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基于GPRS的配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)的研究
摘 要：本文對配電網(wǎng)一體化的綜合自動化系統(tǒng)做了研究，并提出了整體方案。該系統(tǒng)克服了現(xiàn)有自動化系統(tǒng)平臺不一致，功能單一，各系統(tǒng)間很難實現(xiàn)互聯(lián)和信息共享，造成重復建設、信息資源浪費的現(xiàn)象。將現(xiàn)有分散的、單一功能的系統(tǒng)集成綜合的、信息共享的一體化系統(tǒng)。
關鍵詞：調度自動化;一體化;可靠性;配電自動化
前言
配電自動化系統(tǒng)是利用現(xiàn)代電子技術、通信技術、計算機及網(wǎng)絡技術于一體，實現(xiàn)對配電網(wǎng)實時監(jiān)測、保護、控制、用電及配電管理的智能系統(tǒng)。配電自動化有利于保證配網(wǎng)安全運行，監(jiān)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間，減少故障停電范圍。避免高峰低谷、電壓幅值等對用戶產(chǎn)生不良影響;并且通過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，減輕員工勞動強度;利于提高管理現(xiàn)代化水平和服務質量，并可為客戶提供用電信息服務[1]。
國外的配電自動化已經(jīng)形成了集變電所自動化、饋線分段開關監(jiān)控、電容器組調節(jié)控制、用戶負荷控制和遠程抄表等系統(tǒng)于一體的配電網(wǎng)管理系統(tǒng)。我國配電自動化起步晚，但隨著輸電網(wǎng)自動化程度的提高，國家在配電上的資金投入也開始增加，實現(xiàn)一體化的配電自動化系統(tǒng)已成為研究熱點。
本文在此基礎上提出一種基于GPRS的配電自動化系統(tǒng)。系統(tǒng)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。通過變電所的FTU(遠方終端)將各種運行電氣參數(shù)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，來調整電壓和控制設備的投切。
一、配電自動化主站部分
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(tǒng)可以方便的擴展。計算機通過高速以太局域網(wǎng)連在一起。系統(tǒng)采用雙網(wǎng)冗余熱備份方式，所有的服務器和PC機都連接到這兩個以太網(wǎng)上，主網(wǎng)出故障時，在固定時間內(nèi)系統(tǒng)自動或手動切換到備網(wǎng)運行，從而使系統(tǒng)更加安全可靠。前置機、SCADA服務器等也可以采用雙機冗余熱備份的工作模式，保證系統(tǒng)可靠性。
前置機子系統(tǒng)主要功能包括：通訊參數(shù)設置、三遙參數(shù)設置、下發(fā)召喚命令、接受FTU上傳信息、報文處理與規(guī)約解析、實時數(shù)據(jù)轉發(fā)和局域網(wǎng)對時。
SCADA服務器：是配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)的控制中心，負責接收并處理各采集單元(RTU/FTU/TTU)或轉發(fā)單元的實時數(shù)據(jù)，監(jiān)測報文和故障信息，并廣播到實時網(wǎng)，供其它各工作站使用，同時協(xié)調對各廠站的控制。在SCADA服務器上可以安裝商用關系數(shù)據(jù)庫，用于存儲系統(tǒng)運行參數(shù)和歷史數(shù)據(jù)，并作網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫來使用，提供與外界的數(shù)據(jù)接口。
調度員工作站：通過調度員工作站，操作者可以進行SCADA監(jiān)控，可以查看配電網(wǎng)實時運行狀況、獲取報表、數(shù)據(jù)曲線、棒圖等統(tǒng)計資料，同時調度員工作站也提供系統(tǒng)運行管理和信息管理的手段。
1.2 主站軟件構成
系統(tǒng)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(tǒng)軟件同時還為分層、模塊式結構，共分為三層：通信層、數(shù)據(jù)層和應用層。每一個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(tǒng)的穩(wěn)定性又可以方便的實現(xiàn)功能擴展。
二、配電自動化子站系統(tǒng)
配網(wǎng)監(jiān)控子站是配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的中間層，向上與配網(wǎng)主站等各個系統(tǒng)進行計算機通信，向下與所轄區(qū)內(nèi)終端設備進行通信，完成終端設備數(shù)據(jù)的集中和轉發(fā)，可以實現(xiàn)遙測、遙信、遙控、當?shù)乇O(jiān)控及故障隔離等功能;并將實時數(shù)據(jù)中轉到配電主站的通信處理機上。
三、配電自動化終端設備
配電終端設備是整個系統(tǒng)的最底層，主要完成對柱上開關、支線開關、配電變壓器、開閉所、環(huán)網(wǎng)開關、箱式變等各種現(xiàn)場信息的采集和監(jiān)控功能。一體化設計的配網(wǎng)自動化遠方終端FTU是按同時面向變電站(開閉所)間隔與配網(wǎng)自動化饋線設計的一體化現(xiàn)場終端，由綜合自動化系統(tǒng)監(jiān)控單元、智能型電源模塊、蓄電池組、主體機箱以及附屬接線部分組成，具有保護、測量與控制以及對饋電線路FTU的通信管理功能，適用于變電站(開閉所)的10kV饋線斷路器在配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)中的管理。該裝置可與SCADA主站通信，完成對配網(wǎng)線路的各種監(jiān)控功能。
FTU是分散式布置，戶外運行，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一般裝于電力線柱上或組合柜內(nèi)，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附近一般有隔離開關或重合器，在這些裝置操作時，有一定的震動，當用插件式結構時，一定要用很好的緊固措施，另外FTU分散式布置，裝于人們不方便觀察的高度，要求FTU有很強的自檢能力，在其出現(xiàn)故障時通過自檢及時發(fā)現(xiàn)，而通過通訊報給遠方配調中心，以便防患于未然[2]。因此，F(xiàn)TU要有智能電源系統(tǒng)來保障其可靠性。
配網(wǎng)10kV通過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，電源快速切換到電池供電，保證FTU仍能正常工作[3]。同時進行電源監(jiān)視，在主電源失電、備用電源輸出電壓過低時產(chǎn)生故障信號，以狀態(tài)量變位元的方式上報并產(chǎn)生時間記錄。電源還需要有自檢功能，實現(xiàn)對交流的監(jiān)測，當交流電壓有電時，提供一個±24V輸出給監(jiān)控插件開入，以便遠方檢測中心知道FTU的交流電源情況。電源系統(tǒng)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(xiàn)終端的內(nèi)存、時鐘、I/O等工作異常均記錄保存，并立即向主站告。裝置內(nèi)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，以防止輸入接點抖動或強電磁場干擾誤動;同時在其通信口設置防雷保護功能。
四、通訊方式和通信規(guī)約的選擇
4.1 通訊規(guī)約的選擇
遠動通信規(guī)約是遠動技術中的重要組成部分。在不同的通信系統(tǒng)相結合的配網(wǎng)自動化中，通信規(guī)約非常重要。目前在電力系統(tǒng)中普遍應用的通信規(guī)約可以分為應答式規(guī)約(如IEC60870-101、SC1801等)、循環(huán)式規(guī)約(如部頒CDT，DXF5和Col等)和對等方式規(guī)約(DNP3.0)三類。101規(guī)約比較適用于網(wǎng)絡拓撲結構為點對點、多點共線、多點星形等網(wǎng)絡配置的遠動系統(tǒng)中，通道可以是全雙工或半雙工的情況。有上面的分析可見，101規(guī)約比其他規(guī)約能更好地滿足較大規(guī)模饋線自動化系統(tǒng)的通訊要求。本系統(tǒng)選用101作為通信規(guī)約[4]。
4.2 通信方式比較及結論
當前隨著供電公司不斷降低運營成本，投資效益最大化。供電公司不斷追求高質量，低成本的技術，尤其體現(xiàn)在電力通信投資上。常用的通信方式種類繁多，為適應配電自動化系統(tǒng)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)特點幾個角度出發(fā)，考慮選擇哪種通信方式。通過上文簡述幾種通信方式，表1列出各自的性能特點。在組建一體化配電自動化通信系統(tǒng)的過程中，選擇既經(jīng)濟又實用的通信方案是決定該系統(tǒng)水平高低的關鍵因素。通過比較可以看出，GPRS通信具有投資少、維護簡單、可靠性高、安裝簡便、速率較高、覆蓋廣等優(yōu)點，極大的滿足了配電自動化通信的要求。本設計擬采用GPRS通信方式。
4.3 SCADA系統(tǒng)與調度端通信要求
配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)是由SCADA系統(tǒng)收集的，包括故障定位系統(tǒng)在內(nèi)的各類高層軟件都必須有效的使用這一數(shù)據(jù)源，而且不應產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突，影響各自的運行。本文采用WINSOCK實現(xiàn)定位軟件系統(tǒng)與SCADA系統(tǒng)通訊的方法。WINSOCK源于TCP/IP網(wǎng)絡編程的Socket接口，是一種網(wǎng)絡的API。網(wǎng)絡通訊通常包括兩臺計算機或兩個進程，通過網(wǎng)絡傳遞它們之間的數(shù)據(jù)。當使用Socket接口對網(wǎng)絡通訊編程時，Socket是網(wǎng)絡通訊過程中端點的抽象表示。為了進行通訊，網(wǎng)絡中對話的計算機或進程都必須建立一個Socket，通過兩個Socket之間的連接實現(xiàn)點對點或多點之間的數(shù)據(jù)通訊。Socket通訊首先要在通訊兩端建立進行通訊的Socket，再建立兩個Socket之間的連接，在連接無誤后即可對各自的Socket進行讀寫，也就是進行數(shù)據(jù)的相互傳遞。Socket通訊通常有兩種方式，即：采用面向連接協(xié)議的方式和無連接協(xié)議的方式，或稱數(shù)據(jù)流方式和報文方式，在進行大量數(shù)據(jù)的傳遞時常采用流方式，以保證傳遞的可靠性。Socket常用于服務器―客戶機之間的通訊，由于Socket是一種網(wǎng)絡編程接口，所以，在進行通訊時必須了解對方的網(wǎng)址，并建立連接的端口。
4.4 SCADA系統(tǒng)與調度端通信的實現(xiàn)
SCADA系統(tǒng)與調度端的通信通常通過兩種方式觸發(fā)，一種是定時方式，另一種十越限報警方式。因此系統(tǒng)運行時一般是每隔一固定時段進行一次數(shù)據(jù)通訊，用以修正反映系統(tǒng)現(xiàn)行運行狀態(tài)的動態(tài)數(shù)據(jù)庫。通訊采用服務器一客戶機方式。非阻塞模式，以避免產(chǎn)生通訊死鎖。通訊模塊分為兩部分，即服務器模塊和客戶機模塊，服務器模塊以循環(huán)方式發(fā)送正常狀態(tài)數(shù)據(jù)，及隨機發(fā)送故障數(shù)據(jù)。客戶機模塊一經(jīng)啟動即處于監(jiān)聽狀態(tài)，等待服務器模塊的連接應答。當服務器模塊接受連接請求時，雙方建立連接，以讀寫緩沖區(qū)的形式實現(xiàn)服務器一客戶機間的數(shù)據(jù)包傳輸。由于采用Soket編程，所以通訊遵循TCP/IP協(xié)議，數(shù)據(jù)包以幀為最小單位。為區(qū)別正常數(shù)據(jù)包和故障數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)的格式將設有同步字，數(shù)據(jù)類型，數(shù)據(jù)長度，奇偶校驗字等信息。
五、總結
本文對配電網(wǎng)一體化的綜合自動化系統(tǒng)做了研究，提出了整體方案。該系統(tǒng)克服了現(xiàn)有自動化系統(tǒng)平臺不一致，功能單一，各系統(tǒng)間很難實現(xiàn)互聯(lián)和信息共享，造成重復建設、信息資源浪費的現(xiàn)象。將現(xiàn)有分散的、各自為政的、單一功能的系統(tǒng)集成綜合的、信息共享的一體化系統(tǒng)。該系統(tǒng)大大提高了該地區(qū)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：
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[2]張鋒.基于FTU的饋線自動化技術在農(nóng)網(wǎng)改造中的應用[J].農(nóng)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，2000(2).
[4]章欣，劉峰格，等.配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)通信規(guī)約的探討[J].河北電力技術，2001，20(4)：7-9.
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