配電變壓器運行遠程監(jiān)控系統(tǒng)

何思遠，徐志

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217)

配電變壓器運行遠程監(jiān)控系統(tǒng)

何思遠，徐志

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217)

針對現(xiàn)有的遠程監(jiān)控系統(tǒng)存在接線過多、方式復(fù)雜、故障排查與維修繁瑣等問題，提出了采用GSM無線網(wǎng)絡(luò)進行配電變壓器運行狀態(tài)遠程監(jiān)控的全新解決方案和實現(xiàn)方法。以高性能的工業(yè)級16位單片機芯片PIC18F458為核心的硬件設(shè)計和以Visual C++6.0和MySQL作為后臺數(shù)據(jù)管理軟件設(shè)計。實現(xiàn)了配電變壓器三相電壓、電流、功率因數(shù)、變壓器溫度等參數(shù)的實時監(jiān)控。

配電變壓器；遠程監(jiān)控；GSM

0 前言

目前供配電系統(tǒng)中絕大多數(shù)配電變壓器還沒有配備智能化、可通信的監(jiān)測裝置。隨著配電自動化的深入發(fā)展，研制一種能適合配電變壓器監(jiān)測并具有多種通信功能的智能化終端裝置是符合市場需求的，也是提高電網(wǎng)供電質(zhì)量的有效途徑。

從國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)，配電變壓器監(jiān)測終端數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ欧绞揭约澳軌蜻m應(yīng)不同通信要求的多功能配電變壓器監(jiān)測終端仍然是目前的研究方向和亟待解決的問題[1]。

1 系統(tǒng)的總體方案

根據(jù)配變監(jiān)測終端在配電自動化系統(tǒng)運行中所擔(dān)負的任務(wù)，以及現(xiàn)場環(huán)境、使用操作的具體要求以及客戶的需要，我們設(shè)計的配變監(jiān)測終端的主要具有以下功能：

1)實時數(shù)據(jù)采集；

2)實時監(jiān)測；

3)數(shù)據(jù)報表及存儲；

4)實時遙信和遙控；

5)數(shù)據(jù)通信和傳輸；

6)報警與數(shù)據(jù)顯示功能。

除了上述功能以外，作為智能化設(shè)備的TTU還應(yīng)具備自診斷、失電數(shù)據(jù)保護和故障自恢復(fù)等功能。

監(jiān)測系統(tǒng)硬件主要由電源模塊、電力及溫度參數(shù)采集模塊、中央處理器和GSM模塊四部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

電源模塊：由于監(jiān)測裝置需在現(xiàn)場長時間連續(xù)運行，GSM模塊對電源的要求也高，所以選擇大容量的鋰電池作為電源。采用簡單的整流穩(wěn)壓電路將監(jiān)測端的交流220 V變?yōu)橹绷? V后通過充電模塊給鋰電池充電，鋰電池在工作時電壓不斷下降，為使整個裝置工作電壓穩(wěn)定，在電池輸出端使用DC/DC升壓模塊。在該裝置中工作電壓穩(wěn)定為4.5 V，滿足所有模塊的要求。

電力參數(shù)及溫度采集模塊：監(jiān)測分機最重要的工作是準(zhǔn)確地檢測到配電變壓器三相電壓、電流、功率因數(shù)及溫度等參數(shù)。采集模塊采用的是精度0.5級的電壓互感器和電流互感器，它們將強電信號轉(zhuǎn)換為弱電信號，然后通過分壓電路把各相信號降到單片機AD輸入相匹配。功率因數(shù)的檢測采用過零比較的方式，由單片機中斷口讀入相角差計算出功率因數(shù)。變壓器溫度采用數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20，其溫度檢測范圍為-55℃～125℃，完全適合系統(tǒng)要求。

GSM模塊：本系統(tǒng)選用的是西門子公司的GSM模塊TC35i[2]。監(jiān)測分機檢測到配電變壓器的各項參數(shù)后由TC35i將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心，監(jiān)控軟件再做下一步數(shù)據(jù)分析。

監(jiān)控軟件由 Visual C++6.0和 MySQL編寫[3]。使用者分為系統(tǒng)管理員和普通用戶。

2 硬件電路設(shè)計

由于配變監(jiān)測系統(tǒng)的主電路擔(dān)負著數(shù)據(jù)采集的控制、數(shù)據(jù)處理、人機接口的控制、數(shù)據(jù)通信的控制以及輸出控制等任務(wù)，是系統(tǒng)的核心電路，本電路設(shè)計中根據(jù)用戶的要求以及對電力系統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備的調(diào)研，采用了以高性能的工業(yè)級16位單片機芯片PIC18F458為核心組成了系統(tǒng)的主電路模塊，實現(xiàn)終端的信號采集控制、數(shù)據(jù)分析與處理、數(shù)據(jù)通信控制等功能。

2.1 交流數(shù)據(jù)采集電路

交流數(shù)據(jù)采樣主要是采集交流電壓和交流電流，并以此計算除其他各種交流參數(shù)。交流數(shù)據(jù)采集電路的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 交流數(shù)據(jù)采集電路結(jié)構(gòu)圖

2.2 硬件抗干擾設(shè)計

配電變壓器監(jiān)測系統(tǒng)硬件終端由于使用環(huán)境一般較差，其抗干擾措施是設(shè)計中必須考慮的重要一環(huán)。通常，現(xiàn)場干擾一般都是以脈沖的形式進入單片機應(yīng)用系統(tǒng)的，干擾竄入系統(tǒng)的主要渠道有三條：即供電系統(tǒng)干擾、過程通道干擾和空間輻射干擾。為了消除干擾對監(jiān)測終端的影響，本設(shè)計采用了硬件抗干擾設(shè)計和軟件抗干擾設(shè)計相結(jié)合的方式，在硬件抗干擾設(shè)計中主要采用了如下一些措施。

由于監(jiān)測終端是直接采用交流電網(wǎng)供電的，因此，單片機應(yīng)用系統(tǒng)中最重要并且危害最嚴(yán)重的干擾來源于電源的污染。當(dāng)電網(wǎng)中有大的感性負荷或可控硅切換時，便會產(chǎn)生瞬時電壓，引起電網(wǎng)電壓波形的畸變。這一干擾電壓主要將沿著電源引入線→儀器系統(tǒng)→大地→負載突變處的途徑傳播。理論分析和實踐表明，由電源引入的干擾頻率范圍從近似直流一直可達1 000 MHz，因此，要完全抑制這樣寬頻率范圍的干擾，只采取單一措施是很難實現(xiàn)的，需采取多種抗干擾措施結(jié)合的方法來抑制干擾。

為防止從電源系統(tǒng)引入干擾，監(jiān)測終端的供電電源的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 監(jiān)測終端的供電電源結(jié)構(gòu)

考慮到高頻噪聲通過變壓器主要不是靠初、次級線圈的互感耦合，而是由初、次級間寄生電容耦合造成的。因此，隔離變壓器的初級和次級之間均用屏蔽層隔離，減少其分布電容，以提高抗共模干擾的能力。

電源系統(tǒng)的干擾源大部分是高次諧波，因此采用低通濾波改善電源波形。在整流電路之后采用雙T濾波器，以消除工頻干擾。

傳輸通道的抗干擾措施也有多種方法，本系統(tǒng)主要采取光電耦合器隔離加軟件處理的方法。其中光電耦合器隔離的原理是因為光電耦合器件是以光為媒介傳輸信號的集成化器件，采用光電耦合器可以將主機與前向、后向以及其他主機部分切斷電路的聯(lián)系，以有效地防止干擾從過程通道進入主機。

3 主站管理軟件設(shè)計

主站和各個配電變壓器監(jiān)控終端之間采用GSM短信的方式進行通訊，接收下位機采集到的電參量和溫度參數(shù)，并對其進行處理和分析，如果有異常情況出現(xiàn)，則將報警內(nèi)容通過GSM發(fā)短信的方式發(fā)送到責(zé)任人的手機上，以此來達到遠程監(jiān)控的目的。

主站后臺監(jiān)控中心管理系統(tǒng)軟件主要的功能是和監(jiān)測裝置進行通信，為運行管理人員提供實時數(shù)據(jù)，整點數(shù)據(jù)，動作記錄數(shù)據(jù)的采集，存入數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析及圖形報表生成及打印等一系列功能。系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示。

圖4 主站系統(tǒng)軟件構(gòu)成

由于本系統(tǒng)主要是對配電變壓器的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，所以建數(shù)據(jù)庫的時候，必須以其狀態(tài)信息表 (trans_info)為核心搭建數(shù)據(jù)庫，這個表的內(nèi)容需要系統(tǒng)管理員手工輸入，這個表內(nèi)的參數(shù)就是系統(tǒng)判定其運行狀態(tài)正常與否的標(biāo)準(zhǔn)，超過這個標(biāo)準(zhǔn)就會引發(fā)報警程序，并把報警內(nèi)容存入報警日志表 (alarm_log)中。配電變壓器的即時狀態(tài)是根據(jù)GSM模塊從監(jiān)測終端收到的短信經(jīng)過解碼之后得到的，所以必須要有一個存儲短信內(nèi)容的表 (sms_info)，需要一個變壓器即時狀態(tài)表 (trans_stat)來存儲從監(jiān)測終端采集到的數(shù)據(jù)。

另外，由于設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)最終是通過GSM短信的方式和監(jiān)測人員進行聯(lián)系，所以還必須建一個責(zé)任人信息表 (duty_info)來存儲這些人的基本信息，以便系統(tǒng)能夠自動的查詢到責(zé)任人的手機號碼，有異常情況的時候就可以即時的和責(zé)任人取得聯(lián)系。通過一個變壓器-責(zé)任人表(trans_duty)綁定的方式給每臺變壓器指定至少一名責(zé)任人。搭建的數(shù)據(jù)庫表的參數(shù)和各表之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)庫表的結(jié)構(gòu)和關(guān)系

考慮到系統(tǒng)的發(fā)展，隨著存儲和需要處理的數(shù)據(jù)量越來越大，單機版的數(shù)據(jù)庫肯定不能滿足要求。因此，可以采用一種分階段的方法，即首先采用單機版的數(shù)據(jù)庫，等到時間和條件允許了，將其擴展為客戶/服務(wù)器版。在此，選擇了MySQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。通過MySQL Adminitrator在MySQL的root賬號建立了一個數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫名為trans，在trans里面按要求建好各信息表。

本系統(tǒng)管理軟件的界面是通過VC進行設(shè)計的，即通過VC對MySQL進行操作。MySQL提供了一套CAPI函數(shù)，它由一組函數(shù)以及一組用于函數(shù)的數(shù)據(jù)類型組成，這些函數(shù)與MySQL服務(wù)器進行通信并訪問數(shù)據(jù)庫，可以直接操控數(shù)據(jù)庫。

本系統(tǒng)主站軟件系統(tǒng)和監(jiān)測硬件終端之間的通訊是采用基于GSM網(wǎng)絡(luò)短信的方式進行通信。要實現(xiàn)和下位機進行有效的通信，主站軟件還必須具有通過串口連接GSM模塊收發(fā)短信的功能。這就牽涉到了短信的編解碼的問題，由于系統(tǒng)是在VC環(huán)境下進行開發(fā)的，所以就要在VC平臺下對SMS短信息進行編碼和解碼。我們采用的是用AT指令發(fā)送SMS短信。

系統(tǒng)自開啟后對各臺配電變壓器的運行狀態(tài)進行監(jiān)測。系統(tǒng)報警的動作都是引發(fā)報警窗口，并播放報警聲音，不同的是報警類別不一樣。

系統(tǒng)管理平臺只對系統(tǒng)管理員開放的。系統(tǒng)管理平臺分為用戶管理和變壓器管理。用戶管理主要是針對用戶的權(quán)限，密碼維護而設(shè)計的。相對于一次測量而言，隨機誤差是沒有一定規(guī)律的，但是，當(dāng)測量次數(shù)足夠多時，測量結(jié)果中的隨機誤差服從一定的統(tǒng)計規(guī)律，而且大多數(shù)按正態(tài)分布。因此，消除隨機誤差最為常用的方法是取多次測量結(jié)果的算術(shù)平均值。盡管如此，算術(shù)平均濾波方法需要連續(xù)采樣若干次后，才能進行運算而獲得一個有效的數(shù)據(jù)，因而速度較慢。當(dāng)系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)計算速度較高時，該方法便無法使用。為了克服這一缺點，本系統(tǒng)采用遞推平均濾波方法。

4 結(jié)束語

本文所開發(fā)和設(shè)計的配電變壓器運行狀態(tài)遠程監(jiān)控系統(tǒng)完全能滿足用戶對分散配變管理的需要，試運行情況良好，且施工安裝簡單，運行維護方便，由于采用GSM公共通訊傳輸機制，無需架設(shè)專用線路，綜合投資成本較低。數(shù)據(jù)傳送準(zhǔn)確。

[1] L.Cristaldi，A.Ferrero，S.Salicone.A Distributed System for Electric Power Quality Measurement[J] .IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2002，51 (4)：776-780.

[2] SIEMENS Co.AT.Commands for GSM engine TC 35[Z] .SIMENS CO.，2000.

[3] 李現(xiàn)勇.Visual C++串口通信技術(shù)與工程實踐 [M].北京：人民郵電出版社，2004.

[4] 國家標(biāo)準(zhǔn).電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度 [S](GS/T 15543-1995).

[5] 全國電壓電流等級和頻率標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會編.電壓電流頻率和電能質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用手冊 [M].北京：中國電力出版社，2001.

[6] 張力.Visual C++高級編程 [M].北京：人民郵電出版社，2002.

Remote Monitoring System Design of Distribution Transformer Operating Status Based on GSM

HE Siyuan，XU Zhi
(Yunnan Electric Power Research Institute，Yunnan Power Grid Co.Ltd.，Kunming 650217，China)

A new and efficient method by using GSM network in remote monitoring of Distribution Transformer(DT)operating status is proposed to aim at the problem of existing remote monitoring system wiring too much，too complicated，fault diagnosing and maintaining difficulty.The system hardware design based on 16 bit PIC18F458 chip and management software design with Visual C+ +6.0 and MySQL are discussed in detail.A real-time monitoring of parameters such as three-phase voltage，current，power factor and transformer temperature is finally realized.Experiments show that the system possesses accurate data gathering，strong ability of anti-interference，wide coverage，no region limitation and good operation performance.

distribution transformer；remote monitoring；GSM

TM421

B

1006-7345(2015)05-0077-03

2015-09-02

何思遠 (1989)，男，助理工程師，云南電力科學(xué)研究院，從事電力系統(tǒng)分析、繼電保護方面工作 (e-mail)358617956＠qq.com。

徐志 (1984)，男，碩士，工程師，云南電力科學(xué)研究院，從事電力系統(tǒng)電能質(zhì)量分析，無功補償方面工作。