配電室智能監控系統的設計與實現

　摘要

　　隨著我國經濟實力的不斷增強，電力系統也取得了顯著的成就。當前我國電網規模不斷擴充。居民對于供電的可靠性與質量要求大幅提高。因此，如何確保提供經濟安全、優質可靠的電力是我國電力系統在未來發展中面臨的重要挑戰之一。配電室作為電力系統中的重要組成元素，擔負著電能的變壓分流的重任，傳統的配電室管理手段主要是依靠人工定時對電力儀表進行檢查并形成報表，其工作效率低下，無法適應迅速發展的供電規模與用電客戶的用電需求。如何利用信息技術與網絡傳輸技術對配電室電力設備的運轉狀態進行遠程實時監控，提高配電室管理的信息化水平，增強居民用電的質量管理，是當前電力系統部門以及其他經濟部門的發展方向之一，本課題以小區變配電自動化監控系統為研究對象，設計了一個監控平臺，實現監控系統的基本要求，能夠監控小區電網的運行情況，實現數據顯示、數據查詢、報表生成打印、曲線顯示打印等功能。

　　本文通過對配網監測技術的現狀分析及發展趨勢，針對配電室的運行特點，提出了基于 GPRS 快速及時的互聯網連接和微功耗無線通信技術相結合的配電變壓器監控通信技術方案的農村配電變壓器遠程監測系統。具體來說，該遠程監測系統是由安裝在變壓器處的變壓器監測終端(TTU)、Ad Hoc 終端節點、Ad Hoc 路由節點、Ad Hoc 網關節點、GPRS 模塊、監控計算機和管理人員手機組成。此監控系統具有自動組網、自動路由、多級中繼等優勢，降低了硬件投資和通訊費用。關鍵詞： 廈門大學博碩士論文摘要庫 配電室;智能監控系統;數據流圖

　　第一章 緒論 1.1 課題研究背景及意義配電室是電力網末端傳輸、多次分配電能的主要電氣設備場所，是城市電力網的不可或缺的一部分。長期以來，配電室如何高效運行一直是電力部門日常管理的較為薄弱的部分，配電室刀閘開關誤跳或配電室溫度過高，濕度過高，雨水浸漬，都會影響設備正常運行、導致設備損壞，甚至燒毀設備;以上種種都不同程度的影響用戶正常的用電，由于目前配電室監控手段較為欠缺，尚不能實時反饋設備運行工況，及時解決實際問題。因此，在配電室加裝計算機監控系統，實現配電室環境和供電設備各種狀態量的在線監測，通過后臺系統集成開發，可以實現各種監測數據的查詢、分析、預警及綜合展示，以提高配電室的運行能力，保障配電室設備的安全運行。同時高效的經濟效益方面，供配電計算機監控系統的優越性更加突顯，高性價比的投資使系統一次投資，終身受益，減少設備維護、更新成本和人力資源成本。再次高智能化方面，實現供配電監控系統的遙測、遙控、遙信、遙視控制，對系統進行綜合監測和統一管理可以節約人力資源，降低員工勞動強度。 最后共享系統數據資源和設備綜合檔案管理等方面，可以對顯示或查詢供配電室各設備運行工況(包括歷史和實時參數)，并根據用戶實際情況進行日報、月報 和年報查詢或打印，提高了工作效率。監控系統配置數據庫管理系統，可以分類保存、歸檔、統計和調用采集到的數據，根據用戶要求按照名稱、時間和區域等選項檢索，以便進行數據查詢和故障分析。供配電監控管理系統可以根據用戶權限設定人員的管理范圍，方便不同級別的管理人員對系統進行修改和操作。綜上所述，供配電監控系統的優越性是顯而易見的，對供配電監控與管理系統進行研究很有必要的，同時供配電監控系統必將會應用得越來越廣泛。廈門大學博碩士論文摘要庫配電室智能監控系統的設計與實現 2 1.2 國內外研究現狀 1.2.1 國內研究現狀國內供配電監控的自動化始于上世紀 90 年代，與外發達國家相比大約滯后 20 年，受資金、科學技術水平、認識水平等因素制約，發展一直比較緩慢主要問題有：(1)從系統功能角度上來講，功能單一化，實際應用性差，其試點工程大多引入的國外的饋線自動化設備建立就地控制模式，僅能進行故障處理，缺乏自主性，供電可靠性較低[1]。(2)從在系統集成角度上來講，缺乏統一規劃，項目各自獨立，各地區對供配電監控的自動化認識不同，在各種單項功能上欠缺綜合性考慮，使得各個項目之間標準不統一、軟硬件設備或借口兼容性差，導致資源共享性和信息公用性差。(3)從系統應用層次角度來講，應用停留在初級階段，缺少高級應用，很多技術都處于理論分析階段[2]。 隨著經濟水平和科學技術的提高，國家對城鄉電網改造力度逐漸加強，供配電監控的自動化水平也取得了長足的進展，降低了供電企業人員勞動生產強度，增強供配電企業現代管理水平，提高了居民和企業的供電可靠率、供電質量，保障了供配電企業的設備安全。 國內供配電大致經歷了以下幾個監控智能化、自動化發展階段。第一階段，主要是引進學習國外自動化開關設備實現開關設備的自動化，主要功能是通過開關設備之間的配合實現故障區域的定位、隔離和自動恢復供電。缺點是缺乏自主能力，自動化程度較低，只能在故障發生以后進行處理，無法優化運行方式，當發生故障或調整系統后需人工到現場對相關參數進行設置，缺乏靈活性且耗費人力資源，同時當故障發生后需要對故障區域開關多次重合，加大了電力設備損耗，增加了運營成本。廈門大學博碩士論文摘要庫第一章 緒論 3 第二階段，建立供配電監控系統的 SCADA 系統，主要組成有：網絡通信設備、計算機網絡和饋線終端，通過建立主站系統實現對在各配電子站、遠方終端進行控制，采用通信技術，實現對配電網監控的功能。在供配電網正常運行狀態下可以對供配電網進行監控和運行管理，系統運行參數更加優化，當局部發生發生故障時，能及時控制，縮短故障處理時間，缺點是需要借助通信系統，且對故障的處理需要依賴主站[3]。第三階段，經歷了上兩個階段，我國開始在此基礎上改進，加入組態軟件，借助自動控制技術、網絡技術和通信技術，監控工程可以由計算機上的軟件自動完成，實現各子系統之間資源共享，達到供配電管理自動化[3]。 1.2.2 國外研究現狀國外的供配電監控的自動化起步比較早，上世紀 70 年代，國外的一些發達國家就開始發展供配電監控系統自動化，國外的供配電監控系統自動化已發展很完善帶動相應的經濟發展，許多著名電力系統設備的生產商基本都涉足供配電自動化領域，例如施耐德公司、西門子公司、摩托羅拉公司和東芝公司等，均已推出各自特色的供配電網自動化相關產品，形成了完善的自動化功能體系[4]。 國外供配電監控自動化的實現，大致分為對饋線自動化的實施，然后建立通信通道，通過建立供配電主站系統調控供電子站和遠程終端，最后完善各項功能，但是對整個系統而言尚留有大量的開發空間，比如供配電監控自動化、智能化和已開發的部分功能重疊。供配電監控系統朝著向開放式、智能化、自動化和集成化的綜合性方向發展。目前已經具有相當龐大的規模，并提高了供配電網運行安全可靠性，加強了運行和控制效率，保障供電質量，降低人員勞動強度，充分利用網絡通信調控設備的能力，能加快停電反應速度和減少停電面，縮短了停電時間，保障了居民和用電企業對電能質量和可靠性的需求，帶來了極為可觀的社會效益和經濟效益。 1.3 課題研究主要內容本論文的主要工作就是從配電室管理和配電室狀態監測系統軟件的新要求廈門大學博碩士論文摘要庫配電室智能監控系統的設計與實現 4 出發，研究軟件工程技術和方法在配電室狀態監測系統中的應用。全面且較為系統地分析了軟件工程在電力系統中應用的相關理論和方法，為配電室狀態監測平臺的工程化研發奠定了理論基礎。同時分析了配電室狀態監測平臺的工程化研發的必要性，探討了實際應用、開發中涉及到的關鍵技術，提出了一種配電室狀態監測系統軟件工程化開發的具體方法。以國網福州供電公司狀態智能監控系統軟件的開發作為示范，闡述了該系統研發工程化方法在配電室狀態監測系統軟件探發中的具體操作手段。并對軟件研發結果進行了分析。 1.4 論文的組織結構本文的章節內容安排如下：第一章為緒論。首先，簡要概述了本次課題的研究背景;然后，概述了該課題在國內外的研究現狀，指出計算機監控系統對電力安全生產的巨大推動作用;最后，說明了課題的主要框架。 第二章對本課題所用到的技術做了介紹及功能特點方面的概述。第三章對系統各部分功能做出了說明，并采用系統用例圖加以解釋。第四章運用前一章提出的工程化軟件開發方法，討論了配電室狀態監測系統軟件工程化開發的關鍵技術;詳細闡述該系統軟件的整個開發過程，以及工程化實施應注意的問題。第五章軟件工程化開發結果分析。分析軟件工程化開發的質量和效率。 第六章全文總結。對今后要開展的實踐活動進行一些設想。 廈門大學博碩士論文摘要庫第二章 相關技術介紹 5 第二章 相關技術介紹 2. 1 配電室遠程監測系統的關鍵技術 2.1.1 配電變壓器測控終端設備(TTU)配電室遠程監測系統是供電企業提升配電網精細化管理水平的一個重要技術手段，建立和完善配電變壓器遠程監測系統，可以提高對配電變壓器的運行監測能力，實現實時監測和運行分析，提高用戶對供電的滿意度和促進配網運行管理上臺階。在配電變壓器遠程監測系統中，需要對分散在各個區域的變壓器運行工況進行監測，就必須在配電變壓器處加裝測控終端設備(TTU)[4]。如圖 2-1 所示。圖 2-1 監控示例(1)采集數據與記錄功能 TTU 主要是采集并記錄配電室的運行工況信息，根據變壓器低壓側的各項數據的采樣值，每間隔一定時間(如 1 分鐘)計算變壓器的運行參數，將其記錄并保存在存儲器上一定時間(如一周、一個月、季度等);對于配電變壓器典型日期的上述參數整點值，記錄的電壓、電流極值和它們的采集時間，失電監控設備 I 監控子站 N 監控設備 N 監控中心監控子站 I 監控設備 N 監控設備 I 廈門大學博碩士論文摘要庫配電室智能監控系統的設計與實現 6 和恢復供電時間等，記錄并保存設備存儲器上，存儲時間一般應保存一年或更長，存儲在設備存儲器上的數據在 TTU 斷電時記錄的內容不應丟失[4]。(2)數據通信功能測控終端(TTU)應具備數據通信模塊，用于數據的本地及遠方傳輸，終端的通信要滿足靈活組網的要求，適應不同通信方式數據傳輸。在配電變壓器處不具備遠方通信條件或通信故障情況，運行人員能使用掌上電腦到現場進行數據抄錄，時間間隔可以是一周、一個月或更長，抄錄的數據能夠上傳到配電變壓器監測系統或其它配網管理系統中，用于進行數據分析和應用[5]。(3)智能無功補償功能利用測控終端(TTU)控制輸出，可以實現對配電變壓器無功補償電容器的投切，補償低壓側的功率因數，實現無功就地平衡，該電容器的投切控制可以通過測控終端采集的無功功率和電壓參數實現自動投切，遠方操作人員在控制中心也能進行遠方控制[5]。 2.1.2 遠程監測通信技術配電變壓器遠程監測系統建設中，配網通信的建設是重中之重，配網結構復雜，設備數量龐大，分支線路多，地域分布廣[6]。這些特點相應決定了數據監測業務數據通信接線復雜、監測點分散、地域分布廣、通信站點多、設備工作環境復雜、每個通信點的信息量少，可能只有幾百波特，但總體的數據信息量非常大的特點。因此，在建設配電變壓器遠程監測系統時，一要具備可靠性，通信鏈路不受地域、惡劣環境的影響，二要具有雙向通信功能。隨著通信技術的發展，無線通信技術由于其組網靈活，成本逐年下降，逐漸成為了配網自動化中采用的主要通信技術，常用的有微功率無線電臺通信、GPRS、2G、3G 通信、無線 WIFI 通信等技術。 1.Ad Hoc 網絡技術簡介廈門大學博碩士論文摘要庫第二章 相關技術介紹 7 Ad Hoc 網絡是一種特殊的網絡系統。它是自組織對等式多跳的無線移動通信形式。它其中，全部的網絡通信節點優先級一致，地位平等，不需要單獨設置網絡的中心控制節點，網絡節點既具有無線移動終端的功能，也有信息報文轉發功能。網絡節點之間的通信，因為信號傳輸距離的限制，一般情況下需要由數個網絡節點進行信息轉發來實現，即經過多跳來實現。(1)分區工作、自動組網：一臺性能優良的 GPRS 采集器和若干 Ad Hoc 節點可以覆蓋 0.5 至 3Km 半徑的區域;(2)自動路由、多級中繼：多級中繼技術特性，使得配電變壓器遠程監測系統的無線傳輸要求得到支持，通過其特性可以使每個無線通信分區覆蓋區域更廣、通信聯接更可靠。(3)降低硬件投資：符合電力系統中大多數設備的通信連接，相應也節約了通信接口的投資。(4)降低通訊費用：在一個特定的區域內，使用 GPRS 無線集中器大大減少，相應的通信費用也大幅度下降，長期運行費用的節約極為可觀。 2.GPRS 技術簡介 GPRS(General Packet Radio Service) 即通用分組無線業務的簡稱，它是從 GSM 網絡的基礎上發展起來的數據傳輸網絡，為了支持數據傳輸， GPRS 在 GSM 系統中增加了很多支持節點。應該說它是 GPRS 包含 GSM 網絡，在語音傳輸上使用 TDMA，數據傳輸上使用無線分組，推廣應用上，GPRS 使用了已經建成的 GSM 基站子系統，覆蓋面從一開始就得到全覆蓋[6]。 GPRS 技術結合數據通信的特點，對其無線通信部分進行了針對性改造，大幅度提升無線資源的使用效率，它一方面融合 GSM 與 IP 通信技術的精華，另一方面也保持了良好的移動性以及 IP 技術的靈活性，信道上能為如 TCP/IP 協議提供連接，用以實現數據傳輸、互聯網連接。對于通信使用者來說，GPRS 技術的優勢表現在數據傳輸速率高(理論帶寬 171. Kb/S)、自適應性強、接入時間短、收費方式合理(按流量計費)、可實現用戶“永遠在線”、移動性強等方面。這些優勢使得 GPRS 移動通信技術應用得到迅速提升，