基于GPRS的配電網(wǎng)自動(dòng)化系統的研究

　　摘 要：本文對配電網(wǎng)一體化的綜合自動(dòng)化系統做了研究，并提出了整體方案。該系統克服了現有自動(dòng)化系統平臺不一致，功能單一，各系統間很難實(shí)現互聯(lián)和信息共享，造成重復建設、信息資源浪費的現象。將現有分散的、單一功能的系統集成綜合的、信息共享的一體化系統。

　　關(guān)鍵詞：調度自動(dòng)化;一體化;可靠性;配電自動(dòng)化

　　前言

　　配電自動(dòng)化系統是利用現代電子技術(shù)、通信技術(shù)、計算機及網(wǎng)絡(luò )技術(shù)于一體，實(shí)現對配電網(wǎng)實(shí)時(shí)監測、保護、控制、用電及配電管理的智能系統。配電自動(dòng)化有利于保證配網(wǎng)安全運行，監視配網(wǎng)運行狀態(tài)，優(yōu)化配網(wǎng)運行方式。它能明顯的縮短故障停電時(shí)間，減少故障停電范圍。避免高峰低谷、電壓幅值等對用戶(hù)產(chǎn)生不良影響;并且通過(guò)合理控制分配用電負荷，有利于提高配網(wǎng)設備利用率;采用遠程抄表，提高工作效率，減輕員工勞動(dòng)強度;利于提高管理現代化水平和服務(wù)質(zhì)量，并可為客戶(hù)提供用電信息服務(wù)[1]。

　　國外的配電自動(dòng)化已經(jīng)形成了集變電所自動(dòng)化、饋線(xiàn)分段開(kāi)關(guān)監控、電容器組調節控制、用戶(hù)負荷控制和遠程抄表等系統于一體的配電網(wǎng)管理系統。我國配電自動(dòng)化起步晚，但隨著(zhù)輸電網(wǎng)自動(dòng)化程度的提高，國家在配電上的資金投入也開(kāi)始增加，實(shí)現一體化的配電自動(dòng)化系統已成為研究熱點(diǎn)。

　　本文在此基礎上提出一種基于GPRS的配電自動(dòng)化系統。系統采用以Internet TCP/IP標準協(xié)議的雙以太網(wǎng)結構，由配電主站，子站和終端三大部分組成。通過(guò)變電所的FTU(遠方終端)將各種運行電氣參數和狀態(tài)信息采集到調度中心，由調度人員從調度中心發(fā)送控制和調整命令到變電所FTU，來(lái)調整電壓和控制設備的投切。

　　一、配電自動(dòng)化主站部分

　　1.1 主站硬件構成

　　主站端由多臺計算機構成全分布式的模塊化體系結構，系統可以方便的擴展。計算機通過(guò)高速以太局域網(wǎng)連在一起。系統采用雙網(wǎng)冗余熱備份方式，所有的服務(wù)器和PC機都連接到這兩個(gè)以太網(wǎng)上，主網(wǎng)出故障時(shí)，在固定時(shí)間內系統自動(dòng)或手動(dòng)切換到備網(wǎng)運行，從而使系統更加安全可靠。前置機、SCADA服務(wù)器等也可以采用雙機冗余熱備份的工作模式，保證系統可靠性。

　　前置機子系統主要功能包括：通訊參數設置、三遙參數設置、下發(fā)召喚命令、接受FTU上傳信息、報文處理與規約解析、實(shí)時(shí)數據轉發(fā)和局域網(wǎng)對時(shí)。

　　SCADA服務(wù)器：是配電網(wǎng)自動(dòng)化系統的控制中心，負責接收并處理各采集單元(RTU/FTU/TTU)或轉發(fā)單元的實(shí)時(shí)數據，監測報文和故障信息，并廣播到實(shí)時(shí)網(wǎng)，供其它各工作站使用，同時(shí)協(xié)調對各廠(chǎng)站的控制。在SCADA服務(wù)器上可以安裝商用關(guān)系數據庫，用于存儲系統運行參數和歷史數據，并作網(wǎng)絡(luò )數據庫來(lái)使用，提供與外界的數據接口。

　　調度員工作站：通過(guò)調度員工作站，操作者可以進(jìn)行SCADA監控，可以查看配電網(wǎng)實(shí)時(shí)運行狀況、獲取報表、數據曲線(xiàn)、棒圖等統計資料，同時(shí)調度員工作站也提供系統運行管理和信息管理的手段。

　　1.2 主站軟件構成

　　系統軟件采用面向對象的設計方法，由不同的裝置對象組成間隔對象。系統軟件同時(shí)還為分層、模塊式結構，共分為三層：通信層、數據層和應用層。每一個(gè)層由不同軟件模塊組成、層與層之間，模塊與模塊之間耦合松散，這樣既有利于提高系統的穩定性又可以方便的實(shí)現功能擴展。

　　二、配電自動(dòng)化子站系統

　　配網(wǎng)監控子站是配網(wǎng)自動(dòng)化系統的中間層，向上與配網(wǎng)主站等各個(gè)系統進(jìn)行計算機通信，向下與所轄區內終端設備進(jìn)行通信，完成終端設備數據的集中和轉發(fā)，可以實(shí)現遙測、遙信、遙控、當地監控及故障隔離等功能;并將實(shí)時(shí)數據中轉到配電主站的通信處理機上。

　　三、配電自動(dòng)化終端設備

　　配電終端設備是整個(gè)系統的最底層，主要完成對柱上開(kāi)關(guān)、支線(xiàn)開(kāi)關(guān)、配電變壓器、開(kāi)閉所、環(huán)網(wǎng)開(kāi)關(guān)、箱式變等各種現場(chǎng)信息的采集和監控功能。一體化設計的配網(wǎng)自動(dòng)化遠方終端FTU是按同時(shí)面向變電站(開(kāi)閉所)間隔與配網(wǎng)自動(dòng)化饋線(xiàn)設計的一體化現場(chǎng)終端，由綜合自動(dòng)化系統監控單元、智能型電源模塊、蓄電池組、主體機箱以及附屬接線(xiàn)部分組成，具有保護、測量與控制以及對饋電線(xiàn)路FTU的通信管理功能，適用于變電站(開(kāi)閉所)的10kV饋線(xiàn)斷路器在配電網(wǎng)自動(dòng)化系統中的管理。該裝置可與SCADA主站通信，完成對配網(wǎng)線(xiàn)路的各種監控功能。

　　FTU是分散式布置，戶(hù)外運行，因此必須保證能適應惡劣的運行環(huán)境和具有很高的可靠性，要能在-40～+85°C溫度和環(huán)境里正常工作，要有良好的防潮、防雨、防腐蝕措施。并且FTU一般裝于電力線(xiàn)柱上或組合柜內，要承受高電壓、大電流、雷電等干擾，因而要求有很強的抗干擾能力。FTU附近一般有隔離開(kāi)關(guān)或重合器，在這些裝置操作時(shí)，有一定的震動(dòng)，當用插件式結構時(shí)，一定要用很好的緊固措施，另外FTU分散式布置，裝于人們不方便觀(guān)察的高度，要求FTU有很強的自檢能力，在其出現故障時(shí)通過(guò)自檢及時(shí)發(fā)現，而通過(guò)通訊報給遠方配調中心，以便防患于未然[2]。因此，FTU要有智能電源系統來(lái)保障其可靠性。

　　配網(wǎng)10kV通過(guò)PT供給電源模塊220V或100V交流輸入，電源輸出±24V給FTU的各模塊工作，還輸出一組電壓給電池浮充，當交流斷電時(shí)，電源快速切換到電池供電，保證FTU仍能正常工作[3]。同時(shí)進(jìn)行電源監視，在主電源失電、備用電源輸出電壓過(guò)低時(shí)產(chǎn)生故障信號，以狀態(tài)量變位元的方式上報并產(chǎn)生時(shí)間記錄。電源還需要有自檢功能，實(shí)現對交流的監測，當交流電壓有電時(shí)，提供一個(gè)±24V輸出給監控插件開(kāi)入，以便遠方檢測中心知道FTU的交流電源情況。電源系統設置具有自診斷及程序自恢復功能。裝置能定期自檢，一旦發(fā)現終端的內存、時(shí)鐘、I/O等工作異常均記錄保存，并立即向主站告。裝置內部具有獨立的保護接地端子，外殼和大地牢固連接;裝置的遙信輸入回路采用光電隔離，并具有軟硬件濾波措施，以防止輸入接點(diǎn)抖動(dòng)或強電磁場(chǎng)干擾誤動(dòng);同時(shí)在其通信口設置防雷保護功能。

　　四、通訊方式和通信規約的選擇

　　4.1 通訊規約的選擇

　　遠動(dòng)通信規約是遠動(dòng)技術(shù)中的重要組成部分。在不同的通信系統相結合的配網(wǎng)自動(dòng)化中，通信規約非常重要。目前在電力系統中普遍應用的通信規約可以分為應答式規約(如IEC60870-101、SC1801等)、循環(huán)式規約(如部頒CDT，DXF5和Col等)和對等方式規約(DNP3.0)三類(lèi)。101規約比較適用于網(wǎng)絡(luò )拓撲結構為點(diǎn)對點(diǎn)、多點(diǎn)共線(xiàn)、多點(diǎn)星形等網(wǎng)絡(luò )配置的遠動(dòng)系統中，通道可以是全雙工或半雙工的情況。有上面的分析可見(jiàn)，101規約比其他規約能更好地滿(mǎn)足較大規模饋線(xiàn)自動(dòng)化系統的通訊要求。本系統選用101作為通信規約[4]。

　　4.2 通信方式比較及結論

　　當前隨著(zhù)供電公司不斷降低運營(yíng)成本，投資效益最大化。供電公司不斷追求高質(zhì)量，低成本的技術(shù)，尤其體現在電力通信投資上。常用的通信方式種類(lèi)繁多，為適應配電自動(dòng)化系統的通信要求，應從可靠性、建造費用、維護和安裝難易程度、傳輸速率、覆蓋范圍及組網(wǎng)特點(diǎn)幾個(gè)角度出發(fā)，考慮選擇哪種通信方式。通過(guò)上文簡(jiǎn)述幾種通信方式，表1列出各自的性能特點(diǎn)。在組建一體化配電自動(dòng)化通信系統的過(guò)程中，選擇既經(jīng)濟又實(shí)用的通信方案是決定該系統水平高低的關(guān)鍵因素。通過(guò)比較可以看出，GPRS通信具有投資少、維護簡(jiǎn)單、可靠性高、安裝簡(jiǎn)便、速率較高、覆蓋廣等優(yōu)點(diǎn)，極大的滿(mǎn)足了配電自動(dòng)化通信的要求。本設計擬采用GPRS通信方式。

　　4.3 SCADA系統與調度端通信要求

　　配電網(wǎng)自動(dòng)化系統的實(shí)時(shí)數據是由SCADA系統收集的，包括故障定位系統在內的各類(lèi)高層軟件都必須有效的使用這一數據源，而且不應產(chǎn)生數據沖突，影響各自的運行。本文采用WINSOCK實(shí)現定位軟件系統與SCADA系統通訊的方法。WINSOCK源于TCP/IP網(wǎng)絡(luò )編程的Socket接口，是一種網(wǎng)絡(luò )的API。網(wǎng)絡(luò )通訊通常包括兩臺計算機或兩個(gè)進(jìn)程，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳遞它們之間的數據。當使用Socket接口對網(wǎng)絡(luò )通訊編程時(shí)，Socket是網(wǎng)絡(luò )通訊過(guò)程中端點(diǎn)的抽象表示。為了進(jìn)行通訊，網(wǎng)絡(luò )中對話(huà)的計算機或進(jìn)程都必須建立一個(gè)Socket，通過(guò)兩個(gè)Socket之間的連接實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)或多點(diǎn)之間的數據通訊。Socket通訊首先要在通訊兩端建立進(jìn)行通訊的Socket，再建立兩個(gè)Socket之間的連接，在連接無(wú)誤后即可對各自的Socket進(jìn)行讀寫(xiě)，也就是進(jìn)行數據的相互傳遞。Socket通訊通常有兩種方式，即：采用面向連接協(xié)議的方式和無(wú)連接協(xié)議的方式，或稱(chēng)數據流方式和報文方式，在進(jìn)行大量數據的傳遞時(shí)常采用流方式，以保證傳遞的可靠性。Socket常用于服務(wù)器―客戶(hù)機之間的通訊，由于Socket是一種網(wǎng)絡(luò )編程接口，所以，在進(jìn)行通訊時(shí)必須了解對方的網(wǎng)址，并建立連接的端口。

　　4.4 SCADA系統與調度端通信的實(shí)現

　　SCADA系統與調度端的通信通常通過(guò)兩種方式觸發(fā)，一種是定時(shí)方式，另一種十越限報警方式。因此系統運行時(shí)一般是每隔一固定時(shí)段進(jìn)行一次數據通訊，用以修正反映系統現行運行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)數據庫。通訊采用服務(wù)器一客戶(hù)機方式。非阻塞模式，以避免產(chǎn)生通訊死鎖。通訊模塊分為兩部分，即服務(wù)器模塊和客戶(hù)機模塊，服務(wù)器模塊以循環(huán)方式發(fā)送正常狀態(tài)數據，及隨機發(fā)送故障數據�？蛻�(hù)機模塊一經(jīng)啟動(dòng)即處于監聽(tīng)狀態(tài)，等待服務(wù)器模塊的連接應答。當服務(wù)器模塊接受連接請求時(shí)，雙方建立連接，以讀寫(xiě)緩沖區的形式實(shí)現服務(wù)器一客戶(hù)機間的數據包傳輸。由于采用Soket編程，所以通訊遵循TCP/IP協(xié)議，數據包以幀為最小單位。為區別正常數據包和故障數據包，數據的格式將設有同步字，數據類(lèi)型，數據長(cháng)度，奇偶校驗字等信息。

　　五、總結

　　本文對配電網(wǎng)一體化的綜合自動(dòng)化系統做了研究，提出了整體方案。該系統克服了現有自動(dòng)化系統平臺不一致，功能單一，各系統間很難實(shí)現互聯(lián)和信息共享，造成重復建設、信息資源浪費的現象。將現有分散的、各自為政的、單一功能的系統集成綜合的、信息共享的一體化系統。該系統大大提高了該地區配電網(wǎng)的供電可靠性和電網(wǎng)的調度管理水平。

　　參考文獻：

　　[1]劉健，等.配電自動(dòng)化系統[M].中國水利水電出版社，2003.

　　[2]張鋒.基于FTU的饋線(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)在農網(wǎng)改造中的應用[J].農村電氣化，2002(11).

　　[3]鄧集詳.智能化FTU的原理及研制[J].吉林電力技術(shù)，2000(2).

　　[4]章欣，劉峰格，等.配電網(wǎng)自動(dòng)化系統通信規約的探討[J].河北電力技術(shù)，2001，20(4)：7-9.

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