配電室智能監控系統的設計與實(shí)現

　摘要

　　隨著(zhù)我國經(jīng)濟實(shí)力的不斷增強，電力系統也取得了顯著(zhù)的成就。當前我國電網(wǎng)規模不斷擴充。居民對于供電的可靠性與質(zhì)量要求大幅提高。因此，如何確保提供經(jīng)濟安全、優(yōu)質(zhì)可靠的電力是我國電力系統在未來(lái)發(fā)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(zhù)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(shí)對電力儀表進(jìn)行檢查并形成報表，其工作效率低下，無(wú)法適應迅速發(fā)展的供電規模與用電客戶(hù)的用電需求。如何利用信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò )傳輸技術(shù)對配電室電力設備的運轉狀態(tài)進(jìn)行遠程實(shí)時(shí)監控，提高配電室管理的信息化水平，增強居民用電的質(zhì)量管理，是當前電力系統部門(mén)以及其他經(jīng)濟部門(mén)的發(fā)展方向之一，本課題以小區變配電自動(dòng)化監控系統為研究對象，設計了一個(gè)監控平臺，實(shí)現監控系統的基本要求，能夠監控小區電網(wǎng)的運行情況，實(shí)現數據顯示、數據查詢(xún)、報表生成打印、曲線(xiàn)顯示打印等功能。

　　本文通過(guò)對配網(wǎng)監測技術(shù)的現狀分析及發(fā)展趨勢，針對配電室的運行特點(diǎn)，提出了基于 GPRS 快速及時(shí)的互聯(lián)網(wǎng)連接和微功耗無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)相結合的配電變壓器監控通信技術(shù)方案的農村配電變壓器遠程監測系統。具體來(lái)說(shuō)，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(diǎn)、Ad Hoc 路由節點(diǎn)、Ad Hoc 網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)、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(dòng)組網(wǎng)、自動(dòng)路由、多級中繼等優(yōu)勢，降低了硬件投資和通訊費用。關(guān)鍵詞： 廈門(mén)大學(xué)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(wǎng)末端傳輸、多次分配電能的主要電氣設備場(chǎng)所，是城市電力網(wǎng)的不可或缺的一部分。長(cháng)期以來(lái)，配電室如何高效運行一直是電力部門(mén)日常管理的較為薄弱的部分，配電室刀閘開(kāi)關(guān)誤跳或配電室溫度過(guò)高，濕度過(guò)高，雨水浸漬，都會(huì )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(hù)正常的用電，由于目前配電室監控手段較為欠缺，尚不能實(shí)時(shí)反饋設備運行工況，及時(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。因此，在配電室加裝計算機監控系統，實(shí)現配電室環(huán)境和供電設備各種狀態(tài)量的在線(xiàn)監測，通過(guò)后臺系統集成開(kāi)發(fā)，可以實(shí)現各種監測數據的查詢(xún)、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(shí)高效的經(jīng)濟效益方面，供配電計算機監控系統的優(yōu)越性更加突顯，高性?xún)r(jià)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(shí)現供配電監控系統的遙測、遙控、遙信、遙視控制，對系統進(jìn)行綜合監測和統一管理可以節約人力資源，降低員工勞動(dòng)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(xún)供配電室各設備運行工況(包括歷史和實(shí)時(shí)參數)，并根據用戶(hù)實(shí)際情況進(jìn)行日報、月報 和年報查詢(xún)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(lèi)保存、歸檔、統計和調用采集到的數據，根據用戶(hù)要求按照名稱(chēng)、時(shí)間和區域等選項檢索，以便進(jìn)行數據查詢(xún)和故障分析。供配電監控管理系統可以根據用戶(hù)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(jìn)行修改和操作。綜上所述，供配電監控系統的優(yōu)越性是顯而易見(jiàn)的，對供配電監控與管理系統進(jìn)行研究很有必要的，同時(shí)供配電監控系統必將會(huì )應用得越來(lái)越廣泛。廈門(mén)大學(xué)博碩士論文摘要庫配電室智能監控系統的設計與實(shí)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(dòng)化始于上世紀 90 年代，與外發(fā)達國家相比大約滯后 20 年，受資金、科學(xué)技術(shù)水平、認識水平等因素制約，發(fā)展一直比較緩慢主要問(wèn)題有：(1)從系統功能角度上來(lái)講，功能單一化，實(shí)際應用性差，其試點(diǎn)工程大多引入的國外的饋線(xiàn)自動(dòng)化設備建立就地控制模式，僅能進(jìn)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(lái)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(dòng)化認識不同，在各種單項功能上欠缺綜合性考慮，使得各個(gè)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(lái)講，應用停留在初級階段，缺少高級應用，很多技術(shù)都處于理論分析階段[2]。 隨著(zhù)經(jīng)濟水平和科學(xué)技術(shù)的提高，國家對城鄉電網(wǎng)改造力度逐漸加強，供配電監控的自動(dòng)化水平也取得了長(cháng)足的進(jìn)展，降低了供電企業(yè)人員勞動(dòng)生產(chǎn)強度，增強供配電企業(yè)現代管理水平，提高了居民和企業(yè)的供電可靠率、供電質(zhì)量，保障了供配電企業(yè)的設備安全。 國內供配電大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)監控智能化、自動(dòng)化發(fā)展階段。第一階段，主要是引進(jìn)學(xué)習國外自動(dòng)化開(kāi)關(guān)設備實(shí)現開(kāi)關(guān)設備的自動(dòng)化，主要功能是通過(guò)開(kāi)關(guān)設備之間的配合實(shí)現故障區域的定位、隔離和自動(dòng)恢復供電。缺點(diǎn)是缺乏自主能力，自動(dòng)化程度較低，只能在故障發(fā)生以后進(jìn)行處理，無(wú)法優(yōu)化運行方式，當發(fā)生故障或調整系統后需人工到現場(chǎng)對相關(guān)參數進(jìn)行設置，缺乏靈活性且耗費人力資源，同時(shí)當故障發(fā)生后需要對故障區域開(kāi)關(guān)多次重合，加大了電力設備損耗，增加了運營(yíng)成本。廈門(mén)大學(xué)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(wǎng)絡(luò )通信設備、計算機網(wǎng)絡(luò )和饋線(xiàn)終端，通過(guò)建立主站系統實(shí)現對在各配電子站、遠方終端進(jìn)行控制，采用通信技術(shù)，實(shí)現對配電網(wǎng)監控的功能。在供配電網(wǎng)正常運行狀態(tài)下可以對供配電網(wǎng)進(jìn)行監控和運行管理，系統運行參數更加優(yōu)化，當局部發(fā)生發(fā)生故障時(shí)，能及時(shí)控制，縮短故障處理時(shí)間，缺點(diǎn)是需要借助通信系統，且對故障的處理需要依賴(lài)主站[3]。第三階段，經(jīng)歷了上兩個(gè)階段，我國開(kāi)始在此基礎上改進(jìn)，加入組態(tài)軟件，借助自動(dòng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和通信技術(shù)，監控工程可以由計算機上的軟件自動(dòng)完成，實(shí)現各子系統之間資源共享，達到供配電管理自動(dòng)化[3]。 1.2.2 國外研究現狀國外的供配電監控的自動(dòng)化起步比較早，上世紀 70 年代，國外的一些發(fā)達國家就開(kāi)始發(fā)展供配電監控系統自動(dòng)化，國外的供配電監控系統自動(dòng)化已發(fā)展很完善帶動(dòng)相應的經(jīng)濟發(fā)展，許多著(zhù)名電力系統設備的生產(chǎn)商基本都涉足供配電自動(dòng)化領(lǐng)域，例如施耐德公司、西門(mén)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(wǎng)自動(dòng)化相關(guān)產(chǎn)品，形成了完善的自動(dòng)化功能體系[4]。 國外供配電監控自動(dòng)化的實(shí)現，大致分為對饋線(xiàn)自動(dòng)化的實(shí)施，然后建立通信通道，通過(guò)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(gè)系統而言尚留有大量的開(kāi)發(fā)空間，比如供配電監控自動(dòng)化、智能化和已開(kāi)發(fā)的部分功能重疊。供配電監控系統朝著(zhù)向開(kāi)放式、智能化、自動(dòng)化和集成化的綜合性方向發(fā)展。目前已經(jīng)具有相當龐大的規模，并提高了供配電網(wǎng)運行安全可靠性，加強了運行和控制效率，保障供電質(zhì)量，降低人員勞動(dòng)強度，充分利用網(wǎng)絡(luò )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(shí)間，保障了居民和用電企業(yè)對電能質(zhì)量和可靠性的需求，帶來(lái)了極為可觀(guān)的社會(huì )效益和經(jīng)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(tài)監測系統軟件的新要求廈門(mén)大學(xué)博碩士論文摘要庫配電室智能監控系統的設計與實(shí)現 4 出發(fā)，研究軟件工程技術(shù)和方法在配電室狀態(tài)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(guān)理論和方法，為配電室狀態(tài)監測平臺的工程化研發(fā)奠定了理論基礎。同時(shí)分析了配電室狀態(tài)監測平臺的工程化研發(fā)的必要性，探討了實(shí)際應用、開(kāi)發(fā)中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)，提出了一種配電室狀態(tài)監測系統軟件工程化開(kāi)發(fā)的具體方法。以國網(wǎng)福州供電公司狀態(tài)智能監控系統軟件的開(kāi)發(fā)作為示范，闡述了該系統研發(fā)工程化方法在配電室狀態(tài)監測系統軟件探發(fā)中的具體操作手段。并對軟件研發(fā)結果進(jìn)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(jiǎn)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(chǎn)的巨大推動(dòng)作用;最后，說(shuō)明了課題的主要框架。 第二章對本課題所用到的技術(shù)做了介紹及功能特點(diǎn)方面的概述。第三章對系統各部分功能做出了說(shuō)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(kāi)發(fā)方法，討論了配電室狀態(tài)監測系統軟件工程化開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù);詳細闡述該系統軟件的整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程，以及工程化實(shí)施應注意的問(wèn)題。第五章軟件工程化開(kāi)發(fā)結果分析。分析軟件工程化開(kāi)發(fā)的質(zhì)量和效率。 第六章全文總結。對今后要開(kāi)展的實(shí)踐活動(dòng)進(jìn)行一些設想。 廈門(mén)大學(xué)博碩士論文摘要庫第二章 相關(guān)技術(shù)介紹 5 第二章 相關(guān)技術(shù)介紹 2. 1 配電室遠程監測系統的關(guān)鍵技術(shù) 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(yè)提升配電網(wǎng)精細化管理水平的一個(gè)重要技術(shù)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(shí)現實(shí)時(shí)監測和運行分析，提高用戶(hù)對供電的滿(mǎn)意度和促進(jìn)配網(wǎng)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(gè)區域的變壓器運行工況進(jìn)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(shí)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(shí)間(如一周、一個(gè)月、季度等);對于配電變壓器典型日期的上述參數整點(diǎn)值，記錄的電壓、電流極值和它們的采集時(shí)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(mén)大學(xué)博碩士論文摘要庫配電室智能監控系統的設計與實(shí)現 6 和恢復供電時(shí)間等，記錄并保存設備存儲器上，存儲時(shí)間一般應保存一年或更長(cháng)，存儲在設備存儲器上的數據在 TTU 斷電時(shí)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(mǎn)足靈活組網(wǎng)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(chǎng)進(jìn)行數據抄錄，時(shí)間間隔可以是一周、一個(gè)月或更長(cháng)，抄錄的數據能夠上傳到配電變壓器監測系統或其它配網(wǎng)管理系統中，用于進(jìn)行數據分析和應用[5]。(3)智能無(wú)功補償功能利用測控終端(TTU)控制輸出，可以實(shí)現對配電變壓器無(wú)功補償電容器的投切，補償低壓側的功率因數，實(shí)現無(wú)功就地平衡，該電容器的投切控制可以通過(guò)測控終端采集的無(wú)功功率和電壓參數實(shí)現自動(dòng)投切，遠方操作人員在控制中心也能進(jìn)行遠方控制[5]。 2.1.2 遠程監測通信技術(shù)配電變壓器遠程監測系統建設中，配網(wǎng)通信的建設是重中之重，配網(wǎng)結構復雜，設備數量龐大，分支線(xiàn)路多，地域分布廣[6]。這些特點(diǎn)相應決定了數據監測業(yè)務(wù)數據通信接線(xiàn)復雜、監測點(diǎn)分散、地域分布廣、通信站點(diǎn)多、設備工作環(huán)境復雜、每個(gè)通信點(diǎn)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(diǎn)。因此，在建設配電變壓器遠程監測系統時(shí)，一要具備可靠性，通信鏈路不受地域、惡劣環(huán)境的影響，二要具有雙向通信功能。隨著(zhù)通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)由于其組網(wǎng)靈活，成本逐年下降，逐漸成為了配網(wǎng)自動(dòng)化中采用的主要通信技術(shù)，常用的有微功率無(wú)線(xiàn)電臺通信、GPRS、2G、3G 通信、無(wú)線(xiàn) WIFI 通信等技術(shù)。 1.Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò )技術(shù)簡(jiǎn)介廈門(mén)大學(xué)博碩士論文摘要庫第二章 相關(guān)技術(shù)介紹 7 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò )是一種特殊的網(wǎng)絡(luò )系統。它是自組織對等式多跳的無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信形式。它其中，全部的網(wǎng)絡(luò )通信節點(diǎn)優(yōu)先級一致，地位平等，不需要單獨設置網(wǎng)絡(luò )的中心控制節點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)既具有無(wú)線(xiàn)移動(dòng)終端的功能，也有信息報文轉發(fā)功能。網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)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(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)進(jìn)行信息轉發(fā)來(lái)實(shí)現，即經(jīng)過(guò)多跳來(lái)實(shí)現。(1)分區工作、自動(dòng)組網(wǎng)：一臺性能優(yōu)良的 GPRS 采集器和若干 Ad Hoc 節點(diǎn)可以覆蓋 0.5 至 3Km 半徑的區域;(2)自動(dòng)路由、多級中繼：多級中繼技術(shù)特性，使得配電變壓器遠程監測系統的無(wú)線(xiàn)傳輸要求得到支持，通過(guò)其特性可以使每個(gè)無(wú)線(xiàn)通信分區覆蓋區域更廣、通信聯(lián)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(gè)特定的區域內，使用 GPRS 無(wú)線(xiàn)集中器大大減少，相應的通信費用也大幅度下降，長(cháng)期運行費用的節約極為可觀(guān)。 2.GPRS 技術(shù)簡(jiǎn)介 GPRS(General Packet Radio Service) 即通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)的簡(jiǎn)稱(chēng)，它是從 GSM 網(wǎng)絡(luò )的基礎上發(fā)展起來(lái)的數據傳輸網(wǎng)絡(luò )，為了支持數據傳輸， GPRS 在 GSM 系統中增加了很多支持節點(diǎn)。應該說(shuō)它是 GPRS 包含 GSM 網(wǎng)絡(luò )，在語(yǔ)音傳輸上使用 TDMA，數據傳輸上使用無(wú)線(xiàn)分組，推廣應用上，GPRS 使用了已經(jīng)建成的 GSM 基站子系統，覆蓋面從一開(kāi)始就得到全覆蓋[6]。 GPRS 技術(shù)結合數據通信的特點(diǎn)，對其無(wú)線(xiàn)通信部分進(jìn)行了針對性改造，大幅度提升無(wú)線(xiàn)資源的使用效率，它一方面融合 GSM 與 IP 通信技術(shù)的精華，另一方面也保持了良好的移動(dòng)性以及 IP 技術(shù)的靈活性，信道上能為如 TCP/IP 協(xié)議提供連接，用以實(shí)現數據傳輸、互聯(lián)網(wǎng)連接。對于通信使用者來(lái)說(shuō)，GPRS 技術(shù)的優(yōu)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(shí)間短、收費方式合理(按流量計費)、可實(shí)現用戶(hù)“永遠在線(xiàn)”、移動(dòng)性強等方面。這些優(yōu)勢使得 GPRS 移動(dòng)通信技術(shù)應用得到迅速提升，