基于地理信息系統(tǒng)的低壓配電用戶安全預(yù)警系統(tǒng)

(貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司 凱里雷山供電局，貴州 雷山 557100)

0 引言

在我國(guó)偏遠(yuǎn)地區(qū)，進(jìn)入原生態(tài)民族文化旅游景區(qū)的旅游人數(shù)不斷增加，導(dǎo)致景區(qū)內(nèi)食宿與文娛行業(yè)所使用空調(diào)、熱水器、電磁爐等大功率電器暴增，嚴(yán)重超出報(bào)裝容量，超出配網(wǎng)建設(shè)預(yù)期估算。每當(dāng)旅游高峰期都會(huì)造成嚴(yán)重超負(fù)荷運(yùn)行，導(dǎo)致配電變壓器和低壓電纜故障，而原生態(tài)民族文化旅游景區(qū)多以木質(zhì)結(jié)構(gòu)為主，用戶用電線路承載能力弱，客戶用電超報(bào)裝功率易引起家用線路過(guò)熱短路，成為引發(fā)火災(zāi)的隱患[1-3]。

當(dāng)前，低壓配網(wǎng)缺少對(duì)低壓用戶安全保障和負(fù)荷分配遙控調(diào)節(jié)的有效手段，無(wú)法從源頭上遏制用戶用電不當(dāng)發(fā)生的災(zāi)害。此外，旅游景區(qū)內(nèi)的低壓配電網(wǎng)規(guī)模較大且地理位置錯(cuò)綜復(fù)雜，低壓配電設(shè)備數(shù)量和種類較多，采集設(shè)備相關(guān)溫度和負(fù)荷的數(shù)據(jù)量較大，無(wú)法及時(shí)分析處理火災(zāi)隱患[4-6]。因此，本文研制了一種基于地理信息系統(tǒng)的低壓配電用戶安全預(yù)警系統(tǒng)，利用地理信息系統(tǒng)可以集成高效獲取、存儲(chǔ)、更新、操作、分析及顯示數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)低壓表區(qū)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、電力參數(shù)、關(guān)鍵點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行分析和處理。該系統(tǒng)可以較好的適應(yīng)旅游景區(qū)低壓配電設(shè)備復(fù)雜的特點(diǎn)，提高低壓配電網(wǎng)的可視化管理和信息化水平，及時(shí)對(duì)低壓配電用戶的用電安全隱患進(jìn)行預(yù)警。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 地理信息系統(tǒng)

地理信息系統(tǒng)是通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)來(lái)獲取、輸入、編輯、查詢、分析、決策和顯示空間圖形及其屬性數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[7]。地理信息系統(tǒng)的將地理信息及其它系統(tǒng)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)化和可視化，可以更加方便快捷的進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的顯示及分析處理[8]。根據(jù)地理信息系統(tǒng)可以將地理位置信息與電氣相關(guān)參數(shù)結(jié)合在一起的功能特點(diǎn)，將其運(yùn)用于低壓配電用戶管理中，方便市縣級(jí)電力公司在低壓配電網(wǎng)管理。地理信息系統(tǒng)可視化分析管理的優(yōu)點(diǎn)有助于復(fù)雜環(huán)境下低壓配電網(wǎng)的綜合管理，提高了低壓配網(wǎng)的信息化水平。

地理信息系統(tǒng)采用C/S(客戶機(jī)/服務(wù)器)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)構(gòu)架，通過(guò)空間數(shù)據(jù)庫(kù)SQL Server存儲(chǔ)各類相關(guān)信息數(shù)據(jù)，可以對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽、編輯、查詢、輸出、建模和分析，該系統(tǒng)中地理信息系統(tǒng)功能邏輯關(guān)系圖如圖1所示[9]。

圖1 地理信息系統(tǒng)功能邏輯關(guān)系

在低壓配電用戶的應(yīng)用中，地理信息系統(tǒng)的主要功能有以下幾點(diǎn)：

1)數(shù)據(jù)采集功能。系統(tǒng)將采集到的各類電氣數(shù)據(jù)、地理數(shù)據(jù)及其他相關(guān)空間數(shù)據(jù)的屬性參數(shù)錄入至數(shù)據(jù)庫(kù)。

2)數(shù)據(jù)修改功能。由于在采集數(shù)據(jù)時(shí)可能會(huì)由于操作錯(cuò)誤和空間信息變動(dòng)導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。在低壓配電用戶的地理信息系統(tǒng)中設(shè)置圖形編輯功能，可以直接在界面上對(duì)各類電氣數(shù)據(jù)、地理數(shù)據(jù)及其他相關(guān)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行修改編輯。

3)數(shù)據(jù)分析功能，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)的功能，并將分析結(jié)果直觀的顯示出來(lái)。

1.2 低壓配電網(wǎng)

旅游景區(qū)的低壓配電網(wǎng)具有輻射狀線路、配電線路多、供電半徑小、配電設(shè)備復(fù)雜、相關(guān)數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)。根據(jù)以上特點(diǎn)，本文擬在地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建低壓配電網(wǎng)模塊。從配電變壓器開(kāi)始，完成低壓配電網(wǎng)的建模、設(shè)備與低壓線路的數(shù)據(jù)初始化，最終形成完整的低壓配電網(wǎng)模型。

因此，在地里信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)一般具有以下功能：(1)可以及時(shí)采集用戶側(cè)的信息及相應(yīng)的變化情況；(2)可以根據(jù)低壓配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)拓?fù)鋱D，對(duì)低壓配電設(shè)備及線路的性能和運(yùn)行情況進(jìn)行管理、查詢；(3)可以報(bào)表或文本的形式輸出各類信息。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

2.1 整體方案原則

本文的主要目的是研發(fā)一套基于地理信息系統(tǒng)的低壓配網(wǎng)用戶電氣量監(jiān)測(cè)及控制裝置，將多點(diǎn)采集的終端數(shù)據(jù)集中匯總后通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控中心，同時(shí)可由監(jiān)控中心下發(fā)控制指令，調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)狀態(tài)。該系統(tǒng)目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)電氣量、開(kāi)關(guān)量及溫度數(shù)據(jù)的可視化、智能化采集和遠(yuǎn)動(dòng)控制，并最終可以解決以下問(wèn)題：

1)解決低壓表區(qū)開(kāi)關(guān)狀態(tài)無(wú)法遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制的問(wèn)題；

2)解決低壓表區(qū)電力參數(shù)無(wú)法監(jiān)測(cè)的問(wèn)題；

3)解決低壓表區(qū)關(guān)鍵點(diǎn)溫度無(wú)法監(jiān)測(cè)問(wèn)題；

4)解決實(shí)現(xiàn)表區(qū)用戶是否失電無(wú)法監(jiān)測(cè)的問(wèn)題；

5)通過(guò)溫度監(jiān)測(cè)，研究基于溫度值或溫升速度自動(dòng)跳閘，防止表區(qū)發(fā)生火災(zāi)或超溫引起的事故。

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要基于結(jié)構(gòu)化和模塊化的原則，可以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作。該系統(tǒng)被分為若干個(gè)功能模塊，并通過(guò)軟件接口將這些獨(dú)立的功能模塊連接。系統(tǒng)的控制主程序的流程圖如圖2所示，可以實(shí)現(xiàn)所需數(shù)據(jù)檢測(cè)、關(guān)鍵參數(shù)與觸發(fā)值設(shè)定、數(shù)據(jù)計(jì)算、安全隱患、屏幕顯示、故障位置定位、數(shù)據(jù)通信等功能。在計(jì)算溫度值時(shí)，系統(tǒng)需要考慮到溫度傳感器周圍當(dāng)日環(huán)境溫度，從而決定是否發(fā)出報(bào)警。

2.2 保護(hù)控制器設(shè)計(jì)

本文針對(duì)低壓配電用戶表區(qū)研發(fā)的低壓配電用戶保護(hù)控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)一臺(tái)裝置多回路電氣量數(shù)據(jù)收集及遙控指令輸出，實(shí)現(xiàn)故障及火災(zāi)預(yù)警，在重過(guò)載時(shí)能夠按照預(yù)先設(shè)定的負(fù)荷控制策略進(jìn)行人工或自動(dòng)負(fù)荷控制，即使消除火災(zāi)隱患。基于地理信息系統(tǒng)的特點(diǎn)，采集到的各類信息參數(shù)可以可視化的展現(xiàn)在系統(tǒng)中，并可以直接在系統(tǒng)中對(duì)智能斷路器進(jìn)行控制。

本文設(shè)計(jì)的保護(hù)控制器結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，主要有以下功能特點(diǎn)。

圖3 保護(hù)控制器結(jié)構(gòu)

2.2.1 測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)采集功能

本文設(shè)計(jì)的保護(hù)控制器對(duì)表區(qū)和臺(tái)區(qū)總開(kāi)關(guān)進(jìn)出線及中性線進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，均設(shè)置7點(diǎn)測(cè)溫；對(duì)戶表出線側(cè)火線進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，具體點(diǎn)數(shù)與電表數(shù)相同。在低壓設(shè)備監(jiān)測(cè)位置安裝熱敏電阻傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量。

2.2.2 保護(hù)功能

本文設(shè)計(jì)的保護(hù)控制器對(duì)表區(qū)實(shí)現(xiàn)超溫、過(guò)流、過(guò)壓自動(dòng)跳閘，超溫報(bào)警需研究多種模式，包括絕對(duì)溫度報(bào)警、溫升變化率報(bào)警、相間對(duì)比溫差報(bào)警，預(yù)留設(shè)置功能，具體報(bào)警值可根據(jù)用戶需求設(shè)置。保護(hù)控制器采用16位數(shù)字信號(hào)控制器DSPIC30F6011A作為核心控制，可以實(shí)現(xiàn)多通道電參數(shù)高速準(zhǔn)確檢測(cè)和實(shí)時(shí)多重保護(hù)控制等功能。

2.2.3 電氣量采集功能

本文設(shè)計(jì)的保護(hù)控制器實(shí)現(xiàn)表區(qū)總進(jìn)線電流、電壓、諧波采集功能，同時(shí)采集表區(qū)電表出線側(cè)電流，帶電狀態(tài)信息，具體內(nèi)容如表1所示。

表1 電氣量采集種類

2.2.4 遠(yuǎn)傳功能

低壓用戶保障控制器需具備RS485、WIFI、4G、載波通訊功能。表區(qū)數(shù)據(jù)及開(kāi)關(guān)狀態(tài)通過(guò)寬帶載波或4G信號(hào)遠(yuǎn)傳至臺(tái)區(qū)，再經(jīng)4G信號(hào)傳送至控制中心，同時(shí)控制中心可通過(guò)4G信號(hào)下發(fā)控制指令，遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)分合閘。

2.2.5 備用電源功能

低壓用戶保障控制器整體裝置需提供后備操作電源，當(dāng)臺(tái)區(qū)斷電后，可至少保障操作斷路器動(dòng)作分合1次及24小時(shí)待機(jī)要求。

2.2.6 錄波功能

低壓用戶保障控制器具備錄波功能，可以實(shí)現(xiàn)電流、電壓波形記錄，并將波形存儲(chǔ)在系統(tǒng)中，方便后續(xù)調(diào)用。系統(tǒng)的采樣間隔為0.1 ms，即在一個(gè)工頻周期內(nèi)有200個(gè)采樣點(diǎn)。系統(tǒng)檢測(cè)帶寬為1 MHz，可以有效的檢測(cè)到各類諧波信號(hào)。

2.2.7 就地存儲(chǔ)功能。

低壓用戶保障控制器具備就地存儲(chǔ)功能，可保存波形數(shù)據(jù)。一般正常的電流、電壓波形會(huì)存儲(chǔ)48小時(shí)，故障電流、電壓波形會(huì)一直存儲(chǔ)在系統(tǒng)中，便于后續(xù)的故障分析。

2.2.8 地理位置信息

采集傳感器監(jiān)測(cè)點(diǎn)與斷路器的位置信息，并發(fā)送至基于地理信息系統(tǒng)的低壓配電用戶安全預(yù)警系統(tǒng)中。便于后續(xù)在系統(tǒng)中查找故障點(diǎn)位置及進(jìn)行及時(shí)故障處理。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的低壓配電用戶安全預(yù)警系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖4所示，系統(tǒng)通過(guò)對(duì)表區(qū)進(jìn)線負(fù)荷、溫度監(jiān)測(cè)，采集各類運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合分析評(píng)估，預(yù)防火災(zāi)等各類事故的發(fā)生，保障用戶用電安全。

圖4 安全預(yù)警系統(tǒng)總體架構(gòu)

在系統(tǒng)中，復(fù)合型傳感器將表區(qū)出線溫度、帶電狀態(tài)、電流信息傳入低壓保護(hù)控制器；無(wú)源無(wú)線測(cè)溫傳感器通過(guò)無(wú)線將表區(qū)總開(kāi)關(guān)溫度、電流數(shù)據(jù)傳入低壓保護(hù)控制器；斷路器通過(guò)RS-485通訊接口將低壓用戶信息接入低壓用戶故障控制器；低壓用戶保障控制器集成4G/載波/WIFI模塊，通過(guò)載波將低壓用戶信息傳輸?shù)脚_(tái)區(qū)并通過(guò)臺(tái)區(qū)的低壓保護(hù)控制器將數(shù)據(jù)發(fā)送至系統(tǒng)后臺(tái)，進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)顯示，統(tǒng)計(jì)和分析。

該系統(tǒng)基于地理背景基礎(chǔ)上的臺(tái)區(qū)監(jiān)視，在地理背景信息上實(shí)時(shí)監(jiān)視全部臺(tái)區(qū)的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)顏色區(qū)分正常與報(bào)警站點(diǎn)，并以畫面、音響等多種報(bào)警手段，向管理人員提供站端設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)異常信息的實(shí)時(shí)告警，并通知疑似故障點(diǎn)位置。此外，該系統(tǒng)可以對(duì)低壓配網(wǎng)用戶的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視，通過(guò)點(diǎn)擊臺(tái)區(qū)標(biāo)志，可進(jìn)入當(dāng)前臺(tái)區(qū)一次系統(tǒng)圖，一次圖顯示當(dāng)前臺(tái)區(qū)運(yùn)行狀態(tài)，如圖5所示。在該系統(tǒng)中，表區(qū)和臺(tái)區(qū)可以顯示如表2中所示的參數(shù)內(nèi)容。

圖5 臺(tái)區(qū)運(yùn)行狀態(tài)界面

基于系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制功能，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了臺(tái)區(qū)與表區(qū)總開(kāi)關(guān)遠(yuǎn)程控制功能，通過(guò)對(duì)總進(jìn)線開(kāi)關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)程分閘、合閘操作。此外，系統(tǒng)通過(guò)采集問(wèn)數(shù)據(jù)，同時(shí)分析低壓用戶表區(qū)負(fù)荷情況，判斷低壓配電用戶是否具有火災(zāi)隱患并提前發(fā)出預(yù)警。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 模擬實(shí)驗(yàn)

3.1.1 電流值測(cè)量

為驗(yàn)證本系統(tǒng)實(shí)際情況下檢測(cè)電流的精度，本文在不同幅值電流情況下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

表3 電流值測(cè)量對(duì)比

測(cè)量結(jié)果表明，在測(cè)量范圍之內(nèi)，電流測(cè)量誤差均小于5%，滿足系統(tǒng)測(cè)量誤差要求。當(dāng)電流變大時(shí)誤差也隨之增大，這是由于大電流時(shí)電流互感器的非線性特性及取樣電阻發(fā)熱引起阻值的變化引起的。

3.1.2 電壓值測(cè)量

為驗(yàn)證本系統(tǒng)實(shí)際情況下檢測(cè)電流的精度，本文在不同等級(jí)電壓情況下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

表4 電壓值測(cè)量對(duì)比

測(cè)量結(jié)果表明，在測(cè)量范圍之內(nèi)，電壓測(cè)量誤差均小于1%，滿足系統(tǒng)測(cè)量誤差要求。

3.1.3 溫度值測(cè)量

為驗(yàn)證本系統(tǒng)實(shí)際情況下檢測(cè)電流的精度，本文在不同幅值溫度情況下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，采用高溫電阻絲進(jìn)行模擬導(dǎo)線加熱，采用紅外測(cè)溫儀進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，結(jié)果如表5所示。

表5 溫度值測(cè)量對(duì)比

測(cè)量結(jié)果表明，在測(cè)量范圍之內(nèi)，溫度測(cè)量誤差均小于5%，出現(xiàn)誤差的主要原因是周圍環(huán)境溫度越高，產(chǎn)生附加輻射影響較大，導(dǎo)致系統(tǒng)測(cè)量與紅外測(cè)量溫度的誤差也越大。

3.1.4 動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間測(cè)量

當(dāng)由于溫度過(guò)高導(dǎo)致低壓配電系統(tǒng)中設(shè)備絕緣受損，出現(xiàn)電壓擊穿導(dǎo)致短路故障時(shí)，線路會(huì)出現(xiàn)幅值較高的短路電流。此時(shí)需要斷路器盡快拉開(kāi)，從而降低設(shè)備損失和保障人員安全。在本系統(tǒng)中，低壓保護(hù)控制器的動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間主要包括：系統(tǒng)判斷發(fā)生短路故障至發(fā)出指令的時(shí)間、斷路器機(jī)械部分動(dòng)作時(shí)間和電弧熄滅的時(shí)間。本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的采樣間隔為0.1 ms，即在一個(gè)工頻周期內(nèi)有200個(gè)采樣點(diǎn)。為了檢驗(yàn)系低壓保護(hù)控制器的動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間，本文進(jìn)行了瞬動(dòng)實(shí)驗(yàn)，施加瞬動(dòng)整定電流值為線路額定電流的2倍，結(jié)果如表6所示。

表6 瞬動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)發(fā)生短路故障，線路中出現(xiàn)較大短路電流時(shí)時(shí)，低壓保護(hù)控制器從判斷是否發(fā)生故障到斷路器拉開(kāi)的時(shí)間小于6 ms，滿足系統(tǒng)動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間要求。

3.2 實(shí)際測(cè)試

本文設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)在試運(yùn)行期間對(duì)某旅游景區(qū)中某表區(qū)的表區(qū)總開(kāi)關(guān)電流和總進(jìn)線開(kāi)關(guān)進(jìn)線側(cè)溫度(A相)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲得如圖6所示的24小時(shí)數(shù)值變化曲線。從曲線變化可以看出，當(dāng)游客回到住宿地點(diǎn)進(jìn)行洗浴、吃飯和娛樂(lè)等活動(dòng)時(shí)，所需電力負(fù)荷增加，表區(qū)總開(kāi)關(guān)電流和總進(jìn)線開(kāi)關(guān)進(jìn)線側(cè)溫度(A相)會(huì)升高。此外，溫度變化趨勢(shì)與電流變化趨勢(shì)有所區(qū)別的主要原因是周圍環(huán)境溫度變化帶來(lái)的影響。當(dāng)電流和溫度高于系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)生報(bào)警，并控制低壓保護(hù)控制器進(jìn)行遠(yuǎn)程開(kāi)斷操作。

圖6 表區(qū)總開(kāi)關(guān)電流和中性線溫度變化

4 總結(jié)

本文基于地理信息系統(tǒng)研制了一套低壓配電用戶安全預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對(duì)各低壓配電用戶電氣量、開(kāi)關(guān)量及溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并將用戶的地理位置和對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)顯示在系統(tǒng)中。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷各低壓配電用戶是否具有火災(zāi)隱患，并及時(shí)發(fā)出報(bào)警。此外，該系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程控制保護(hù)控制器中的智能開(kāi)關(guān)，進(jìn)行遠(yuǎn)程分閘操作，排除火災(zāi)隱患。