城鄉(xiāng)電網(wǎng)綜合監(jiān)管系統(tǒng)的設(shè)計

王夢玲，邱益農(nóng)

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

近年來，隨著城鄉(xiāng)經(jīng)濟的高速增長，原有的配電網(wǎng)和供電模式已經(jīng)不能充分滿足客戶電力發(fā)展和居民生活用電的需要。為充分滿足電力系統(tǒng)供電側(cè)、售電側(cè)、購電側(cè)等多種對象的電能量信息的采集和監(jiān)控，如變電站關(guān)口、公共配電變壓器、大客戶及中小客戶等，城鄉(xiāng)電網(wǎng)綜合監(jiān)管系統(tǒng)運用負荷管理系統(tǒng)設(shè)計思想和資源，利用現(xiàn)代計算機技術(shù)和通信技術(shù)，實現(xiàn)對城鄉(xiāng)配電網(wǎng)絡(luò)各種用電對象的動態(tài)監(jiān)測功能，通過負荷控制、故障自動診斷、網(wǎng)絡(luò)拓撲分析和無功自動投切等功能，改善電能質(zhì)量，提高供電可靠性，減少配電設(shè)備維護成本，提高工作效率及降低線損等重要指標(biāo)計算的準(zhǔn)確性，進而提高電力部門的勞動生產(chǎn)率。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

城鄉(xiāng)電網(wǎng)綜合監(jiān)管系統(tǒng)可由3層物理結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。第1層為主站，負責(zé)整個系統(tǒng)的電能信息采集、用電管理以及數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)應(yīng)用等。第2層為數(shù)據(jù)采集層，負責(zé)對各采集點電能信息的采集和監(jiān)控，包括各種應(yīng)用場所的電能信息采集終端。第3層是具體的采集點監(jiān)控設(shè)備，即電能信息采集源和監(jiān)控對象，如電能表和相關(guān)測量設(shè)備、客戶配電開關(guān)、無功補償裝置以及其他現(xiàn)場智能設(shè)備等。通信網(wǎng)絡(luò)完成系統(tǒng)各層之間的數(shù)據(jù)傳輸，可以是專用或公共無線、有線通信網(wǎng)絡(luò)以及電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)。

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

系統(tǒng)的遠程通信網(wǎng)絡(luò)可采用多種無線、有線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，例如GPRS無線網(wǎng)絡(luò)、CDMA無線網(wǎng)絡(luò)、寬帶、光纖等，實現(xiàn)主站和數(shù)據(jù)采集層設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)的本地通信網(wǎng)絡(luò)用于數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)。

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(shù)據(jù)傳輸協(xié)議均采用DL/T698.41。低壓集中抄表終端與電能表的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議采用DL/T698.42。其他電能信息采集終端與電能表的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議應(yīng)支持DL/T645。

圖1 城鄉(xiāng)電網(wǎng)綜合監(jiān)管管理系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能

2.1 豐富的數(shù)據(jù)采集功能

系統(tǒng)通過配變終端采集負荷和電能量實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，監(jiān)視電能表和相關(guān)設(shè)備的運行狀況以及供電電能質(zhì)量等?？刹捎枚〞r自動采集、典型日數(shù)據(jù)采集、隨機召測數(shù)據(jù)、主動上報數(shù)據(jù)等方式。

電能數(shù)據(jù)有：當(dāng)前和凍結(jié)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(shù)、諧波等；狀態(tài)量有：開關(guān)狀態(tài)、終端及計量設(shè)備工況信息；電能質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計有：電壓、功率因數(shù)、諧波、頻率等越限統(tǒng)計數(shù)據(jù)；事件記錄數(shù)據(jù)有：終端和表計記錄的事件記錄數(shù)據(jù)。

2.2 多種數(shù)據(jù)管理功能

2.2.1 數(shù)據(jù)合理性管理方面

可提供采集數(shù)據(jù)完整性、正確性的檢查和分析手段，發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)不完整自動進行補采。提供數(shù)據(jù)修正手段對錯誤數(shù)據(jù)、不可補采的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析處理和事件記錄，保證原始數(shù)據(jù)的唯一性和真實性。主站發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)可按設(shè)置要求告警和提示。

2.2.2 數(shù)據(jù)的分析和計算方面

根據(jù)應(yīng)用功能需求，用戶可通過配置或公式編寫，對采集的原始數(shù)據(jù)進行加工和處理，包括：按區(qū)域、行業(yè)、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(tǒng)計分析；電能質(zhì)量統(tǒng)計分析，對監(jiān)測點的電壓、電流、功率因數(shù)、諧波等電能質(zhì)量數(shù)據(jù)進行越限、合格率等統(tǒng)計分析；計算線損、母線不平衡、變損等。

2.2.3 一體化數(shù)據(jù)存儲管理方面

采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲管理技術(shù)，對采集的各類原始數(shù)據(jù)和應(yīng)用數(shù)據(jù)進行分類存儲和管理，為數(shù)據(jù)應(yīng)用提供一體化數(shù)據(jù)平臺。對外提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)接口，為其他系統(tǒng)開放有權(quán)限的數(shù)據(jù)共享服務(wù)。

2.2.4 數(shù)據(jù)的綜合查詢和應(yīng)用

系統(tǒng)支持?jǐn)?shù)據(jù)綜合查詢功能，并提供組合條件方式查詢相應(yīng)的數(shù)據(jù)頁面信息。

按應(yīng)用需求，支持有序用電管理、異常用電分析、電能質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計、報表管理、線損分析、增值服務(wù)等應(yīng)用功能。實現(xiàn)了用電異常監(jiān)測、重點客戶監(jiān)測、事件處理和查詢。還可以進行電壓越限統(tǒng)計、功率因數(shù)越限統(tǒng)計、諧波數(shù)據(jù)統(tǒng)計、線損和母線不平衡及變損分析。此外，還能WEB信息發(fā)布及綜合數(shù)據(jù)查詢等。提供了網(wǎng)絡(luò)化的接口，數(shù)據(jù)隨時發(fā)布，提升電力監(jiān)督管理能力。

2.3 系統(tǒng)總體技術(shù)和性能指標(biāo)

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

系統(tǒng)的響應(yīng)速度指標(biāo)：遙控操作響應(yīng)時間＜5s；重要信息（如重要狀態(tài)信息及總功率和電能量）巡檢時間＜15 min；常規(guī)數(shù)據(jù)召測和設(shè)置響應(yīng)時間（主站發(fā)送召測命令到主站顯示數(shù)據(jù)的時間）＜15s；歷史數(shù)據(jù)召測響應(yīng)時間＜30s；客戶事件響應(yīng)時間＜30 min。數(shù)據(jù)庫常規(guī)數(shù)據(jù)查詢響應(yīng)時間＜10s；數(shù)據(jù)庫模糊查詢響應(yīng)時間＜15s。

3 配變終端實現(xiàn)的主要功能

配變終端由開關(guān)電源單元、信號采集單元、數(shù)字信號處理單元、系統(tǒng)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(shù)據(jù)的處理、存儲、顯示和通信，并對報警節(jié)點進行實時監(jiān)測；為保證采樣精度，選擇ADI公司出產(chǎn)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(tǒng)時鐘的精確、穩(wěn)定，選擇8025t時鐘芯片。此外，為斷電狀態(tài)保存數(shù)據(jù)和設(shè)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(shù)據(jù)采集的密度和精度，選用ADI的BF531數(shù)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(jiān)控，能在停電時及時保存必要的數(shù)據(jù)，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(shù)和總功率因數(shù)；狀態(tài)量當(dāng)前狀態(tài)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(shù)（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(shè)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(shù)據(jù)。要求至少存儲最近12個月或最近12個抄表周期的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)存的同時，當(dāng)月最大需量值應(yīng)自動復(fù)零，對非指定的抄表日，抄表時數(shù)據(jù)不轉(zhuǎn)存，最大需量也不復(fù)零。抄表日及時刻設(shè)定可就地設(shè)置，允許遠方設(shè)置時，應(yīng)當(dāng)有相應(yīng)權(quán)限的密碼保護。還能夠在指定的時間區(qū)間內(nèi)，測量最大需量、分時段最大需量及其出現(xiàn)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(yīng)為滑差（窗）時間的整數(shù)倍5倍以上。需量周期選擇和滑差時間就地和遠方均可設(shè)置。能接受遠方凍結(jié)命令進行數(shù)據(jù)凍結(jié)或根據(jù)預(yù)設(shè)周期進行數(shù)據(jù)凍結(jié)。已經(jīng)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(yīng)能在就地和遠方清零。

3.3 報警功能

按照設(shè)定的閾值、允許持續(xù)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(chǎn)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(shù)據(jù)安全防護功能

（1）功率設(shè)置、電量清零、需量清零、誤差調(diào)整（除廣播校時外）按參數(shù)分類有硬件的寫保護措施。

（2）參數(shù)的修改可產(chǎn)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?jǐn)嚯娗皵?shù)據(jù)及保證實時時鐘計時正常，數(shù)據(jù)可無電保存3年以上，實時時鐘能持續(xù)計時3個月以上。

（4）終端停電來電時間和終端復(fù)位次數(shù)等操作記錄。

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

（6）能夠記錄停電時間和停電次數(shù)，產(chǎn)生操作記錄。

（7）記錄終端內(nèi)部異常事件（如自檢錯、硬件錯等）發(fā)生的事件及當(dāng)前電量。

（8）終端具備各被測量誤差調(diào)整功能，其誤差允許范圍正負5s。為防止曲線記錄的非連續(xù)，在時差不超過曲線記錄2個時間間隔點的情況下，應(yīng)采用漸進式校時，超過則重新開始新的曲線記錄，同時產(chǎn)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(shù)超過容量時，覆蓋時標(biāo)最早的記錄。

（11）終端記憶的任何數(shù)據(jù)都自帶數(shù)據(jù)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?qū)崿F(xiàn)一路以上的超功率跳閘控制，可根據(jù)配變協(xié)議進行遠程遙控和終端設(shè)備本地閉環(huán)控制；同時，可對遙控動作后的動作節(jié)點進行遙信，查詢其狀態(tài)。

3.7 電表數(shù)據(jù)集中器功能

為提高系統(tǒng)運行效率，充分利用配變終端的功能，提高系統(tǒng)抄收電表數(shù)據(jù)的速度，可在配變終端上附加電表數(shù)據(jù)集中器功能，自動抄收所屬采集器內(nèi)保存的電表運行信息并保存在該設(shè)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(xiàn)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(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)。還包括復(fù)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，F(xiàn)T5000串口可與Mbus進行通信；FT5000具有LonWorks網(wǎng)絡(luò)通信接口，可方便接入網(wǎng)絡(luò)。

4.1 對時功能

在綜合考慮可實現(xiàn)性和經(jīng)濟性的基礎(chǔ)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(fā)現(xiàn)電能表有故障，則及時上報。采集終端內(nèi)有狀態(tài)字，狀態(tài)字的定義符合《自動抄表系統(tǒng)通信規(guī)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(shù)據(jù)傳送功能

能實時采集所接表位的設(shè)備實時參數(shù)和日、月參數(shù)；能按自動抄表周期采集并保存采集的數(shù)據(jù)；每個采集終端整點過10 min自動抄收其歸屬內(nèi)電表數(shù)據(jù)。并能保存其前2個月的數(shù)據(jù)。當(dāng)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(shù)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(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

城鄉(xiāng)電網(wǎng)綜合監(jiān)管系統(tǒng)的應(yīng)用，適應(yīng)國家堅強智能電網(wǎng)建設(shè)戰(zhàn)略的信息化、數(shù)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(jiān)測、分析手段的問題。在生產(chǎn)管理方面：利用系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)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(chǎn)指標(biāo)管理的需要。在經(jīng)營管理方面：對配網(wǎng)變壓器的實時監(jiān)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(fā)現(xiàn)，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(shù)支持，提高了供電企業(yè)的直接經(jīng)濟效益。城鄉(xiāng)電網(wǎng)綜合監(jiān)管系統(tǒng)的建立，在實現(xiàn)自動監(jiān)視變壓器的運行狀況的同時，還能通過多種技術(shù)措施及時、可靠地采集線路上電能表的運行參數(shù)和電量數(shù)據(jù)，提高電力設(shè)備的利用率及工作效率，為更加全面、科學(xué)地進行線損統(tǒng)計、負荷分析預(yù)測、電壓合格率統(tǒng)計、城區(qū)配變網(wǎng)規(guī)劃、優(yōu)化供電方案、城網(wǎng)建設(shè)與改造項目決策等提供科學(xué)的依據(jù)。

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