基于互聯(lián)網(wǎng)+的低壓電流監(jiān)測系統(tǒng)的研究

丘雪嬌

（國網(wǎng)福建省電力有限公司龍巖供電公司，福建 龍巖 364000）

0 引言

電力供應(yīng)在現(xiàn)代生活中的作用舉足輕重，近年來，隨著城市化、新農(nóng)村、新城鎮(zhèn)建設(shè)的推進(jìn)，用電負(fù)荷及電網(wǎng)規(guī)模伴隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展而快速增長，各種各樣家用電器的普及和應(yīng)用，以及各工商業(yè)現(xiàn)場電機(jī)和線性電源的使用，造成低壓電網(wǎng)中的電壓、電流波形畸變、三相不平衡、功率因數(shù)低、線路線損大、末端電壓低、供電質(zhì)量差等情況日趨嚴(yán)重[1]。電力“污染”嚴(yán)重影響了低壓配電網(wǎng)的正常運(yùn)行和用電設(shè)備的穩(wěn)定[2]。如何采用先進(jìn)的技術(shù)手段，對低壓配電網(wǎng)進(jìn)行先進(jìn)科學(xué)的管理，提高供電服務(wù)水平，是各級供電企業(yè)面臨的一個(gè)重要課題。要想治理低壓配電線路的電能質(zhì)量問題，首先勢必需要掌握線路電能質(zhì)量問題的具體情況，包括出現(xiàn)問題的線路名稱、具體問題（三相不平衡[3]、低電壓或某相線路滿負(fù)荷）以及問題程度（輕微、需要注意或嚴(yán)重）[4]。然而，應(yīng)用傳統(tǒng)的電工儀表和控制電器，依靠人工對電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測、管理、人工計(jì)算與制作報(bào)表的模式顯然無法滿足實(shí)時(shí)掌握低壓配網(wǎng)線路情況的需求。

隨著電力行業(yè)綜合管理業(yè)務(wù)要求的不斷提高，利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測系統(tǒng)相結(jié)合構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)智能監(jiān)控系統(tǒng)成為配電網(wǎng)監(jiān)測的發(fā)展趨勢[5-7]。研究低壓電能質(zhì)量監(jiān)測平臺，采用信號采集裝置等設(shè)備對配電臺區(qū)及線路關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，利用GPRS通信技術(shù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程透明傳輸，配以低壓電能質(zhì)量監(jiān)測分析軟件，將采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲(chǔ)，當(dāng)發(fā)生故障或出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警并提供精確數(shù)據(jù)，協(xié)助運(yùn)維人員第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)并完成消缺。實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化、數(shù)字化的配網(wǎng)運(yùn)行管理模式，對配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義[8]。

1 系統(tǒng)建設(shè)思路

低壓電能質(zhì)量監(jiān)測平臺是基于現(xiàn)有成熟的配電自動(dòng)化系統(tǒng)和故障指示器在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行建設(shè)，在部署低壓配電在線監(jiān)測系統(tǒng)時(shí)，綜合實(shí)際需求，系統(tǒng)可靈活配置，可分片區(qū)的監(jiān)測低壓運(yùn)行情況，包括各監(jiān)測點(diǎn)的電流信息、各線路的負(fù)荷信息、各監(jiān)測點(diǎn)的電能質(zhì)量（電流不平衡度），為實(shí)現(xiàn)各片區(qū)低壓線路的經(jīng)濟(jì)、可靠運(yùn)行，提供直觀的數(shù)據(jù)。同時(shí)也為營配調(diào)業(yè)務(wù)應(yīng)用提供信息支持，如圖1。

圖1 低壓配電在線監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)構(gòu)思Fig.1 Construction idea of on-line monitoring system for low-voltage distribution

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

低壓配電在線監(jiān)測系統(tǒng)從總體結(jié)構(gòu)上，可分為以下五個(gè)層次：一次設(shè)備、監(jiān)控管理終端、通信體系、監(jiān)控主站以及上層應(yīng)用等，如圖2。

圖2 低壓配電在線監(jiān)測結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.2 Design of on-line monitoring structure of lowvoltage distribution

其中,終端層，主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、基本數(shù)據(jù)處理等功能；根據(jù)現(xiàn)場條件情況，也可選配高級數(shù)據(jù)通信、管理功能，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場分布式管理。如智能臺區(qū)管理、分布式FA功能。通信層，分現(xiàn)場通信及與監(jiān)控主站之間的通信兩個(gè)層次，現(xiàn)場通信可采用串行接口、現(xiàn)場總線、無線、載波等方式；與主站之間的通信可選擇EPON、中壓載波通信、無線公網(wǎng)通信等方式，通信方式的選擇根據(jù)業(yè)務(wù)需求及現(xiàn)場條件而定。

2.1 信號采集終端的設(shè)計(jì)

信號采集終端主要安裝于線路中關(guān)鍵點(diǎn)（如電纜分支箱、電力線路末端、大功率負(fù)荷接入點(diǎn)、用戶關(guān)注點(diǎn)等），用于監(jiān)測該點(diǎn)電流信號，通過GPRS遠(yuǎn)傳至服務(wù)器主站。信號采集終端采用開口式設(shè)計(jì)，可在不停電、不斷線的狀態(tài)下快速檢測線路電流大小，采集電參量，操作簡便。采用高導(dǎo)磁鎳鋼或硅鋼，線性度好、靈敏度高、穩(wěn)定性好。內(nèi)置SIM卡槽，支持GPRS通訊。具備微型通訊管理機(jī)，可配置接入系統(tǒng)設(shè)備規(guī)約。采用TCP/UDP透明數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪Ｊ?，支持多種工作模式。且具有智能防掉線功能，支持在線檢測，在線維持，掉線自動(dòng)重?fù)?，確保設(shè)備永遠(yuǎn)在線。

2.2 主站系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主站作為低整個(gè)低壓配電在線監(jiān)測系統(tǒng)的核心，主要對信號采集終端上送的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲(chǔ)，當(dāng)發(fā)生故障或出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)彈出詳細(xì)數(shù)據(jù)和報(bào)告，確保運(yùn)維人員第一時(shí)間掌握故障信息。

2.2.1 主站系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

基于互聯(lián)網(wǎng)+的低壓電流監(jiān)測系統(tǒng)的部署結(jié)構(gòu)如下圖：

圖3 低壓配電在線監(jiān)測系統(tǒng)部署圖Fig.3 Deployment diagram of on-line monitoring system for low-voltage distribution

低壓電能質(zhì)量監(jiān)測平臺主站由服務(wù)器群組和工作站兩大類組成。平臺采用C/S、B/S混合架構(gòu)，支持WEB瀏覽。

服務(wù)器群組包括通訊服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器和WEB服務(wù)器。服務(wù)器群組系統(tǒng)采用當(dāng)前流行的windows操作系統(tǒng)，安裝TRSCADA管理平臺，包括IOServer（通訊數(shù)據(jù)管理）、HisData（數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)）和ISDB（實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫）三大模塊。

服務(wù)器群組是Client/Server模式中的關(guān)鍵設(shè)備，是低壓電能質(zhì)量監(jiān)測平臺的數(shù)據(jù)核心，它的功能有：接受客戶端的服務(wù)請求；存放所有的數(shù)據(jù)，包括參數(shù)配置、告警信息、操作維護(hù)記錄、現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)等；響應(yīng)工作站的訪問，返回客戶端處理結(jié)果或中間數(shù)據(jù)；同時(shí)它還是系統(tǒng)的控制、維護(hù)、分析、統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)中心。

這種C/S架構(gòu)極大地提高了數(shù)據(jù)的并行處理能力，可滿足多個(gè)業(yè)務(wù)平臺或工作站的同時(shí)訪問需求，大大提高了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理效率，工作站的數(shù)量不像以往的系統(tǒng)一樣受到限制。比如，只要管理人員的辦公電腦與服務(wù)器群組處于同一個(gè)局域網(wǎng)，便可安裝低壓電能質(zhì)量監(jiān)測人機(jī)界面客戶端，實(shí)現(xiàn)對低壓電能質(zhì)量監(jiān)測的實(shí)時(shí)訪問能力。

與C/S架構(gòu)相對應(yīng)，低壓電能質(zhì)量監(jiān)測的WEB服務(wù)器采用B/S架構(gòu)，提供用戶的Internet瀏覽器訪問能力。使用瀏覽器訪問低壓電能質(zhì)量監(jiān)測平臺時(shí)，可以不安裝專用的低壓電能質(zhì)量監(jiān)測客戶端或插件，可以不受地理位置限制。

工作站是低壓電能質(zhì)量監(jiān)測的主要人機(jī)界面，根據(jù)現(xiàn)場需求可配置成操作員工作站、工程師工作站等。

操作員工作站用于集中顯示監(jiān)測設(shè)備的工作狀態(tài)及各類運(yùn)行信息，并可實(shí)時(shí)顯示各種告警信息，同時(shí)，用戶的各種操作都在該工作站上完成。用戶還可通過工作站進(jìn)行各類數(shù)據(jù)的查詢與統(tǒng)計(jì)；還用于進(jìn)行系統(tǒng)權(quán)限分配和管理，進(jìn)行人員、設(shè)備的管理，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、報(bào)表等管理工作，并通過打印機(jī)打印相應(yīng)的各類報(bào)表等資料。

工程師工作站用于系統(tǒng)參數(shù)的更改和配置。在權(quán)限許可時(shí)，它也可以充當(dāng)操作員工作站，完成相同的功能。

任何與服務(wù)器處于同一個(gè)局域網(wǎng)的辦公電腦均可通過網(wǎng)頁或者安裝客戶端軟件的方式接入到TRSCADA系統(tǒng)當(dāng)中，對具備權(quán)限的用戶，可對數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視與管理。

2.2.2 主站系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件按照平臺化、面向服務(wù)的思想搭建，如圖4。

圖4 低壓配電在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)Fig.4 Software structure of on-line monitoring system for low-voltage distribution

分布式實(shí)時(shí)處理平臺封裝屏蔽由于操作系統(tǒng)、硬件設(shè)備、數(shù)據(jù)庫的差異；并提供多種通用性的服務(wù)組件，使得上層應(yīng)用的設(shè)計(jì)相對獨(dú)立。

2.2.3 主站系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

（1）數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理的主要功能是接收從采集終端上傳或轉(zhuǎn)發(fā)過來的模擬量信息。進(jìn)行數(shù)值的合理性檢查，刪除不合理的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并對通道瞬間干擾或設(shè)備故障造成的數(shù)據(jù)突變能可靠濾除；同時(shí)可進(jìn)行多級限值檢查及變化速率檢查，更新實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。并具有各類數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的功能，包括不平衡統(tǒng)計(jì)、負(fù)荷統(tǒng)計(jì)、合格率統(tǒng)計(jì)等。

（2）事項(xiàng)與報(bào)警。系統(tǒng)接收處理各終端發(fā)送的SOE，形成事項(xiàng)描述，發(fā)布到整個(gè)分布式平臺，可支持事故推圖。對采集設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、現(xiàn)場電流數(shù)據(jù)的異常信息、操作人員的操作記錄等一切需要引起管理人員注意的事件均應(yīng)列入報(bào)警處理，如通信通道異常、三相電流越限、人工置數(shù)掛牌等。根據(jù)不同的需要，將報(bào)警分為不同的類型，提供畫面、音響、語音、圖形等多種報(bào)警方式。

（3）拓?fù)浞治龊凸收涎信小＞W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鲆卜Q“網(wǎng)絡(luò)接線分析”，是將網(wǎng)絡(luò)的物理模型（結(jié)點(diǎn)模型）轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型（母線模型）。本系統(tǒng)的拓?fù)浞治鍪菍㈤]合開關(guān)和連接在一起的導(dǎo)線結(jié)點(diǎn)集合化為拓?fù)涔?jié)點(diǎn)，在同一拓?fù)涔?jié)點(diǎn)內(nèi)的設(shè)備和導(dǎo)線是在同一物理點(diǎn)進(jìn)行連接，通過說拓?fù)潢P(guān)系可以反應(yīng)出電力系統(tǒng)各電力設(shè)備之間的連接關(guān)系和開關(guān)狀態(tài)，具有完善的邏輯分析能力。以網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鰹榛A(chǔ)，操作人員可對某一設(shè)備進(jìn)行電源點(diǎn)追蹤、供電范圍分析。當(dāng)電網(wǎng)的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)啟動(dòng)分析，并及時(shí)更新拓?fù)浣Y(jié)果。

由于電流具有流向，那么某個(gè)故障點(diǎn)發(fā)生故障，導(dǎo)致電流異常，那么該故障點(diǎn)和故障點(diǎn)上端的監(jiān)測點(diǎn)的電流都異常。根據(jù)此原理，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，即可判斷出故障位置，故障位置處于最下端的異常電流監(jiān)測點(diǎn)。

因此，當(dāng)?shù)蛪弘娋W(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，采集終端監(jiān)測到故障電流，形成故障信息報(bào)告，上報(bào)到主站系統(tǒng)，同時(shí)主站系統(tǒng)也收到多個(gè)采集終端上報(bào)的故障信息，經(jīng)過主站對故障的分析處理，根據(jù)一定時(shí)間段內(nèi)多個(gè)故障信息報(bào)告與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鼋Y(jié)合，對故障發(fā)生的位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

3 結(jié)論

低壓電能質(zhì)量監(jiān)測平臺采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測系統(tǒng)相結(jié)合的設(shè)計(jì)理念，配以主流的系統(tǒng)功能、健全的安全措施，為電力網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測打造一個(gè)方便、實(shí)用的平臺，讓運(yùn)維人員快速、安全、全面的了解和掌握轄區(qū)配電線路的狀態(tài)，為配電線路優(yōu)化及治理提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，縮短低壓線路故障研判時(shí)間，提高低壓電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。