智能區(qū)域用電安全公共綜合服務(wù)系統(tǒng)

王 菌，司 豐，羅云鵬，趙繼超

(西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

現(xiàn)代人類的各種活動(dòng)都離不開電，電能廣泛應(yīng)用的同時(shí)，用電安全問(wèn)題也愈發(fā)地突出。一旦發(fā)生故障停電，就會(huì)帶來(lái)重大損失，甚至?xí){到人身安全。由于諸多原因，我國(guó)配電系統(tǒng)的技術(shù)水平明顯落后于發(fā)電和輸電，以致用戶遭受的停電故障，95%以上都是由配電系統(tǒng)故障造成的［1］。

要使配電系統(tǒng)正常穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，對(duì)配電系統(tǒng)的維護(hù)必不可少，傳統(tǒng)的維護(hù)方式無(wú)論是周期維護(hù)還是事后維修，都不能有效地提升其運(yùn)行可靠性，而且浪費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，甚至造成不必要的損失。

本文提出了一種基于分布式網(wǎng)絡(luò)的綜合服務(wù)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)配電系統(tǒng)運(yùn)行狀況的在線監(jiān)測(cè)和分析，預(yù)測(cè)配電系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，預(yù)知配電系統(tǒng)的維護(hù)需求，及時(shí)調(diào)度專業(yè)維護(hù)人員進(jìn)行維護(hù)，有效縮短故障停電時(shí)間，減少維護(hù)配電系統(tǒng)所需的人力、物力和財(cái)力資源。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

為保證配電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，首先需要監(jiān)測(cè)配電系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。電能的廣泛應(yīng)用使得配電系統(tǒng)的種類數(shù)量也增多，對(duì)于這些功能各不相同，形態(tài)各異的配電系統(tǒng)，需要監(jiān)測(cè)的參數(shù)繁多歸納起來(lái)有以下6 類［2］:

(1)狀態(tài)參數(shù)。配電系統(tǒng)中各開關(guān)斷開或閉合的狀態(tài)，配電系統(tǒng)中的設(shè)備位置狀態(tài)等狀態(tài)參數(shù)。包括斷路器狀態(tài)、接地開關(guān)、儲(chǔ)能位置、手車位置等。這些開關(guān)的狀態(tài)直接表達(dá)了配電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄配電系統(tǒng)的開關(guān)狀態(tài)信息。

(2)運(yùn)行參數(shù)。配電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的電力參數(shù)，參照有關(guān)電能質(zhì)量的相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，包括電壓、電流、頻率、諧波、功率、電壓波動(dòng)與閃變、三相不平衡等。理想的電能應(yīng)該是標(biāo)準(zhǔn)的50 Hz 正弦波，但在實(shí)際應(yīng)用中，電能經(jīng)過(guò)發(fā)、輸、變、配等諸多環(huán)節(jié)因素的影響，會(huì)引起電壓、電流或者頻率的擾動(dòng)或偏差，導(dǎo)致用電設(shè)備不能正常工作、縮短設(shè)備壽命甚至損壞。

(3)雷擊信息。配電系統(tǒng)遭受雷擊的信息，包括雷擊發(fā)生時(shí)間，雷擊電流，雷擊造成的跳閘等。雷擊信息表征了配電系統(tǒng)的防雷性能，也從側(cè)面表征了配電系統(tǒng)是否接地良好。

(4)環(huán)境狀態(tài)。配電系統(tǒng)所處環(huán)境的狀態(tài)信息，包括環(huán)境溫度、環(huán)境濕度等。環(huán)境溫度和濕度不合適可造成配電系統(tǒng)出現(xiàn)凝露、漏電或者短路等故障。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)配電系統(tǒng)環(huán)境的溫度和濕度，配合電熱器等設(shè)備，升高環(huán)境的露點(diǎn)可防止凝露。

(5)節(jié)點(diǎn)溫度。配電系統(tǒng)中關(guān)鍵連接點(diǎn)的溫度信息。配電系統(tǒng)中的回路由多部分的電路組成，有相互連接的節(jié)點(diǎn)，由于節(jié)點(diǎn)連接不牢靠或者連接老化等原因，會(huì)造成節(jié)點(diǎn)電阻增大，造成電能在配電系統(tǒng)上的損耗增加和電能質(zhì)量下降等后果。配電系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)電阻升高直接表現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)的溫度異常升高，甚至?xí)龎墓?jié)點(diǎn)造成斷電。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)配電系統(tǒng)中關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)的溫度信息，發(fā)現(xiàn)異常的溫度信息隨即報(bào)警提示處理。

(6)視頻信息。配電系統(tǒng)所處環(huán)境的視頻監(jiān)視信息。有時(shí)配電系統(tǒng)的故障可能不是由配電系統(tǒng)本身性能引起的，不可控的自然因素或者人為破壞都可能造成配電系統(tǒng)的故障，對(duì)配電系統(tǒng)的視頻監(jiān)控可及時(shí)發(fā)現(xiàn)這類故障的原因，以便及時(shí)采取相應(yīng)措施以防再次出現(xiàn)同樣的問(wèn)題。

圖1 配電系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)SCADA 節(jié)點(diǎn)

通過(guò)以上6 類參數(shù)即可監(jiān)測(cè)配電系統(tǒng)的完整運(yùn)行狀況，數(shù)據(jù)可直接從配電系統(tǒng)的運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)采集。

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，6 種數(shù)據(jù)采集模塊分別實(shí)時(shí)采集配電系統(tǒng)的6 類參數(shù)，并通過(guò)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線連接到現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)對(duì)采集的數(shù)據(jù)作相應(yīng)的運(yùn)算，通過(guò)路由和防火墻連接到網(wǎng)絡(luò)。配電系統(tǒng)的運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)也被存儲(chǔ)，用戶可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)查看配電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)和歷史運(yùn)行狀況［3－6］。配電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況信息也會(huì)被顯示在監(jiān)控畫面上，圖2 顯示了被監(jiān)測(cè)配電系統(tǒng)的部分電能質(zhì)量信息、開關(guān)狀態(tài)信息和環(huán)境狀況信息的監(jiān)控畫面。

圖2 查看配電系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)如圖3 所示。區(qū)域內(nèi)多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)SCADA節(jié)點(diǎn)將實(shí)時(shí)采集配電系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)上傳至區(qū)域子中心，子中心計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)并在監(jiān)控畫面上顯示各配電系統(tǒng)的運(yùn)行狀況信息［7－10］。根據(jù)實(shí)際情況，可設(shè)多級(jí)子中心，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)逐級(jí)上傳到系統(tǒng)中心，系統(tǒng)中心將顯示分析和存儲(chǔ)系統(tǒng)內(nèi)所有配電系統(tǒng)的運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)。系統(tǒng)中心負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)視控制、管理調(diào)度、信息挖掘和決策支持，各級(jí)子中心服從上級(jí)中心的管理調(diào)度并對(duì)下級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視控制和管理調(diào)度。

圖3 智能區(qū)域用電安全公共綜合服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)

2 預(yù)知維護(hù)

通過(guò)對(duì)配電系統(tǒng)運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析，智能區(qū)域用電安全公共綜合服務(wù)系統(tǒng)可預(yù)知配電系統(tǒng)的維護(hù)需求，在縮短停電時(shí)間的同時(shí)也減少配電系統(tǒng)的維護(hù)成本。

系統(tǒng)可通過(guò)變化曲線將參數(shù)的實(shí)時(shí)和歷史變化趨勢(shì)直觀地表示出來(lái)，圖4 中顯示了數(shù)據(jù)記錄中電壓和電流的變化曲線，圖中電壓均基本穩(wěn)定在10 kV，而一天內(nèi)電流的變化較大。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到配電系統(tǒng)的某些參數(shù)超過(guò)限定的值時(shí)，就會(huì)發(fā)出報(bào)警信息，包括報(bào)警觸發(fā)時(shí)間和參數(shù)值都將被存儲(chǔ)。

圖4 電壓趨勢(shì)圖和電流趨勢(shì)圖

結(jié)合報(bào)警信息和趨勢(shì)圖形分析，可預(yù)測(cè)配電系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，預(yù)知配電系統(tǒng)的維護(hù)需求，在配電系統(tǒng)發(fā)生故障之前，及時(shí)調(diào)度專業(yè)的維護(hù)人員趕赴配電系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行維護(hù)處理，從而避免故障的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)維護(hù)服務(wù)。按需求對(duì)配電系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)可減少維護(hù)次數(shù)，縮短磨合期，延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間，有效縮短故障停電時(shí)間［11－12］。

3 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)瀏覽器，可完成工程建立、維護(hù)、配置等操作，易于遠(yuǎn)程維護(hù);系統(tǒng)基于分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，易于后期增加需監(jiān)測(cè)的設(shè)備或參數(shù)、配電系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)SCADA 節(jié)點(diǎn)、子中心等擴(kuò)展操作。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及管理配電系統(tǒng)的狀態(tài)、運(yùn)行、雷擊信息、環(huán)境狀態(tài)、節(jié)點(diǎn)溫度和視頻信息6 類參數(shù)，用戶可通過(guò)遠(yuǎn)程查看配電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)和歷史運(yùn)行狀況。

分析配電系統(tǒng)的運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行趨勢(shì)，預(yù)知系統(tǒng)的維護(hù)需求，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)維護(hù)服務(wù)，避免或者減少故障的發(fā)生。按需求進(jìn)行維護(hù)可減少維護(hù)次數(shù)，縮短磨合期，減少盲目維護(hù)帶來(lái)的不穩(wěn)定因素的介入，延長(zhǎng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間，有效縮短故障時(shí)間。另外，對(duì)配電系統(tǒng)的按需維護(hù)服務(wù)可減少維護(hù)工作造成的資源浪費(fèi)，區(qū)域內(nèi)集中維護(hù)，通過(guò)系統(tǒng)調(diào)度管理滿足區(qū)域內(nèi)所有配電系統(tǒng)的維護(hù)需求，可雇傭少量更加專業(yè)的維護(hù)人員，以提高維護(hù)效率，提高維護(hù)服務(wù)質(zhì)量，提高人力資源的使用效率，減少維護(hù)所需的成本。

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