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基于GPRS的配電網自動化系統的研究
摘 要：本文對配電網一體化的綜合自動化系統做了研究，并提出了整體方案。該系統克服了現有自動化系統平臺不一致，功能單一，各系統間很難實現互聯和信息共享，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
配電自動化系統是利用現代電子技術、通信技術、計算機及網絡技術于一體，實現對配電網實時監測、保護、控制、用電及配電管理的智能系統。配電自動化有利于保證配網安全運行，監視配網運行狀態，優化配網運行方式。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形成了集變電所自動化、饋線分段開關監控、電容器組調節控制、用戶負荷控制和遠程抄表等系統于一體的配電網管理系統。我國配電自動化起步晚，但隨著輸電網自動化程度的提高，國家在配電上的資金投入也開始增加，實現一體化的配電自動化系統已成為研究熱點。
本文在此基礎上提出一種基于GPRS的配電自動化系統。系統采用以Internet TCP/IP標準協議的雙以太網結構，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和狀態信息采集到調度中心，由調度人員從調度中心發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，系統可以方便的擴展。計算機通過高速以太局域網連在一起。系統采用雙網冗余熱備份方式，所有的服務器和PC機都連接到這兩個以太網上，主網出故障時，在固定時間內系統自動或手動切換到備網運行，從而使系統更加安全可靠。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、下發召喚命令、接受FTU上傳信息、報文處理與規約解析、實時數據轉發和局域網對時。
SCADA服務器：是配電網自動化系統的控制中心，負責接收并處理各采集單元(RTU/FTU/TTU)或轉發單元的實時數據，監測報文和故障信息，并廣播到實時網，供其它各工作站使用，同時協調對各廠站的控制。在SCADA服務器上可以安裝商用關系數據庫，用于存儲系統運行參數和歷史數據，并作網絡數據庫來使用，提供與外界的數據接口。
調度員工作站：通過調度員工作站，操作者可以進行SCADA監控，可以查看配電網實時運行狀況、獲取報表、數據曲線、棒圖等統計資料，同時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現功能擴展。
二、配電自動化子站系統
配網監控子站是配網自動化系統的中間層，向上與配網主站等各個系統進行計算機通信，向下與所轄區內終端設備進行通信，完成終端設備數據的集中和轉發，可以實現遙測、遙信、遙控、當地監控及故障隔離等功能;并將實時數據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、環網開關、箱式變等各種現場信息的采集和監控功能。一體化設計的配網自動化遠方終端FTU是按同時面向變電站(開閉所)間隔與配網自動化饋線設計的一體化現場終端，由綜合自動化系統監控單元、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自動化系統中的管理。該裝置可與SCADA主站通信，完成對配網線路的各種監控功能。
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境和具有很高的可靠性，要能在-40～+85°C溫度和環境里正常工作，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，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，在其出現故障時通過自檢及時發現，而通過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保障其可靠性。
配網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]。同時進行電源監視，在主電源失電、備用電源輸出電壓過低時產生故障信號，以狀態量變位元的方式上報并產生時間記錄。電源還需要有自檢功能，實現對交流的監測，當交流電壓有電時，提供一個±24V輸出給監控插件開入，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，一旦發現終端的內存、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、通訊方式和通信規約的選擇
4.1 通訊規約的選擇
遠動通信規約是遠動技術中的重要組成部分。在不同的通信系統相結合的配網自動化中，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)、循環式規約(如部頒CDT，DXF5和Col等)和對等方式規約(DNP3.0)三類。101規約比較適用于網絡拓撲結構為點對點、多點共線、多點星形等網絡配置的遠動系統中，通道可以是全雙工或半雙工的情況。有上面的分析可見，101規約比其他規約能更好地滿足較大規模饋線自動化系統的通訊要求。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、覆蓋范圍及組網特點幾個角度出發，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的過程中，選擇既經濟又實用的通信方案是決定該系統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系統與調度端通信要求
配電網自動化系統的實時數據是由SCADA系統收集的，包括故障定位系統在內的各類高層軟件都必須有效的使用這一數據源，而且不應產生數據沖突，影響各自的運行。本文采用WINSOCK實現定位軟件系統與SCADA系統通訊的方法。WINSOCK源于TCP/IP網絡編程的Socket接口，是一種網絡的API。網絡通訊通常包括兩臺計算機或兩個進程，通過網絡傳遞它們之間的數據。當使用Socket接口對網絡通訊編程時，Socket是網絡通訊過程中端點的抽象表示。為了進行通訊，網絡中對話的計算機或進程都必須建立一個Socket，通過兩個Socket之間的連接實現點對點或多點之間的數據通訊。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，也就是進行數據的相互傳遞。Socket通訊通常有兩種方式，即：采用面向連接協議的方式和無連接協議的方式，或稱數據流方式和報文方式，在進行大量數據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是一種網絡編程接口，所以，在進行通訊時必須了解對方的網址，并建立連接的端口。
4.4 SCADA系統與調度端通信的實現
SCADA系統與調度端的通信通常通過兩種方式觸發，一種是定時方式，另一種十越限報警方式。因此系統運行時一般是每隔一固定時段進行一次數據通訊，用以修正反映系統現行運行狀態的動態數據庫。通訊采用服務器一客戶機方式。非阻塞模式，以避免產生通訊死鎖。通訊模塊分為兩部分，即服務器模塊和客戶機模塊，服務器模塊以循環方式發送正常狀態數據，及隨機發送故障數據。客戶機模塊一經啟動即處于監聽狀態，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，以讀寫緩沖區的形式實現服務器一客戶機間的數據包傳輸。由于采用Soket編程，所以通訊遵循TCP/IP協議，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，數據類型，數據長度，奇偶校驗字等信息。
五、總結
本文對配電網一體化的綜合自動化系統做了研究，提出了整體方案。該系統克服了現有自動化系統平臺不一致，功能單一，各系統間很難實現互聯和信息共享，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的供電可靠性和電網的調度管理水平。
參考文獻：
[1]劉健，等.配電自動化系統[M].中國水利水電出版社，2003.
[2]張鋒.基于FTU的饋線自動化技術在農網改造中的應用[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，2000(2).
[4]章欣，劉峰格，等.配電網自動化系統通信規約的探討[J].河北電力技術，2001，20(4)：7-9.
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