基于圖形界面和無線通訊方式的配電變壓器監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)

李宏仲，游大寧，孔凡祥

(1.上海電力學(xué)院電力與自動(dòng)化工程學(xué)院，上海 200090;2.山東電力集團(tuán)公司 調(diào)度中心，山東 濟(jì)南 250001;3.內(nèi)蒙古赤峰市農(nóng)電局，內(nèi)蒙古赤峰 024000)

20世紀(jì)90年代以來，隨著電力供應(yīng)商品化、市場(chǎng)化的發(fā)展，國內(nèi)電力部門和電力用戶對(duì)電能質(zhì)量愈發(fā)重視.供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量高低，直接關(guān)系到供電系統(tǒng)能否安全運(yùn)行和用戶是否能夠安全用電［1-3］.而對(duì)配電變壓器運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)分析可以為供電部門了解配電系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，降低電網(wǎng)損耗、制定最優(yōu)供電方案等提供科學(xué)、完整的依據(jù)［4］.

但是，目前電力系統(tǒng)中應(yīng)用的配電變壓器的監(jiān)測(cè)分析裝置存在以下不足［5］:一是數(shù)據(jù)采集裝置與數(shù)據(jù)分析工作站之間的數(shù)據(jù)傳輸存在瓶頸.現(xiàn)有的系統(tǒng)多用有線方式進(jìn)行連接和數(shù)據(jù)交換，因而在鋪設(shè)通訊線路方面投資較大;若用手抄器來轉(zhuǎn)載數(shù)據(jù)，則要耗費(fèi)較多的人力物力，而且根本無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控.二是數(shù)據(jù)分析工作站配備的后臺(tái)信息處理軟件多以對(duì)話框?yàn)橹饕牟僮鹘缑?，用戶直接面?duì)各種表格和數(shù)據(jù).現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員需要經(jīng)過培訓(xùn)才能熟練使用這些軟件，而且操作繁瑣，人機(jī)交互性極差，容易出錯(cuò).

本文針對(duì)目前同類系統(tǒng)的不足，利用中國移動(dòng)推出的GPRS通訊網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于圖形界面和無線通訊方式的配電變壓器監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng).該系統(tǒng)可以提高供電部門自動(dòng)化管理水平和配電網(wǎng)運(yùn)行的安全可靠性.

1 系統(tǒng)的組成

配電變壓器監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)由電量數(shù)據(jù)采集裝置(下位機(jī))、數(shù)據(jù)分析工作站(上位機(jī))和通訊網(wǎng)絡(luò)3部分組成.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

數(shù)據(jù)采集裝置安裝在配電臺(tái)區(qū)中的每一臺(tái)變壓器上.該裝置負(fù)責(zé)采集、存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)變壓器的各項(xiàng)電量參數(shù)，包括三相有功功率、三相無功功率、三相電壓、三相電流、頻率、三相功率因數(shù)、三相有功電度和無功電度、電流三相諧波和電壓三相諧波等數(shù)據(jù)，并采用串行通信方式，通過有線或者無線通訊網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)進(jìn)行通信，上傳電量數(shù)據(jù).

數(shù)據(jù)分析工作站實(shí)質(zhì)上是一套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它也采用串行通信方式，獲取下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)，并存入數(shù)據(jù)庫中.然后通過后臺(tái)信息管理系統(tǒng)軟件對(duì)所采集到的各種信息數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析和圖形化處理，為用戶提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)分析、歷史曲線繪制、極值記錄、電量指標(biāo)統(tǒng)計(jì)、供電可靠率統(tǒng)計(jì)、負(fù)荷率統(tǒng)計(jì)、電壓合格率統(tǒng)計(jì)、網(wǎng)損分析等功能，并最終形成報(bào)表或曲線圖，打印輸出.該后臺(tái)信息管理系統(tǒng)軟件可在Windows操作系統(tǒng)下運(yùn)行，并可以安裝在手提式PC機(jī)上運(yùn)行，構(gòu)成便攜式變壓器監(jiān)測(cè)分析設(shè)備.

此外，數(shù)據(jù)分析工作站還可以向下位機(jī)下傳數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集裝置的初始化、對(duì)時(shí)和遠(yuǎn)程參數(shù)修改等管理功能.

2 數(shù)據(jù)采集裝置

該裝置的硬件系統(tǒng)主要以16位單片機(jī)MC80C196為控制核心，包括高精度PT和CT電量變換，高速12位A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換，EPROM，大容量1兆字節(jié)FLASH MEMORY，鍵盤顯示，百年日歷時(shí)鐘，RS232，RS485串行接口，電源等.裝置的硬件原理圖如圖2所示.

圖2 數(shù)據(jù)采集裝置原理

被測(cè)線路的Ua，Ub，Uc，Ia，Ib，Ic信號(hào)按3表 法接入裝置，精確地測(cè)量出三相四線制線路的各種電量.6路信號(hào)經(jīng)CT和PT變換后按3表法輸入到模擬開關(guān)上，由CPU控制模擬開關(guān)，選通某路輸入信號(hào)進(jìn)行采樣.采集通道的A/D轉(zhuǎn)換器采用AD公司的分辨率12位的AD774，轉(zhuǎn)換時(shí)間為25 μs，轉(zhuǎn)換精度為0.05%，以保證裝置測(cè)量的準(zhǔn)確性.時(shí)鐘芯片采用DS12887內(nèi)置電池和晶振，直接掛在CPU的數(shù)據(jù)總線上，為裝置提供記錄電量的時(shí)刻及其他功能需要.

為記憶保存大量的歷史數(shù)據(jù)，裝置采用了兩片閃速存儲(chǔ)器FLASH-MEMORY AT29C040串行EEPROM，共1M字節(jié)的記錄存儲(chǔ)空間，可整點(diǎn)記錄各電參數(shù)11個(gè)月.CPU通過一個(gè)周期內(nèi)的32點(diǎn)分頻采樣，將時(shí)域內(nèi)采集的電壓、電流信號(hào)通過富氏算法直接算出其獲得的電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)及電網(wǎng)工頻等數(shù)據(jù).

3 信息管理系統(tǒng)軟件

信息管理系統(tǒng)軟件包括用戶登錄模塊、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分析模塊、系統(tǒng)維護(hù)模塊和數(shù)據(jù)記錄顯示模塊4部分.

其中以圖形界面(配電臺(tái)區(qū)接線圖)作為前臺(tái)，通過開放式數(shù)據(jù)庫連接(Open DataBase Connectivity，ODBC)接口訪問后臺(tái)數(shù)據(jù)庫.后臺(tái)數(shù)據(jù)庫為整個(gè)軟件提供數(shù)據(jù)支持.全系統(tǒng)按模塊掛接方式實(shí)現(xiàn)對(duì)各功能的連接.

整套軟件以配電臺(tái)區(qū)的接線圖為主要操作界面，可以改善信息管理系統(tǒng)的人機(jī)交互性.用戶通過圖形化操作界面可以直觀地了解配電臺(tái)區(qū)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，通過點(diǎn)擊鼠標(biāo)可直接從圖中選擇要分析的配電變壓器.該軟件目前已經(jīng)投入實(shí)際應(yīng)用.

由于軟件系統(tǒng)是利用可視化編程語言Visual C++6.0來實(shí)現(xiàn)的，并且基于 Windows操作系統(tǒng)，符合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員的日常使用習(xí)慣，具有操作簡(jiǎn)單方便、易學(xué)易用的特點(diǎn)，因而受到了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員的歡迎.

3.1 用戶登錄模塊

用戶在該模塊中輸入用戶名和口令.只有輸入注冊(cè)過的有效用戶名和口令，并依據(jù)用戶權(quán)限才能啟動(dòng)相應(yīng)的功能模塊.

全系統(tǒng)設(shè)置系統(tǒng)管理員和一般用戶2級(jí)密碼管理.系統(tǒng)管理員可為一般用戶開戶并分配初始密碼;一般用戶可以應(yīng)用數(shù)據(jù)顯示模塊和數(shù)據(jù)分析模塊，但無權(quán)使用系統(tǒng)維護(hù)模塊.系統(tǒng)維護(hù)模塊只對(duì)系統(tǒng)管理員開放.

3.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分析模塊

本模塊的操作界面為配電臺(tái)區(qū)接線圖，用戶可通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊直接從接線圖中選擇配電變壓器.本模塊主要包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)顯示分析和綜合分析3大功能.

(1)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示 可以從數(shù)據(jù)采集裝置中讀取并實(shí)時(shí)顯示三相有功功率、三相無功功率、三相電壓、三相電流和頻率、三相功率因數(shù)、三相有功電度和無功電度，以及不平衡度、負(fù)荷率等數(shù)據(jù).根據(jù)用戶需要，還可以繪制實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線.

(2)歷史數(shù)據(jù)顯示分析 根據(jù)用戶選擇，可以從數(shù)據(jù)采集裝置中讀取并顯示某一時(shí)間段內(nèi)或者某兩個(gè)數(shù)據(jù)記錄序號(hào)之間的所有歷史記錄.通過ODBC接口連接后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，將歷史記錄存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫.可以按照日、月、年，以及峰值、谷值、均值分別統(tǒng)計(jì)和處理歷史數(shù)據(jù)，并根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示、打印電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的曲線圖和報(bào)表.

(3)綜合分析 根據(jù)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)記錄，計(jì)算、分析用戶指定時(shí)間段內(nèi)的多項(xiàng)電氣參數(shù)指標(biāo)，包括電度總計(jì)、電壓極值記錄、電流極值記錄、停電記錄、電壓合格率、負(fù)荷率、供電可靠率和線損率，最終形成綜合分析報(bào)表，打印輸出.

3.3 數(shù)據(jù)記錄顯示模塊

本模塊通過ODBC接口訪問后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，用戶可以直接應(yīng)用本模塊查看后臺(tái)數(shù)據(jù)庫中的所有數(shù)據(jù)記錄，不必進(jìn)入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫操作環(huán)境.

3.4 系統(tǒng)維護(hù)模塊

該模塊提供一個(gè)繪圖工具箱，系統(tǒng)管理員可以從中選擇所需的設(shè)備圖元，包括變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、母線等，并提供圖元的剪切、拷貝，復(fù)制、移動(dòng)和全圖縮放等功能.在繪圖過程中，還可以通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊圖元，輸入設(shè)備參數(shù).此外，系統(tǒng)管理員還可以向數(shù)據(jù)采集裝置發(fā)送指令，修正下位機(jī)的參數(shù)，完成設(shè)備的對(duì)時(shí)和初始化.

4 通訊的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用GPRS網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集裝置與數(shù)據(jù)分析工作站之間的數(shù)據(jù)傳輸和指令發(fā)送.整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過程分為3個(gè)步驟［6，7］.

(1)數(shù)據(jù)采集裝置通過標(biāo)準(zhǔn)RS232接口與GPRS Modem連接，GPRS Modem通過PPP撥號(hào)方式與基站建立連接，通過身份驗(yàn)證，獲得IP地址，并接入Internet.

(2)數(shù)據(jù)分析工作站被接入互聯(lián)網(wǎng)，通過Socket通訊與GPRS Modem建立TCP或UDP連接.

(3)GPRS Modem從串口獲得數(shù)據(jù)采集裝置的數(shù)據(jù)，以UDP或TCP包形式，通過GPRS服務(wù)節(jié)點(diǎn)(GSN)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絀nternet上，并且尋找在Internet上的一個(gè)指定的中心服務(wù)器.中心服務(wù)器通過數(shù)據(jù)接收軟件接收數(shù)據(jù)，然后由指定的數(shù)據(jù)處理服務(wù)器通過數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)解密、解壓，將數(shù)據(jù)還原成原始數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)分析工作站.也可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、指令的反向傳輸.

5 應(yīng)用實(shí)例

本系統(tǒng)目前已在東北某地區(qū)電網(wǎng)投入實(shí)際運(yùn)行，對(duì)該地區(qū)6條10 kV線路所連接的60多臺(tái)配電變壓器已實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)存入數(shù)據(jù)庫中以備查詢分析.對(duì)某配變一年內(nèi)的日最大負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，繪制出的相關(guān)數(shù)據(jù)曲線如圖3所示.

根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析各配變母線電壓水平情況，自動(dòng)生成相關(guān)的電壓統(tǒng)計(jì)報(bào)表見圖4，并根據(jù)用戶的需要以Excel或者Html的形式存儲(chǔ)報(bào)表，這樣可以大大提高生產(chǎn)計(jì)劃部門的工作效率，降低運(yùn)行人員工作強(qiáng)度.

圖3 某配變?nèi)兆畲筘?fù)荷數(shù)據(jù)曲線

圖4 各配變出線電壓水平報(bào)表

6 結(jié)語

本文所給出的基于圖形界面和無線通訊方式的配電變壓器監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)，其監(jiān)測(cè)內(nèi)容和分析功能可以滿足配電臺(tái)區(qū)實(shí)際的應(yīng)用要求.

該系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集裝置已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了遙信、遙測(cè)和遙控功能.如果在無線傳輸?shù)陌踩煽啃苑矫孀鬟M(jìn)一步的研究開發(fā)，完全可以將該裝置發(fā)展成為利用GPRS網(wǎng)絡(luò)的無線RTU設(shè)備.與傳統(tǒng)RTU設(shè)備相比，由于采用無線通訊方式和已有的通訊網(wǎng)絡(luò)，不但可以節(jié)省投資，而且運(yùn)行方式更加靈活可靠.因此，該裝置無論是在新的配電系統(tǒng)建設(shè)還是舊系統(tǒng)改造中都將有廣闊的應(yīng)用前景.

［1］肖湘寧，徐永海.電能質(zhì)量問題剖析［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2001，25(3):66-69.

［2］ASOUDA A M，SALAMA M M A，SULTAN M R.Automated recognition system for classifying and quantifying the electric power quality［C］//Proceeding of the IEEE ICHQP VIII，Athens，Greece，1998:105-112.

［3］BOLLEN M H J.Understanding power quality problems，voltage sags and interruptions［M］.IEEE PRESS，2000:81-85.

［4］林海雪.現(xiàn)代電能質(zhì)量的基本問題［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2001，25(10):5-12.

［5］李國慶，王振浩，李宏仲，等.基于圖形界面的配電臺(tái)區(qū)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.繼電器，2004，32(2):49-52.

［6］姜開山，胡波，馬立元，等.GPRS遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐［M］.北京:中國電力出版社，2007:31-36.

［7］李惠宇，羅小莉，于盛林.一種基于GPRS的配電自動(dòng)化系統(tǒng)方案［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2003，27(24):63-65.