掌機(jī)終端與柱上開關(guān)控制裝置整合的應(yīng)用

陳華霖，陳海昆，吳愛軍，唐明瑜

（1.上海市電力公司松江供電公司，上海 201600；2.上海資和通信科技有限公司，上海 200235）

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷深入，智能化柱上開關(guān)控制系統(tǒng)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用將越來越廣泛，并將逐步取代傳統(tǒng)的機(jī)械式柱上開關(guān)及斷路器。為了最大限度地發(fā)揮智能化柱上開關(guān)及控制系統(tǒng)的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)對智能化柱上開關(guān)的非接觸操作，提高現(xiàn)場維護(hù)效率，在分析現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，闡述了一種新型的基于短距離無線技術(shù)的掌機(jī)終端的實(shí)現(xiàn)方法，并論述了其優(yōu)點(diǎn)。

1 柱上開關(guān)的現(xiàn)狀分析

為了有效地保護(hù)配電網(wǎng)絡(luò)，快速隔離故障點(diǎn)，配電線路中需要安裝一定數(shù)量的柱上開關(guān)，用于實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù)和接地保護(hù)，確保配電網(wǎng)在電流過載時(shí)不被燒毀。然而，目前在開關(guān)的使用和維護(hù)過程中，存在諸多問題。

1）帶電操作存在安全隱患 傳統(tǒng)柱上斷路器需要維護(hù)人員用爬桿或利用云梯提升的方式帶電進(jìn)行接觸性維護(hù)，需要確保設(shè)備的有效接地，否則存在嚴(yán)重的安全隱患。另外，特種車輛數(shù)量有限，而各班組還有大量的工作需要用到特種車輛和設(shè)備，特別在迎峰度夏和特殊保電階段，很難做到及時(shí)到位，這也影響了柱上開關(guān)的維護(hù)及時(shí)性和配電網(wǎng)的運(yùn)行可靠性。

2）缺乏通信接口 由于無線通信接口的缺失，只能利用現(xiàn)場總線的方式來進(jìn)行通信，設(shè)備無法在遠(yuǎn)端進(jìn)行操作，柱上開關(guān)僅能起到故障保護(hù)功能，無法為實(shí)現(xiàn)“手拉手”供電，非故障區(qū)的自動(dòng)恢復(fù)供電提供實(shí)時(shí)信息，柱上開關(guān)對于配網(wǎng)建設(shè)的意義因此大打折扣。

3）操作簡易性不夠 傳統(tǒng)的柱上斷路器操作繁瑣，通過撥碼開關(guān)整定數(shù)據(jù)不直觀，容易引起操作失誤；在新型柱上斷路器的控制器上，雖然配備了多種式樣的手持設(shè)備，由于此類掌機(jī)大多不采用友善的圖形化界面的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)做平臺，會使維護(hù)人員入門難，且安全認(rèn)證機(jī)制不充分，容易造成維護(hù)時(shí)操作錯(cuò)誤，從而影響配電線路的正常運(yùn)行，對客戶的生產(chǎn)和生活帶來影響。

4）缺乏故障數(shù)據(jù)下載功能 傳統(tǒng)的柱上斷路器、現(xiàn)役新型柱上斷路器控制系統(tǒng)無法紀(jì)錄故障波形數(shù)據(jù)，只有少數(shù)支持故障錄波功能的，手持設(shè)備依然缺乏數(shù)據(jù)下載功能，因此無法實(shí)現(xiàn)故障的回溯分析，也就無法有針對性的對配電線路的建設(shè)和運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化。

隨著配電網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)，電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，復(fù)雜程度的日益提高，客戶對供電可靠性和電能質(zhì)量的要求也越來越高，這就要求供電公司以更高標(biāo)準(zhǔn)和更快的速度去維護(hù)和處理配電網(wǎng)發(fā)生的故障。同時(shí)，為了有效推進(jìn)智能化配電網(wǎng)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)架空線的環(huán)網(wǎng)控制、故障隔離和線路優(yōu)化都變得愈發(fā)重要。

上述問題的解決，均依賴于柱上開關(guān)智能化管理控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，掌機(jī)終端作為智能化柱上開關(guān)系統(tǒng)的重要組成部分，對掌機(jī)終端的研發(fā)也就變得愈發(fā)重要與緊迫。

2 現(xiàn)場掌機(jī)終端的解決方案

為了解決上述問題，可通過掌機(jī)終端對配電線路中的柱上開關(guān)及控制系統(tǒng)進(jìn)行近距離監(jiān)測和無線操控，如圖1所示。

圖1 近距離監(jiān)測和無線操控示意圖

通過掌機(jī)終端可以整定開關(guān)的相關(guān)參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示配電線路中柱上開關(guān)的分合閘狀態(tài)，顯示負(fù)荷電流、零序電流等相關(guān)電能質(zhì)量參數(shù)，讀取錄波數(shù)據(jù)的功能。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，需要利用嵌入式軟硬件的設(shè)計(jì)方法，還需要利用電力電子技術(shù)、無線通信技術(shù)、電力繼電保護(hù)技術(shù)等相關(guān)交界技術(shù)。

2.1 選擇433MHz無線通信方式

針對上述無線接口的缺失和現(xiàn)場操作的安全性來說，需要選擇一種適合于柱上開關(guān)掌機(jī)終端的無線通信方式。目前，國內(nèi)外無線領(lǐng)域較受關(guān)注的技術(shù)主要有：紅外通信技術(shù)、藍(lán)牙、ZigBee，Wi－Fi，通用分組無線服務(wù)技術(shù)、頻移鍵控技術(shù)（FSK）和幅移鍵控調(diào)制技術(shù)（ASK）等，無線技術(shù)紛繁復(fù)雜，并非每種技術(shù)都適合于柱上開關(guān)掌機(jī)終端。

由于紅外通信技術(shù)存在通信距離短、沒有移動(dòng)性、傳輸有方向、速率較低，故不合適；藍(lán)牙技術(shù)受制于傳輸距離較短（10m左右）、功耗相對較高（100mW左右）等問題，故不合適；ZigBee的穿透性不強(qiáng)，技術(shù)不理想，故不合適；Wi－Fi發(fā)射功率大（超過1W），成本高，主要用于民用，故不合適；GPRS用于遠(yuǎn)程傳輸，功耗較大，適合于設(shè)備與數(shù)據(jù)主站應(yīng)用，故不合適。只有基于FSK和ASK技術(shù)的射頻技術(shù)，不僅功耗較低，通信距離較遠(yuǎn)，抗干擾能力好，穿透力強(qiáng)，在配電網(wǎng)現(xiàn)場通信方面具有特有的優(yōu)勢，故選擇基于FSK方式的433 MHz小無線通信作為傳輸手段。

2.2 采用可視化圖形客戶界面

為了實(shí)現(xiàn)操作簡易，維護(hù)人員入門便捷，需要一個(gè)圖形化的界面。在常見的PDA等小型手持式終端上，由于PDA自身硬件條件的限制，以及無線傳輸模塊功耗與體積的限制，通常工業(yè)客戶的無線掌機(jī)界面都非常簡單和文字化，幾乎看不到類似PC機(jī)的美觀界面。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，在掌機(jī)上嵌入熱插拔式的無線傳輸模塊已成為可行的方案，并且還得到PDA的圖形客戶界面支持。因此，掌機(jī)系統(tǒng)采用通用性、兼容性較好的客戶平臺，屏棄了煩瑣的純文字化界面。

2.3 引入安全管理機(jī)制

為了進(jìn)一步保證操作的安全性，減少現(xiàn)場誤動(dòng)作，以及提高數(shù)據(jù)傳輸過程中的完整性和安全性，引入了各種安全機(jī)制。比如：柱上開關(guān)系統(tǒng)與掌機(jī)之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，在原有一套傳輸協(xié)議之外，加一層無線傳輸協(xié)議，使數(shù)據(jù)本體更為隱蔽和安全，而且數(shù)據(jù)本體和協(xié)議各有校驗(yàn)方案，使數(shù)據(jù)出錯(cuò)的概率大為降低，提高了掌機(jī)終端通信過程的穩(wěn)定性和安全性。又如：掌機(jī)軟件控制系統(tǒng)引入客戶和密碼管理機(jī)制，只有高權(quán)限的客戶才可通過掌機(jī)終端操控智能化柱上開關(guān)，屏蔽了未被受權(quán)人員的意外操作，在提高線路安全運(yùn)行的同時(shí)，也方便供電公司集中管理。

3 掌機(jī)終端功能的實(shí)現(xiàn)

掌機(jī)終端是智能化柱上開關(guān)系統(tǒng)的組成部分之一，要實(shí)現(xiàn)掌機(jī)應(yīng)有的功能，需要實(shí)現(xiàn)終端硬件和終端軟件兩大部分。

3.1 掌機(jī)終端硬件實(shí)現(xiàn)

掌機(jī)終端硬件主要依托于PDA和筆記本計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)的PC卡總線接口（傳輸速度接近于總線速度），并支持熱插拔的PCMCIA接口轉(zhuǎn)433MHz小無線接口卡和PDA終端兩部分組成，通過PCMCIA接口連接在一起，如圖2所示。PCMCIA無線接口卡插入PDA終端的PCMCIA接口卡槽后，PDA自動(dòng)識別PCMCIA無線接口卡，完成驅(qū)動(dòng)程序安裝后，通過PCMCIA接口交換數(shù)據(jù)或通信。

圖2 掌機(jī)終端內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

1）PCMCIA接口轉(zhuǎn)433MHz小無線接口卡

由PCMCIA接口模塊與無線傳輸模塊構(gòu)成，分別制作了專用通道，通過串行口通信。PCMCIA接口模塊將來自PDA的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)發(fā)送至無線傳輸模塊，由無線傳輸模塊通過433 MHz的FSK無線信號傳輸至柱上開關(guān)控制器。這是數(shù)據(jù)發(fā)送的傳輸順序，而數(shù)據(jù)接收的傳輸順序則相反。

2）PDA終端 PDA終端是接口卡和應(yīng)用軟件的軟硬件載體，其硬件配置至關(guān)重要?；九渲糜芍黝l為312MHz的CPU，64M的內(nèi)存，192M的固態(tài)硬盤，PC卡接口，觸摸屏組成，預(yù)裝WindowMobile5.0系統(tǒng)［2］，電池續(xù)航時(shí)間超過4h。

開發(fā)的掌機(jī)應(yīng)用軟件安裝在Window Mobile系統(tǒng)上，通過PCMCIA接口與接口卡交互，接口卡再與柱上開關(guān)控制器通信，從而實(shí)現(xiàn)掌機(jī)與柱上開關(guān)控制器間的通信。

3.2 掌機(jī)終端軟件實(shí)現(xiàn)

掌機(jī)終端軟件是一種基于WindowMobile操作系統(tǒng)的嵌入式軟件，采用面向?qū)ο蟮腃＃語言和采用具有圖形化繪制界面的Microsoft Visual IDE進(jìn)行編程，使程序設(shè)計(jì)過程更加自然、更加直觀、更加方便，使維護(hù)難度減低并且給軟件的擴(kuò)展提供了支持。

掌機(jī)終端軟件采用分頁式的布局方式設(shè)計(jì)，軟件界面功能分布合理，操作方便，容易使用，并且有效提高了掌機(jī)終端操作的準(zhǔn)確性。

1）軟件的總體流程 如圖3所示，在掌機(jī)終端軟件的操作界面中，輸入相應(yīng)的用戶參數(shù)和固定命令（如整定值參數(shù)、時(shí)間信息、串口參數(shù)、通信地址參數(shù)、查詢命令等），提交后，軟件會判斷數(shù)據(jù)的合法性，只有合法的數(shù)據(jù)才被傳送至戶外柱上斷路器。斷路器解析運(yùn)算后，返回一組應(yīng)答幀，完成一次完整的數(shù)據(jù)傳輸過程。若應(yīng)幀錯(cuò)誤或者等待幀超時(shí)，軟件發(fā)起新一輪的發(fā)送，重發(fā)多次仍失敗，軟件宣告發(fā)送不成功。

圖3 系統(tǒng)簡化流程圖

2）數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn) 軟件后臺代碼在采集到用戶輸入或請求等有效命令數(shù)據(jù)后，通過調(diào)用WindowsAPI函數(shù)的方式，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)計(jì)算及CRC校驗(yàn)合成，打包成約定的通信協(xié)議形式的數(shù)據(jù)幀，再轉(zhuǎn)換成RS－232協(xié)議允許的數(shù)據(jù)流并通過串口至無線接口模塊，經(jīng)過無線轉(zhuǎn)換后發(fā)送到控制器。控制器接收到掌機(jī)終端發(fā)送來的數(shù)據(jù)流后，根據(jù)RS－232協(xié)議對數(shù)據(jù)流進(jìn)行解碼并處理解析到的用戶輸入數(shù)據(jù)和請求等命令?？刂破鲌?zhí)行完用戶的請求和數(shù)據(jù)輸入等命令后，以同樣的通信方式提交處理結(jié)果給掌機(jī)終端。

數(shù)據(jù)流被轉(zhuǎn)換成433MHz無線信號傳輸，在數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)某跗谛枰M(jìn)行軟件握手連接。實(shí)現(xiàn)一次完整的數(shù)據(jù)傳輸過程為：發(fā)送連接請求，返回請求應(yīng)答，發(fā)送驗(yàn)證信證，返回驗(yàn)證信息，再到實(shí)質(zhì)的數(shù)據(jù)交互。

3）故障錄波數(shù)據(jù)的處理 在柱上開關(guān)發(fā)生故障分閘后，柱上開關(guān)控制裝置中保存了故障錄波數(shù)據(jù)。掌機(jī)終端通過錄波讀取命令，一幀一幀的讀取錄波數(shù)據(jù)，并存儲在內(nèi)存中，讀取過程結(jié)束，將錄波數(shù)據(jù)以XML文件的形式轉(zhuǎn)存在固態(tài)硬盤中。

在完成錄波數(shù)據(jù)的讀取與存儲過程后，軟件對錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行了抽象量化處理，包括單個(gè)通道的所有采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)、單個(gè)通道的所有采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)、模擬量通道繪制時(shí)的顏色、繪制此通道波形時(shí)縱向比例系數(shù)、波形通道占據(jù)的繪制寬度、波形通道在界面上占據(jù)的位置、通道最大值、通道最小值等。處理完后，將數(shù)據(jù)打印到顯示屏的坐標(biāo)上。在數(shù)據(jù)處理過程中使用了STL技術(shù)，使數(shù)據(jù)序列的內(nèi)存維護(hù)由STL自身完成，減少了內(nèi)存分配與釋放，提高了軟件效率，是本軟件隱含的性能優(yōu)勢。

4）提高安全性的措施 為了提高掌機(jī)終端操作的準(zhǔn)確性，減少誤操作，掌機(jī)終端采用了多項(xiàng)措施。

采用用戶加管理員的用戶權(quán)限控制方案，即基本用戶只能對控制器和柱上斷路器進(jìn)行操作而無權(quán)對本用戶的用戶名和密碼進(jìn)行修改，而管理員用戶只能對基本用戶的用戶信息進(jìn)行修改而不能對控制器和柱上斷路器進(jìn)行操作。

在對柱上開關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)距離分合閘操作時(shí)，采用了用戶名加密碼的認(rèn)證機(jī)制，只有被受權(quán)的用戶才可以進(jìn)行整定值修改和分合閘操作。在密碼認(rèn)證的后續(xù)流程，增加了一道安全確認(rèn)，最大限度的保證現(xiàn)場操作安全性。

掌機(jī)終端在對柱上開關(guān)控制器進(jìn)行無線操作時(shí)，為了保證數(shù)據(jù)自身的安全，終端軟件在設(shè)計(jì)時(shí)運(yùn)用了DES數(shù)據(jù)加密方式，其特點(diǎn)是分組短、密鑰短、運(yùn)算速度較慢、加密后很難破解。

4 掌機(jī)終端的功能塊及優(yōu)點(diǎn)

4.1 五大功能塊

1）設(shè)置參數(shù) 硬件地址、串口名等參數(shù)。

2）遙控遙信遙測量 遙控開關(guān)、開關(guān)狀態(tài)讀取等功能，操作前需要進(jìn)行客戶名和密碼的校驗(yàn)。

3）電流三段保護(hù)參數(shù) 各整定值的讀取與設(shè)置，由專業(yè)人員計(jì)算得到。

4）事件記錄與查詢 記錄與查詢開關(guān)合閘、開關(guān)分閘、過流分閘、整定值修改等歷史事件。

5）錄波數(shù)據(jù)處理 故障錄波數(shù)據(jù)的讀取、顯示和數(shù)據(jù)保存?zhèn)浞荨?/p>

4.2 功能特點(diǎn)

1）自檢功能 掌機(jī)終端軟件在啟動(dòng)時(shí)會對自身相關(guān)的硬件進(jìn)行檢測并給予相應(yīng)提示。

2）點(diǎn)對點(diǎn)信號強(qiáng)度測量 在現(xiàn)場操作時(shí)選擇信號較強(qiáng)的最佳測試點(diǎn)，也可用來巡檢。

3）三段電流保護(hù)參數(shù)維護(hù) 對定時(shí)限、反時(shí)限、反時(shí)限曲線、一段保護(hù)值、二段保護(hù)值與延時(shí)、三段保護(hù)值與延時(shí)、零序電流保護(hù)參數(shù)、復(fù)歸時(shí)間、閉鎖延時(shí)值、重合閘次數(shù)、重合閘參數(shù)進(jìn)行讀取和整定。

4）開關(guān)狀態(tài)值監(jiān)測 監(jiān)測合閘已儲能、合閘未儲能、分閘已儲能、分閘未儲能狀態(tài)。

5）合閘控制和分閘控制 實(shí)施遠(yuǎn)距離操控柱上斷路器的開合。

6）故障波形讀取顯示及數(shù)據(jù)備份 從圖4的波形顯示界面可以看到，三相電流在不同時(shí)刻的電流值；該數(shù)據(jù)還可通過數(shù)據(jù)線拷貝到PC機(jī)，利用專用的分析軟進(jìn)行分析，為故障的排查提供數(shù)據(jù)支撐。

圖4 三相電波波形

5 結(jié)語

目前，掌機(jī)終端已在松江供電公司的示范性項(xiàng)目中使用，設(shè)備在使用過程中一直保持著穩(wěn)定的工作狀態(tài)，深受巡線人員的歡迎。通過掌機(jī)終端與智能化戶外柱上開關(guān)系統(tǒng)的藕合，電力公司可以減少停電時(shí)間，隨時(shí)巡檢線路的運(yùn)行情況，在提高供電可靠性、工作效率、客戶滿意度、運(yùn)行管理水平和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，更可加強(qiáng)線路運(yùn)行的安全監(jiān)視和預(yù)防事故。