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基于GPRS的配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的研究
摘 要：本文對(duì)配電網(wǎng)一體化的綜合自動(dòng)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(dòng)化系統(tǒng)平臺(tái)不一致，功能單一，各系統(tǒng)間很難實(shí)現(xiàn)互聯(lián)和信息共享，造成重復(fù)建設(shè)、信息資源浪費(fèi)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(guān)鍵詞：調(diào)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(tǒng)是利用現(xiàn)代電子技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一體，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、保護(hù)、控制、用電及配電管理的智能系統(tǒng)。配電自動(dòng)化有利于保證配網(wǎng)安全運(yùn)行，監(jiān)視配網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，優(yōu)化配網(wǎng)運(yùn)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(duì)用戶產(chǎn)生不良影響;并且通過(guò)合理控制分配用電負(fù)荷，有利于提高配網(wǎng)設(shè)備利用率;采用遠(yuǎn)程抄表，提高工作效率，減輕員工勞動(dòng)強(qiáng)度;利于提高管理現(xiàn)代化水平和服務(wù)質(zhì)量，并可為客戶提供用電信息服務(wù)[1]。
國(guó)外的配電自動(dòng)化已經(jīng)形成了集變電所自動(dòng)化、饋線分段開關(guān)監(jiān)控、電容器組調(diào)節(jié)控制、用戶負(fù)荷控制和遠(yuǎn)程抄表等系統(tǒng)于一體的配電網(wǎng)管理系統(tǒng)。我國(guó)配電自動(dòng)化起步晚，但隨著輸電網(wǎng)自動(dòng)化程度的提高，國(guó)家在配電上的資金投入也開始增加，實(shí)現(xiàn)一體化的配電自動(dòng)化系統(tǒng)已成為研究熱點(diǎn)。
本文在此基礎(chǔ)上提出一種基于GPRS的配電自動(dòng)化系統(tǒng)。系統(tǒng)采用以Internet TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的雙以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，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(yuǎn)方終端)將各種運(yùn)行電氣參數(shù)和狀態(tài)信息采集到調(diào)度中心，由調(diào)度人員從調(diào)度中心發(fā)送控制和調(diào)整命令到變電所FTU，來(lái)調(diào)整電壓和控制設(shè)備的投切。
一、配電自動(dòng)化主站部分
1.1 主站硬件構(gòu)成
主站端由多臺(tái)計(jì)算機(jī)構(gòu)成全分布式的模塊化體系結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)可以方便的擴(kuò)展。計(jì)算機(jī)通過(guò)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(wù)器和PC機(jī)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(nèi)系統(tǒng)自動(dòng)或手動(dòng)切換到備網(wǎng)運(yùn)行，從而使系統(tǒng)更加安全可靠。前置機(jī)、SCADA服務(wù)器等也可以采用雙機(jī)冗余熱備份的工作模式，保證系統(tǒng)可靠性。
前置機(jī)子系統(tǒng)主要功能包括：通訊參數(shù)設(shè)置、三遙參數(shù)設(shè)置、下發(fā)召喚命令、接受FTU上傳信息、報(bào)文處理與規(guī)約解析、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和局域網(wǎng)對(duì)時(shí)。
SCADA服務(wù)器：是配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的控制中心，負(fù)責(zé)接收并處理各采集單元(RTU/FTU/TTU)或轉(zhuǎn)發(fā)單元的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)報(bào)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(diào)對(duì)各廠站的控制。在SCADA服務(wù)器上可以安裝商用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，用于存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和歷史數(shù)據(jù)，并作網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)使用，提供與外界的數(shù)據(jù)接口。
調(diào)度員工作站：通過(guò)調(diào)度員工作站，操作者可以進(jìn)行SCADA監(jiān)控，可以查看配電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況、獲取報(bào)表、數(shù)據(jù)曲線、棒圖等統(tǒng)計(jì)資料，同時(shí)調(diào)度員工作站也提供系統(tǒng)運(yùn)行管理和信息管理的手段。
1.2 主站軟件構(gòu)成
系統(tǒng)軟件采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，由不同的裝置對(duì)象組成間隔對(duì)象。系統(tǒng)軟件同時(shí)還為分層、模塊式結(jié)構(gòu)，共分為三層：通信層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)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(tǒng)的穩(wěn)定性又可以方便的實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展。
二、配電自動(dòng)化子站系統(tǒng)
配網(wǎng)監(jiān)控子站是配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的中間層，向上與配網(wǎng)主站等各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)通信，向下與所轄區(qū)內(nèi)終端設(shè)備進(jìn)行通信，完成終端設(shè)備數(shù)據(jù)的集中和轉(zhuǎn)發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙信、遙控、當(dāng)?shù)乇O(jiān)控及故障隔離等功能;并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)到配電主站的通信處理機(jī)上。
三、配電自動(dòng)化終端設(shè)備
配電終端設(shè)備是整個(gè)系統(tǒng)的最底層，主要完成對(duì)柱上開關(guān)、支線開關(guān)、配電變壓器、開閉所、環(huán)網(wǎng)開關(guān)、箱式變等各種現(xiàn)場(chǎng)信息的采集和監(jiān)控功能。一體化設(shè)計(jì)的配網(wǎng)自動(dòng)化遠(yuǎn)方終端FTU是按同時(shí)面向變電站(開閉所)間隔與配網(wǎng)自動(dòng)化饋線設(shè)計(jì)的一體化現(xiàn)場(chǎng)終端，由綜合自動(dòng)化系統(tǒng)監(jiān)控單元、智能型電源模塊、蓄電池組、主體機(jī)箱以及附屬接線部分組成，具有保護(hù)、測(cè)量與控制以及對(duì)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(dòng)化系統(tǒng)中的管理。該裝置可與SCADA主站通信，完成對(duì)配網(wǎng)線路的各種監(jiān)控功能。
FTU是分散式布置，戶外運(yùn)行，因此必須保證能適應(yīng)惡劣的運(yùn)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(qiáng)的抗干擾能力。FTU附近一般有隔離開關(guān)或重合器，在這些裝置操作時(shí)，有一定的震動(dòng)，當(dāng)用插件式結(jié)構(gòu)時(shí)，一定要用很好的緊固措施，另外FTU分散式布置，裝于人們不方便觀察的高度，要求FTU有很強(qiáng)的自檢能力，在其出現(xiàn)故障時(shí)通過(guò)自檢及時(shí)發(fā)現(xiàn)，而通過(guò)通訊報(bào)給遠(yuǎn)方配調(diào)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(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(dāng)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(jiān)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(hào)，以狀態(tài)量變位元的方式上報(bào)并產(chǎn)生時(shí)間記錄。電源還需要有自檢功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流的監(jiān)測(cè)，當(dāng)交流電壓有電時(shí)，提供一個(gè)±24V輸出給監(jiān)控插件開入，以便遠(yuǎn)方檢測(cè)中心知道FTU的交流電源情況。電源系統(tǒng)設(shè)置具有自診斷及程序自恢復(fù)功能。裝置能定期自檢，一旦發(fā)現(xiàn)終端的內(nèi)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(nèi)部具有獨(dú)立的保護(hù)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(qiáng)電磁場(chǎng)干擾誤動(dòng);同時(shí)在其通信口設(shè)置防雷保護(hù)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(yuǎn)動(dòng)通信規(guī)約是遠(yuǎn)動(dòng)技術(shù)中的重要組成部分。在不同的通信系統(tǒng)相結(jié)合的配網(wǎng)自動(dòng)化中，通信規(guī)約非常重要。目前在電力系統(tǒng)中普遍應(yīng)用的通信規(guī)約可以分為應(yīng)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(duì)等方式規(guī)約(DNP3.0)三類。101規(guī)約比較適用于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、多點(diǎn)共線、多點(diǎn)星形等網(wǎng)絡(luò)配置的遠(yuǎn)動(dòng)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(dòng)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(jié)論
當(dāng)前隨著供電公司不斷降低運(yùn)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(xiàn)在電力通信投資上。常用的通信方式種類繁多，為適應(yīng)配電自動(dòng)化系統(tǒng)的通信要求，應(yīng)從可靠性、建造費(fèi)用、維護(hù)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(tǒng)的過(guò)程中，選擇既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的通信方案是決定該系統(tǒng)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(hù)簡(jiǎn)單、可靠性高、安裝簡(jiǎn)便、速率較高、覆蓋廣等優(yōu)點(diǎn)，極大的滿足了配電自動(dòng)化通信的要求。本設(shè)計(jì)擬采用GPRS通信方式。
4.3 SCADA系統(tǒng)與調(diào)度端通信要求
配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(yīng)產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突，影響各自的運(yùn)行。本文采用WINSOCK實(shí)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(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(tái)計(jì)算機(jī)或兩個(gè)進(jìn)程，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞它們之間的數(shù)據(jù)。當(dāng)使用Socket接口對(duì)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(duì)話的計(jì)算機(jī)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(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或多點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)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(duì)各自的Socket進(jìn)行讀寫，也就是進(jìn)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(wú)連接協(xié)議的方式，或稱數(shù)據(jù)流方式和報(bào)文方式，在進(jìn)行大量數(shù)據(jù)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―客戶機(jī)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(duì)方的網(wǎng)址，并建立連接的端口。
4.4 SCADA系統(tǒng)與調(diào)度端通信的實(shí)現(xiàn)
SCADA系統(tǒng)與調(diào)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(bào)警方式。因此系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)一般是每隔一固定時(shí)段進(jìn)行一次數(shù)據(jù)通訊，用以修正反映系統(tǒng)現(xiàn)行運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)。通訊采用服務(wù)器一客戶機(jī)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)器模塊和客戶機(jī)模塊，服務(wù)器模塊以循環(huán)方式發(fā)送正常狀態(tài)數(shù)據(jù)，及隨機(jī)發(fā)送故障數(shù)據(jù)。客戶機(jī)模塊一經(jīng)啟動(dòng)即處于監(jiān)聽狀態(tài)，等待服務(wù)器模塊的連接應(yīng)答。當(dāng)服務(wù)器模塊接受連接請(qǐng)求時(shí)，雙方建立連接，以讀寫緩沖區(qū)的形式實(shí)現(xiàn)服務(wù)器一客戶機(jī)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(shè)有同步字，數(shù)據(jù)類型，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，奇偶校驗(yàn)字等信息。
五、總結(jié)
本文對(duì)配電網(wǎng)一體化的綜合自動(dòng)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(dòng)化系統(tǒng)平臺(tái)不一致，功能單一，各系統(tǒng)間很難實(shí)現(xiàn)互聯(lián)和信息共享，造成重復(fù)建設(shè)、信息資源浪費(fèi)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(diào)度管理水平。
參考文獻(xiàn)：
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