基于GPRS網(wǎng)絡(luò)在智能箱式變電站監(jiān)控中的應用

  摘要：介紹基于GPRS網(wǎng)絡(luò)無線監(jiān)控在智能箱式變電站系統(tǒng)監(jiān)控中的解決方案，描述了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及各其構(gòu)成模塊功能，對系統(tǒng)特點進行了分析。

　　0概述

　　隨著我國城市現(xiàn)代化建設(shè)的飛速發(fā)展，城市配電系統(tǒng)的不斷改造更新，一種新型的智能箱式變電站應運而生，如圖1所示，這種新型的箱式變電站將高壓受電、變壓器降壓、低壓配電等功能有機地組合在一起，由于其具有集成化程度高、工廠預安裝、節(jié)能、節(jié)地、安全、美觀等特點，因此在城網(wǎng)建設(shè)與改造中得到廣泛應用。

圖1 智能箱式變電站

　　信息化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的快速發(fā)展，要求箱變不僅要安全穩(wěn)定運行，同時還要具有“四遙”（遙測、遙信、遙調(diào)、遙控）的智能化功能；達到故障區(qū)段快速準確定位、故障及時切除、負荷轉(zhuǎn)帶、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)等功能，從而保證快速恢復供電。

　　但是，智能箱式變電站一般安裝在負荷密集的工礦企業(yè)、港口、機場、城市公共建筑、高速公路、地下設(shè)施和居民住宅小區(qū)等場所；要對智能箱式變電站進行遠程監(jiān)控、系統(tǒng)組網(wǎng)，由于其布線施工比較苦難，一般的現(xiàn)場總線組網(wǎng)方式就很難實現(xiàn)。

　　本文介紹的就是一種基于GPRS網(wǎng)絡(luò)在智能箱式變電站監(jiān)控系統(tǒng)的應用實例，該系統(tǒng)成功解決了對箱式變電站進行監(jiān)控監(jiān)控中存在的布線困難問題，實現(xiàn)了遠程監(jiān)測系統(tǒng)的通訊問題，比有線通訊方式有著無可比擬的優(yōu)越性。目前該系統(tǒng)在山東淄博電力環(huán)網(wǎng)改造箱式變電站系統(tǒng)監(jiān)控中得以成功的應用，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，達到了預期的效果和設(shè)計要求。

　　1 基于GPRS箱變遠程監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計

　　基于GPRS箱變遠程監(jiān)控系統(tǒng)采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖2所示，即現(xiàn)場層、通訊層、管理層?，F(xiàn)場層主要由智能儀表組成主要完成箱變內(nèi)部電量與非電量的數(shù)據(jù)采集；通訊層主要由智能通訊服務器、GPRS MODEM組成，主要實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的集中采集和通訊管理；管理層不設(shè)監(jiān)控中心，主要由移動數(shù)據(jù)終端（用戶手機、email郵箱等）組成，主要用于接收箱變內(nèi)部運行數(shù)據(jù)；系統(tǒng)借助于移動的GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程采集和管理。

圖2系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

　　箱變內(nèi)部智能元器件由進線多功能網(wǎng)絡(luò)電力儀表、漏電報警裝置、溫濕度控制裝置、饋線測量儀表、開關(guān)量I/O模塊、風機故障檢測裝置、智能通訊服務器、無線GPRS modem等智能器件組成。

　　進線回路實現(xiàn)對低壓進線側(cè)的全電參量的測量：如檢測進線回路的電壓、電流、有功功率、無功功率、頻率、功率因數(shù)、四象限電能等電參量；同時還可以實現(xiàn)對進線回路遙信量的檢測，如：進線刀閘，斷路器位置，斷路器故障等；通過自身的繼電器輸出模塊，完成遠程合分斷路器的功能。

　　饋線回路通過多回路監(jiān)控單元實現(xiàn)對多條饋線回路點參量的集中采集，主要采集箱變內(nèi)部饋線回路的電流參量和開關(guān)位置信息；直觀的了解箱變內(nèi)部各個饋線的運行負荷狀態(tài)和開關(guān)位置。

　　漏電報警裝置通過安裝在各個回路的零序電流互感器分別采集各回路的漏電流，同時對超出安全警戒的漏電信息發(fā)出報警；提高各饋線回路用電安全指數(shù)。

　　溫濕度控制器主要檢測箱變內(nèi)部的溫濕度和變壓器鐵心溫度；通過箱變內(nèi)部的風機和加熱器，調(diào)節(jié)箱變內(nèi)部的溫濕度指數(shù)；為箱變內(nèi)部元器件提供穩(wěn)定的工作環(huán)境；從而提高內(nèi)部元器件的使用壽命和安全運行指數(shù)。

　　風機故障檢測裝置完成對風機制冷風機運行狀態(tài)進行檢測判斷，提高整個系統(tǒng)安全運行環(huán)境的指數(shù)。

　　智能通訊服務器為一臺嵌入式計算機，其具有軟件代碼小、高度自動化、響應速度快等特點，特別適合于要求實時和多任務的體系。嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、相關(guān)支撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)（內(nèi)嵌uCLinux操作系統(tǒng)）及應用軟件系統(tǒng)等組成，它是可獨立工作的“器件”。支持用戶編程操作，通過用戶設(shè)計應用程序，實現(xiàn)對箱變內(nèi)部數(shù)據(jù)采集、運算處理、任務管理、發(fā)送信息存儲和與無線GPRS MODEM的通訊等功能。

　　無線GPRS MODEM主要實現(xiàn)智能服務器與無限公網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸；GPRS是GSM的一種新數(shù)據(jù)業(yè)務，它在移動用戶和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間提供一種連接，給移動用戶提供高速無線IP和X.25 分組數(shù)據(jù)接入服務。GPRS （General Packet Radio Service）中文含義為通用分組無線服務，它是利用“包交換”（Packet-Switch）的概念所發(fā)展出的一套無線傳輸方式。所謂的包交換就是將Date 封裝成許多獨立的封包，再將這些封包一個一個傳送出去，形式上有點類似寄包裹，采用包交換的好處是只有在有資料需要傳送時才會占用頻寬，而且可以以傳輸?shù)馁Y料量計價，這對用戶來說是比較合理的計費方式，因為象Internet 這類的數(shù)據(jù)傳輸大多數(shù)的時間頻寬是閑置的。此外，在GSM phase 2+的標準里，GPRS 可以提供4種不同的編碼方式，這些編碼方式也分別提供不同的錯誤保護能力。GPRS技術(shù)的應用提高了系統(tǒng)的通訊組網(wǎng)靈活性、穩(wěn)定性。

　　2 基于GPRS箱變遠程監(jiān)控系統(tǒng)功能分析

　　系統(tǒng)功能根據(jù)箱變實際運行的智能要求和對整體運行成本的節(jié)約化進行設(shè)計；系統(tǒng)主要由運行故障報警和實時數(shù)據(jù)采集兩大任務模塊，如圖3所示。

圖3系統(tǒng)任務流程

　　運行故障報警主要為箱變內(nèi)部高壓開關(guān)狀態(tài)實時監(jiān)控和變位報警；報警內(nèi)容如圖4所示，包括：故障報警產(chǎn)生日期時間，站號，回路名稱，報警內(nèi)容等信息；報警范圍為高低壓主斷路器實時監(jiān)測，故障報警，變位報警；饋線斷路器狀態(tài)實時監(jiān)測及開關(guān)變位報警；各饋線回路的漏電報警；箱變內(nèi)部溫度異常報警；風機故障報警；及運行電壓的缺相和不平衡報警等報警信息組成。該報警信息主要通過智能元器件對箱變數(shù)據(jù)進行實時采集、運算、通訊上傳至由智能通訊服務器，再由通訊服務器進行運算、分析判斷；最后利用GPRS modem把有效的報警信息通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至指定用戶手機；使用戶及時響應故障報警，縮短故障恢復時間。同時考慮到GSM網(wǎng)絡(luò)繁忙和用戶手機是否在線等因素，支持報警信息多用戶，多次間隔發(fā)送。保證信息及時傳輸至用戶，增強系統(tǒng)運行的安全指數(shù)。

圖4短信報警信息

　　實時數(shù)據(jù)監(jiān)測，主要完成對箱變內(nèi)部的實時數(shù)據(jù)進行監(jiān)測。郵件內(nèi)容如圖5，包括：子站ID號碼，郵件發(fā)送日期時間，高低側(cè)遙測：三相電壓，三相電流，環(huán)境溫度，變壓器溫度；低壓進線側(cè)遙測：三相相電壓，三相線電壓，三相電流，有功功率，無功功率，功率因數(shù)，頻率，吸收有功電度，無功電度，負荷率，不平衡率；以及饋線回路的三相電流，漏電流等信息。通訊服務器負責數(shù)據(jù)采集、處理和郵件數(shù)據(jù)發(fā)送；由于郵件發(fā)送是采用定時發(fā)送機制，為了保證報警數(shù)據(jù)的實時性，因此對實時數(shù)據(jù)的采集也是定時完成的，即在需要發(fā)送郵件之前由通訊服務器負責數(shù)據(jù)的采集，處理，存儲；然后編輯郵件進行定時郵件發(fā)送，最終完成實時數(shù)據(jù)的遠程發(fā)送。

圖5 Email遙測信息內(nèi)容

　　3 基于GPRS箱變遠程監(jiān)控系統(tǒng)特性

　　經(jīng)濟性；由于監(jiān)控站點相對分散，大大減少了線纜鋪設(shè)的施工難度；只要有GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋的場所即可完成對箱變子站的監(jiān)控；不設(shè)監(jiān)控主站，系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)采用定時發(fā)送；報警信息實時短消息發(fā)送，大大減少了利用GPRS網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量費用；減少系統(tǒng)運行的成本，降低系統(tǒng)的運行費用。

　　穩(wěn)定性與可靠性；本系統(tǒng)是基于嵌入式計算機系統(tǒng)完成的，數(shù)據(jù)采集、報警發(fā)送、郵件發(fā)送都是有通訊服務器即嵌入式計算機完成；嵌入式計算機內(nèi)嵌uCLinux操作系統(tǒng)，具有很強的穩(wěn)定性與可靠性；避免系統(tǒng)因軟件和硬件造成的系統(tǒng)故障，提高了系統(tǒng)運行的免維護性。

　　獨立性；可以不依賴有固有的監(jiān)控主站獨立運行；每個子站都是一個獨立運行的監(jiān)控單元，單個子站的故障不會影響其它站點的正常使用；減少了因為監(jiān)控主站單點故障造成的整個系統(tǒng)癱瘓的弊端。

　　實時性；系統(tǒng)所有的功能都是有嵌入式計算機負責完成，嵌入式計算機采用了具有實時性很高的uCLinux操作系統(tǒng)，同時借助于覆蓋范圍廣，覆蓋信號強，傳輸速度快的GPRS網(wǎng)絡(luò)，極大提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、運算處理和報警發(fā)送的實時性；極大的提高了報警系統(tǒng)實時性，縮短故障報警的響應時間。

　　易用性；系統(tǒng)通過內(nèi)部配置文件完成對移動數(shù)據(jù)接收終端的配置，方便用戶對移動數(shù)據(jù)接收終端信息的變更；主要完成完成的變更信息為：短信報警發(fā)送次數(shù)、發(fā)送時間間隔、接收SIM號碼、發(fā)送郵箱地址、接收郵箱地址、發(fā)送郵件間隔、站地址等信息的變更；用戶把變更后的配置文件通過FTP上傳工具上傳至通訊服務器即可完成對監(jiān)控站點信息的變更；方便用戶對監(jiān)控站點信息修改和維護。

　　4 結(jié)束語

　　目前在智能箱式變電站智能化監(jiān)控系統(tǒng)的通信中，主要采用數(shù)傳電臺、GSM短消息、光纖接入等方式。數(shù)傳電臺的優(yōu)勢是除了每年的頻點費以外，平時運行無需額外費用，缺點是受地形、氣候的影響較大，造成系統(tǒng)的可靠性、實時性較差，無法主動上報；GSM短消息方式可以實現(xiàn)主動上報，缺點是按條收費，運行費用高，而且在節(jié)假日短消息中心服務器繁忙時延時相當長；光纖通信穩(wěn)定可靠，但是施工成本投入太大、擴展性差、光纖及設(shè)備等的維護方面很不方便；而GPRS通信則避免了以上問題，組網(wǎng)靈活，數(shù)據(jù)傳輸速度快，提高數(shù)據(jù)采集的靈活性和穩(wěn)定性。

　　實踐證明，該系統(tǒng)不僅可以用于遠程電力監(jiān)控，在遠程抄表電能管理方面也有很好的應用前景。