8]。配電網通信應該采取專網方式，與互聯網進行安全隔離，這樣才能避免不法分子入侵電網通信系統。應該以專網通信為主，如果條件達不到要求可以采用公共網絡，但只需要信息的單向傳輸，只允許現場電力設備將采集到的運行信息傳輸給監控中心，不可以由監控中心發送控制指令。

3.2 通信單元結構設計

光纖專網以OLT環網方式在不同開關站終端實現信息互通（見圖2所示），通過交換機將數據信息發送給光纖網絡主站，可據IP地址不同來進行數據交互，主站服務器對接收到的數據信息進行分析與處理，在自動控制方面可以采用PON方式達到主站向多個終端同時傳輸的要求，也不需要太多的功耗[9]。無線專網需要采用3G通信技術、4G-LTE通信技術、Wimax通信技術以及近場通信技術等。LTE是國內移動通信常用技術，與Wimax技術有著很多相擬之處，LTE有著更高傳輸速率，配電網綜合自動化系統建設大多采用Wimax，需要通過基站來進行數據信息的轉接，還需要存在中心管理單元。電氣設備終端通過無線方式進行采集，再將信息傳送給基站。

圖2 光纖傳輸骨干結構示意圖

3.3 接入單元設計

配電網電力設備通信接口方式較多，為了實現與上層監控系統的通信，應該通過光纖和Wimax方式進行數據傳輸，還需要具備數據存儲和故障信息提示等功能。如果通信異常還需要及時保存異常信息，為后續數據查詢提供條件，發出的報警信息可以讓工作人員察覺，以及時查找故障原因。GPS北斗定位通信模塊需要將其集中到單元內部，減少建設投資。電力設備通信接口方面可以通過光纖模塊轉變為光纖信號進行傳輸，通信協議與原來并不存在差別，只是傳輸介質發生了變化，Wimax通信也可以通過類似轉換來實現[10]。最小系統電路由微控制器等構成，具有時鐘對準和復位等功能，還需要含有FLASH存儲與DDR電路。報警電路發送聲光報警，可以讓運維人員及時響應，檢查通信接入設備是否存在異常。

4 自動化系統集成整合方案

得到GIS信息后需要與配電自動化系統進行集成，主站根據配電網調度要求，對配電網節點發揮控制指令。整合PMS和控制系統，GIS體系實現與PMS系統和集控系統的通信連接，對信息模型進行規范化管理，將設備按照相同的規范進行統一，避免多個通道信息輸入導致信息產生差異。通過GIS系統來發送準確地理坐標信息，設置不同的網絡安全區域，起到良好的網絡安全防護作用，建立安全訪問機制，明確不同對象的屬性，防止出現越權行為。

5 結 論

將GIS技術引入到配電網綜合自動化系統中，可以有效提高配電網的管理質量和工作效率，減少人為確定故障的工作量。本文就10 kV配電網架構設計和采用的定位技術進行分析，深入了解電網結構型式，首先分析與探討了配電網自動化系統的設計方案，其次論述了通信節點設計，再次介紹現場接入單元和控制器選型等，最后對配電網自動化系統與生產PMS系統、集控系統如何集成進行討論。