配電臺區(qū)智能化系統(tǒng)設(shè)計與工程實現(xiàn)

【摘要】本文分析了目前配電臺區(qū)存在的問題和技術(shù)缺陷，提出一種系統(tǒng)、實用的臺區(qū)配電智能化總體方案。該方案利用現(xiàn)代電子技術(shù)、通訊技術(shù)、計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將配電臺區(qū)系統(tǒng)的在線和離線數(shù)據(jù)、運行狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和地理位置等進行信息集成，具有部分狀態(tài)預(yù)測和故障診斷功能，建立配電臺區(qū)智能管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對配變臺區(qū)系統(tǒng)的實時狀態(tài)監(jiān)測、遠方數(shù)據(jù)采集、用電分析、負(fù)荷預(yù)測及營銷管理，為用電管理部門提供及時、真實、科學(xué)的信息，促進電力運營管理，提高電力企業(yè)經(jīng)濟效益。

【關(guān)鍵詞】配電臺區(qū)；智能化；ZigBee

1.前言

配電臺區(qū)作為最終、直接面向廣大用戶的一個低壓變配電環(huán)節(jié)，其安全性、可靠性、經(jīng)濟性和高效性不僅影響著整個電力系統(tǒng)各項性能指標(biāo)，也直接關(guān)系到廣大用戶的貼身利益和國民經(jīng)濟的發(fā)展。配電臺區(qū)因其主要向廣大社區(qū)居民提供生活電源，其系統(tǒng)和設(shè)備尤為簡陋，操控依靠人工干預(yù)，保護絕大部分仍用跌落保險。在此實際背景下，針對性地研究配電臺區(qū)智能化技術(shù)就有著重大的工程現(xiàn)實意義、經(jīng)濟意義和社會意義。

2.常規(guī)配電臺區(qū)系統(tǒng)存在的問題和技術(shù)缺陷

2.1 典型的臺區(qū)低壓配電系統(tǒng)

目前國內(nèi)0.4KV臺區(qū)低壓配電系統(tǒng)如圖1所示。

2.2 在配變臺區(qū)管理上普遍存在的問題

（1）臺區(qū)與變電站、及變電站線路的對應(yīng)關(guān)系不清晰，電力用戶與臺區(qū)對應(yīng)關(guān)系不明確，各個臺區(qū)用戶的用電性質(zhì)不了解。

（2）對各臺區(qū)配變運行狀態(tài)不了解，臺區(qū)營銷考核的重要指標(biāo)來源不科學(xué)，技術(shù)參數(shù)大多數(shù)依靠人工采集的落后方式，特別是在較落后的廣大農(nóng)村地區(qū)，此問題更為突出。

（3）沒有系統(tǒng)地形成以配變臺區(qū)為考核單位的電能集抄和運行管理機制。

（4）防盜措施不力，臺變被盜現(xiàn)象時有發(fā)生。

2.3 在配變臺區(qū)技術(shù)上存在的技術(shù)缺陷

（1）保護功能單一、功能的增加、選擇困難、保護準(zhǔn)確度低、以及保護值的整定、修訂存在保護的盲區(qū)和死區(qū)。

（2）無測量臺區(qū)變運行工況的電壓、電流、功率等元件，更無法測量與電能質(zhì)量有關(guān)的參數(shù)，如諧波含量、波形畸變系數(shù)等，不能提供對系統(tǒng)預(yù)測、預(yù)估所需的電參量依據(jù)。

（3）熔斷器因自身結(jié)構(gòu)限制適用于容量較小的臺區(qū)變場合，人工就地借助專業(yè)器具操控，其合、斷點距離操作人員較近，安全性差；如果臺變數(shù)量較多且分散布置廣時，人員操作勞動強度大，極易疲勞誤操作。

（4）無法預(yù)先掌握熔斷器開、合及熔芯聯(lián)通信息。

（5）運行安全性依賴人工責(zé)任心；維修效果取決于人工經(jīng)驗及技術(shù)水平；備件種類多，備件的互換性差；對運行、維修人員水平要求高；維護工作量大，檢修成本高，檢修時間長。

（6）低壓集抄功能缺陷。需另配集中抄表器，對臺變用戶表計進行有線或載波集抄。抄表數(shù)據(jù)和臺變運行參數(shù)不能有機融合。

3.配電臺區(qū)智能化系統(tǒng)設(shè)計

3.1 配電臺區(qū)智能化系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

配電臺區(qū)智能化系統(tǒng)從0.4KV低壓配電站、箱變、臺架配變（臺區(qū)變）構(gòu)成的低壓配電系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)出發(fā)，采用分層分布式結(jié)構(gòu)模式，即：監(jiān)控管理層（監(jiān)控計算機系統(tǒng)），網(wǎng)絡(luò)接入層（通訊/信號管理），臺區(qū)變層（進線間隔、饋線間隔、無功補償間隔、母聯(lián)間隔等）、系統(tǒng)運行方式（電源切換）；箱變；臺區(qū)變。見圖2臺區(qū)變智能化配電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

（1）監(jiān)控管理層

該層既可兼容原有中、高壓自動化系統(tǒng)亦可自成系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件總體上分為三個層次：應(yīng)用功能層（包含用戶界面、數(shù)據(jù)庫維護、定時事件）；后臺功能層（包含用戶操作的報文組包，報警事件和底層數(shù)據(jù)的報文的解析處理）；底層通信動態(tài)連接庫。

（2）網(wǎng)絡(luò)接入層

城區(qū)中臺區(qū)配電系統(tǒng)如有專用光纖網(wǎng)，可直接接入；光纖網(wǎng)沒有到達的地區(qū)，采用通用無線網(wǎng)。

（3）臺區(qū)變層

由臺區(qū)配電變壓器和與其配套的智能電氣柜（亦稱智能化臺區(qū)綜合配電設(shè)備）、其他輔助環(huán)節(jié)組成。其中高度集成一體化的、具有智能電網(wǎng)特征的配電臺區(qū)變配電智能終端（HV2002D-TB），其主要用于實現(xiàn)臺區(qū)變壓器與其饋（進）線的電量測量、電能計量、方式切換、狀態(tài)監(jiān)視、開關(guān)控制、微機保護、電擊與電氣火災(zāi)防控、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、負(fù)荷預(yù)測、智能告警、故障診斷、電能質(zhì)量分析評估、諧波抑制與無功補償、遠程抄表、網(wǎng)絡(luò)通信等。

（4）分支箱層

完成電纜分支或分配，也可作為網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)。

（5）用戶層

對臺區(qū)用戶的電能表通過Zigbee無線方式集抄。

3.2 配電臺區(qū)變智能化配電系統(tǒng)功能

（1）對配電臺區(qū)變饋出線的全電量測量包括：各相電流、電壓有效值測量；各相及合相功率因數(shù)角、相角測量，各相及合相功率。

（2）對配電臺區(qū)變饋出線的剩余電流測量。

（3）對配電臺區(qū)變饋出線路的有功、無功、視在電能計量，諧波能量測量，四象限無功電能計量。

（4）對配電臺區(qū)變進線開關(guān)和饋出線開關(guān)遙控功能。

（5）對配電臺區(qū)進線開關(guān)和饋出線保護，包括：電流保護、電壓保護、過負(fù)荷保護、頻率保護。

（6）防止人畜點擊和電氣火災(zāi)防控。

（7）無功補償與諧波抑制。

（8）完成對臺區(qū)變壓進線開關(guān)和饋出線開關(guān)狀態(tài)量監(jiān)控功能，并預(yù)留12路開關(guān)遙信位。

（9）提供多種標(biāo)準(zhǔn)通信接口。

（10）配電臺區(qū)變管理與統(tǒng)計功能。包括：各種實時數(shù)據(jù)存儲分析、信息存儲分析、電量集抄、線損合理性分析、負(fù)荷預(yù)測。

3.3 配電臺區(qū)變配電智能終端硬件設(shè)計

為了實現(xiàn)配電臺區(qū)變智能化技術(shù)，本系統(tǒng)設(shè)計了以DSP+MCU為核心的配電臺區(qū)變配電終端硬件系統(tǒng)，完成工作線路狀態(tài)的實時監(jiān)控，按照設(shè)計的檢測算法完成對線路中剩余電流的監(jiān)測、計量，按照保護算法完成對線路故故障保護。同時，將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)及保護信息通過ZigBee和GPRS無線通訊模塊上傳給管理中心后臺PC機。配電臺區(qū)變配電智能終端硬件原理圖如圖3所示。該硬件系統(tǒng)由向前防控通道（A）、基于DSP、MCU結(jié)構(gòu)的主機及其接口（B）、和向后防控通道（C）三個部分組成。其工作原理：首先通過電量互感器、溫度傳感器等來對輸入電流、電壓信號、溫度等進行采樣，經(jīng)多通道16位∑-Δ的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路后送入16位DSP數(shù)字信號處理器完成全部參數(shù)的運算和邏輯組合，將結(jié)果通過通訊口與MCU進行數(shù)據(jù)處理；MCU負(fù)責(zé)顯示管理、鍵盤管理、通訊管理、遙信量輸入處理等。

基于雙核CPU技術(shù)的主機及其接口（單元B）包括單片機系統(tǒng)模塊、DSP系統(tǒng)模塊、CPLD邏輯與組合系統(tǒng)模塊、ZigBee無線模塊、串行通信模塊、磁耦合器、光電耦合器、液晶顯示模塊、鍵盤模塊和Watchdog模塊（內(nèi)置EEPROM）。

考慮到系統(tǒng)配電臺區(qū)用戶分散范圍較廣的特點，采用傳統(tǒng)的人工查詢方式或有線通訊方式，均存在一定的不足。所以考慮利用當(dāng)前比較成熟的無線通信方式ZigBee無線通信方式實現(xiàn)對臺區(qū)用戶的電能表通過Zigbee無線方式集抄，而最大的利用現(xiàn)有資源，保證數(shù)據(jù)傳輸及時、準(zhǔn)確，降低系統(tǒng)的運行費用。如圖4所示，臺區(qū)用戶的表計以園區(qū)為單位通過Zigbee無線打包方式由智能化臺區(qū)綜合配電設(shè)備集中，再通過臺區(qū)通訊網(wǎng)路統(tǒng)一上傳。Zigbee傳輸距離1km，滿足臺區(qū)變的供電半徑。

Zigbee無線模塊的基本硬件主要由電源、串口連接電路、復(fù)位電路和無線收發(fā)電路組成。無線收發(fā)器采用挪威Chipcon公司的CC2430，其工作于開放的無線2.4GHz頻段。

通過Zigbee無線方式集抄原理圖

4.配電臺區(qū)智能化系統(tǒng)的工程實現(xiàn)

為了做好臺區(qū)變智能化配電系統(tǒng)技術(shù)工程實施和推廣工作，奔著自主研究創(chuàng)新、以典型項目試點、逐步推廣、統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一建設(shè)的原則，通過分析研究，特選擇江門蓬江供電局所管轄的西里園1#（江供1342）、2#（江供1357）公用變；西園中公用變（江供1284）；燈籠山公用變（江供1012）；檢察院公用變（江供1518）；勝利中路公用變（江供1519）來實施。

根據(jù)實際情況，在臺區(qū)變壓器低壓側(cè)出線加裝隔離開關(guān)、可電動操作的斷路器、和自動無功補償。如圖5所示。

整個臺變依靠配電臺區(qū)變配電智能終端與監(jiān)控主站通過通訊網(wǎng)絡(luò)連通實現(xiàn)臺變實時數(shù)據(jù)遙測、斷路器遙控、無功遙調(diào)就地自動補償及實時動態(tài)化監(jiān)視，實現(xiàn)全數(shù)字微機保護。智配電臺區(qū)變配電智能終端采集信息與以太網(wǎng)工業(yè)交換機通信對接，實現(xiàn)信息雙向交流。最終實現(xiàn)了供電局低壓配電系統(tǒng)（配電室、臺區(qū)變）與監(jiān)控主站之間的信息溝通

5 結(jié)束語

本文系統(tǒng)分析了目前配電臺區(qū)存在的問題和技術(shù)缺陷，提出一種系統(tǒng)、實用的實現(xiàn)配電臺區(qū)智能化系統(tǒng)的總體方案及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，介紹了該系統(tǒng)的主要功能以及配電臺區(qū)變配電智能終端的硬件結(jié)構(gòu)。通過某供電局的實際工程應(yīng)用，本文提出的配電臺區(qū)智能化系統(tǒng)是可行的。

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