偏遠山區(qū)真空開關(guān)狀態(tài)的遠程監(jiān)控

蔣冰華　楊　雨　梅慧敏　何博雅

(1. 三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院， 湖北 宜昌　443002； 2. 國網(wǎng)浙江省電力公司 文成縣供電公司，浙江 文成325300；3. 三峽大學(xué) 國際文化交流學(xué)院， 湖北 宜昌　443002)

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偏遠山區(qū)真空開關(guān)狀態(tài)的遠程監(jiān)控

蔣冰華1楊雨1梅慧敏2何博雅3

(1. 三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院， 湖北 宜昌443002； 2. 國網(wǎng)浙江省電力公司 文成縣供電公司，浙江 文成325300；3. 三峽大學(xué) 國際文化交流學(xué)院， 湖北 宜昌443002)

摘要：農(nóng)村配電網(wǎng)的真空開關(guān)運行時容易發(fā)生短路故障、單相接地等故障，使得在電力系統(tǒng)運行過程中存在諸多不安全隱患．故此，本文在分析偏遠山區(qū)真空開關(guān)的工作環(huán)境和工作特點的基礎(chǔ)上，給出一種智能控制器的設(shè)計方案和操作流程．該控制器以帶有電流互感器的STM32控制芯片為核心，利用GSM網(wǎng)絡(luò)資源為無線傳輸方式．通過在原有10 kV線路的真空開關(guān)上安裝這種控制器，實現(xiàn)對真空開關(guān)狀態(tài)的遠程監(jiān)控，從而達到實時性、可靠性、安全性的目的，進而推動偏遠山區(qū)農(nóng)網(wǎng)向智能化發(fā)展．

關(guān)鍵詞：智能控制器；真空開關(guān)；遠程監(jiān)控；農(nóng)村配電網(wǎng)

農(nóng)村配電網(wǎng)受其自身線路復(fù)雜、設(shè)備陳舊及周圍環(huán)境復(fù)雜等因素的影響，智能配電網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)村電網(wǎng)中還沒有得到很好應(yīng)用．本文針對當前農(nóng)網(wǎng)真空開關(guān)的現(xiàn)狀設(shè)計出一種智能裝置，該裝置采用配有電流傳感器的STM32控制器并利用GSM網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)在特定條件下對偏遠山區(qū)真空開關(guān)狀態(tài)的遠程監(jiān)控，從而達到縮短搶修時間和提高供電可靠性的目的．

1偏遠山區(qū)真空開關(guān)可靠性分析

1.1工作環(huán)境特點

目前，農(nóng)村配電網(wǎng)普遍存在的現(xiàn)象是：10 kV配電線路分布廣泛，供電半徑大，分支多，往往一條配電線路上安裝多臺真空開關(guān)，且大多數(shù)開關(guān)安裝在偏遠的山里．由于山區(qū)夏季雷雨天氣較多，冬季有冰雪天氣；易受雷擊、樹木倒伏、鳥害等因素的影響，造成線路上真空開關(guān)的頻繁跳閘．特別是在臺風(fēng)這樣惡劣的天氣里，同一時間段內(nèi)多個故障點開關(guān)同時跳閘，就會使搶修矛盾更加突出，大大延長了送電時間，嚴重影響供電可靠性．表1為國網(wǎng)浙江文成縣供電公司10 kV線路上開關(guān)動作次數(shù)、判定開關(guān)動作的時間情況調(diào)查．

表1　10 kV線路上開關(guān)動作次數(shù)、判定開關(guān)動作時間情況調(diào)查

1.2真空開關(guān)的功能

目前在農(nóng)網(wǎng)10 kV線路上普遍使用ZW8-12型和ZW32型兩種真空開關(guān)，這兩種開關(guān)均可開、斷線路負荷電流、過載電流及短路電流．同時可以加裝避雷器和配裝涌流控制器，使其具有躲涌流和過流速斷的功能，且其操動機構(gòu)為彈簧儲能操動機構(gòu)，這些自帶的功能為本文在線路原開關(guān)上加裝智能控制器為實現(xiàn)遠程操作提供了可行性．

將線路上A、B相的電流、零序電流、蓄電池電壓、主控芯片溫度、控制箱內(nèi)濕度等作為控制器的電氣輸入?yún)?shù)．當10 kV線路發(fā)生短路故障、單相接地等故障時，控制器根據(jù)參數(shù)的變化對線路上的真空開關(guān)進行狀態(tài)監(jiān)測診斷，通過GSM網(wǎng)絡(luò)將電氣量值、開合狀態(tài)發(fā)送給智能控制器，控制器向開關(guān)發(fā)送跳閘、閉鎖信號，從而實現(xiàn)遠程控制和故障的自動隔離[1]．

2智能控制器的設(shè)計方案

為達到高速率、高精度、高穩(wěn)定的采集和控制的目的，結(jié)合成熟的移動通信技術(shù)和單片機數(shù)據(jù)采集技術(shù)，實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的智能化和網(wǎng)絡(luò)化．本設(shè)計以ZW32型真空開關(guān)為基礎(chǔ)，采用STM32做數(shù)據(jù)采集處理核心，并用TC35i為GSM通信模塊并為其配備一個獨立的SIM卡，將ES500電流傳感器作為信號發(fā)生器，以ZIF為SIM卡和TC35i的接口連接器[2-3]．而且電源與主控芯片、通信模塊之間均采用DCDC隔離供電；而各傳感器與主控芯片、通信模塊均采用光耦或磁耦進行隔離．同時為了適應(yīng)不同環(huán)境設(shè)計了3種供電電源(市電、太陽能、壓變)．

圖1　智能控制器的方案圖

2.1硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1.1電量采集

由于在ZW32型真空開關(guān)上可加裝2～3個測量或計量互感器，可為其配上ES500電流傳感器和DS18b20溫度傳感器，用來實現(xiàn)對真空開關(guān)狀態(tài)的檢測和控制自動斷開斷路器．同時為了防止受到雷電、靜電等其它外來電壓對通訊芯片及主控芯片造成損壞，在控制器中增加了熱敏電阻，瞬態(tài)抑制雙向二極管、光電耦合器等．

2.1.2數(shù)據(jù)處理

主控制器的處理器單元選用STM32F103C8T6芯片，它是32位基于ARM核心的帶64或128K字節(jié)閃存的微控制器，內(nèi)置高速存儲器和實時時鐘，RTC是一個獨立的定時器，該模塊擁有一組連續(xù)計數(shù)的計數(shù)器，且支持掉電保護．包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器和1個PWM定時器，多達2個I2C接口和SPI接口、3個USART接口、一個USB接口和一個CAN接口．

使用STM32自帶的12位的ADC模塊采集外部的輸入電流信號進行處理，并用自帶的USART來與GSM模塊進行通信，實現(xiàn)與用戶的交互控制[4]．

2.1.3GSM模塊

當今社會，手機是人們?nèi)粘Ｉ顪贤ū夭豢缮俚姆绞街?，移動通訊基站也已基本覆蓋各個地方，且傳輸特性好．如果采用專門的通信傳輸線路來對電力設(shè)備進行實時監(jiān)控，則需重新建立大量的光纖通信線路，這不僅僅大大增加了建設(shè)成本，而且還使現(xiàn)有設(shè)備更加復(fù)雜化．本文利用現(xiàn)有移動通訊基站，即GSM網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以RS-485線為通訊線，并在控制器中增加轉(zhuǎn)換芯片用以控制和連接SIM卡，并以短信的方式將信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆O(shè)備組人和相關(guān)人員手中(和命令傳送到控制器)．

控制器中遠程控制部分的通信核心采用西門子公司的TC35I模塊，它可以支持雙頻且使用的是標準的AT指令集．通過給TC35I發(fā)送相應(yīng)的AT指令，使其處于數(shù)據(jù)、語音、短消息或傳真模式．TC35I模塊的數(shù)據(jù)輸入、輸出接口是一個串行異步收發(fā)器，且TC35I模塊的短信功能支持TEXT和PDU兩種模式．針對SIM卡與TC35I的連接，TC35I使用外接式SIM卡，24-29為SIM卡引腳，SIM卡的CCRST、CCIO、CCCL、CCVC、CCGND通過SIM卡閱讀器與TC35I的同名端直接相連即可．利用TC35I與STM32結(jié)合控制，用STM32自帶的USART向TC35I發(fā)送字符，模擬AT指令，以此來操作TC35I，實現(xiàn)一體機與用戶之間的通信[5]．

圖2　控制器的通信

2.2手機軟件系統(tǒng)設(shè)計

短信接口采用封裝使用AT指令通過串口控制GSM模塊，它可以實現(xiàn)發(fā)送、接收短信等功能，借助VC++開發(fā)短信操作接口令，包括端口號、波特率、奇偶校驗標志、數(shù)據(jù)位、手機終端號碼、短信內(nèi)容等多個類，同時利用Windows API函數(shù)進行串口操作，封裝為DDL方便集成到短信服務(wù)程序中[6]．圖3為相關(guān)人員接收到的手機短信內(nèi)容．

圖3　手機界面顯示

3操作流程

當開關(guān)跳閘時，電流傳感器將跳閘信號發(fā)送到主控芯片，主控芯片監(jiān)測有無過流傳感器的觸發(fā)信號．如有則向設(shè)備主人及相關(guān)人員發(fā)送過流跳閘短信；若無則發(fā)送非過流跳閘短信．

當相關(guān)人員向智能控制器發(fā)送查詢命令時，智能控制器會向相關(guān)人員返回：10 kV線路的A相和B相電流、零序電流；蓄電池電壓、主控芯片溫度、控制箱內(nèi)濕度；開關(guān)的分合閘狀態(tài)等信息．

設(shè)備主人發(fā)起操作的命令后，智能控制器接收到指令后并不會馬上執(zhí)行，而是向更高權(quán)限的人員發(fā)去請求授權(quán)的短信，在得到授權(quán)后將會執(zhí)行設(shè)備主人發(fā)出的命令．否則取消命令，而更高權(quán)限人員也不能單獨發(fā)送操作命令，這樣互相鉗制和監(jiān)督保證操作命令的準確，防止誤操作．

相關(guān)人員所發(fā)送的指令須符合約定的標準，如不符合控制器會返回"錯誤指令，請檢查后重新發(fā)送"短信．無關(guān)人員發(fā)送的短信會當成垃圾短信刪除．(相關(guān)人員是指存在智能控制器里的各級權(quán)限人員,只有得有相應(yīng)的安全認證后，開關(guān)才會執(zhí)行相關(guān)動作)．

圖4　操作流程圖

4實驗結(jié)果分析

本控制器的原型，針對國網(wǎng)浙江省電力公司文成縣供電公司10 kV線路上真空開關(guān)狀態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)見表2．通過對表2、圖5中的數(shù)據(jù)比較，可以得到在開關(guān)動作之后能迅速判斷出開關(guān)的位置，且動作告知平均時間從原來最長的平均時間135 min減少到十幾秒，操作完成的平均時間也從原來最長的395 s減少到八十幾秒，這大大縮短了判斷時間和搶修時間．

表2　改進后真空開關(guān)現(xiàn)場試驗結(jié)果

圖5　改造前后開關(guān)動作的平均告知時間和操作完成平均時間比較

5結(jié)語

在農(nóng)網(wǎng)10 kV配電線路的真空開關(guān)上安裝智能控制器，通過手機觸屏的方式實現(xiàn)了對開關(guān)狀態(tài)的遠程監(jiān)控，是一種解決單相接地故障可靠便捷的手段，能迅速隔離故障點，縮小停電范圍，節(jié)約搶修人員的搶修時間，在最大的時間內(nèi)恢復(fù)送電，提高供電可靠性，確保電網(wǎng)安全運行，達到實時性、可靠性、安全性、經(jīng)濟性的目的，同時降低搶修人員在搶修過程中的意外傷害，確保人身安全和電氣設(shè)備安全，從而推動農(nóng)村配電網(wǎng)的智能化發(fā)展．該裝置簡單的操作流程，良好的人機界面，為控制器的投入運行提供有力保障．

參考文獻：

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[6]王海波．王海波．一種基于TC35i的短信平臺設(shè)計[J]．煤炭技術(shù)，2011，30(1)：148-150．

[責(zé)任編輯張莉]

收稿日期：2015-10-13

基金項目：三峽大學(xué)科研啟動基金(1113081)

通信作者：蔣冰華(1961-)，男，教授，研究生導(dǎo)師，主要研究主向為控制理論與控制工程．E-mail：13307208556@168.cn

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.02.012

中圖分類號：TM764

文獻標識碼：A

文章編號：1672-948X(2016)02-0051-04

Long-distance Monitor and Control for Status of Vacuum Switch in Remote Areas

Jiang Binghua1Yang Yu1Mei Huimin2He Boya3

(1. College of Electrical Engineering & Renewable Energry, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China; 2. Wencheng Electric Company of State Grid Zhejiang Electric Power Company, Wencheng 325300, China; 3. College of International Communications, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

AbstractThe vacuum switch running in the rural distribution network is likely to occur faults, such as short-current fault, single-phase grounding, etc., which make the operation of power system have a lot of unsafe factors. Therefore, this paper gives a smart controller design and operating procedures based on analyzing the remote areas vacuum switch's working environment and working features. This equipment takes the STM32 control chip with current transformer as the core, and uses the GSM network as the wireless transmission mode. By setting this smart controller for original 10kV lines in remote area, the long-distance monitor and control for the status of switch is achieved. Meanwhile, the purposes of real-time, reliability and security are realized, so as to promote the remote rural grid to intelligent development.

Keywordssmart controller;vacuum switch;remote monitor and control;rural distribution network