配電室智能監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

　摘要

　　隨著我國經(jīng)濟實力的不斷增強，電力系統(tǒng)也取得了顯著的成就。當前我國電網(wǎng)規(guī)模不斷擴充。居民對于供電的可靠性與質量要求大幅提高。因此，如何確保提供經(jīng)濟安全、優(yōu)質可靠的電力是我國電力系統(tǒng)在未來發(fā)展中面臨的重要挑戰(zhàn)之一。配電室作為電力系統(tǒng)中的重要組成元素，擔負著電能的變壓分流的重任，傳統(tǒng)的配電室管理手段主要是依靠人工定時對電力儀表進行檢查并形成報表，其工作效率低下，無法適應迅速發(fā)展的供電規(guī)模與用電客戶的用電需求。如何利用信息技術與網(wǎng)絡傳輸技術對配電室電力設備的運轉狀態(tài)進行遠程實時監(jiān)控，提高配電室管理的信息化水平，增強居民用電的質量管理，是當前電力系統(tǒng)部門以及其他經(jīng)濟部門的發(fā)展方向之一，本課題以小區(qū)變配電自動化監(jiān)控系統(tǒng)為研究對象，設計了一個監(jiān)控平臺，實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的基本要求，能夠監(jiān)控小區(qū)電網(wǎng)的運行情況，實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)查詢、報表生成打印、曲線顯示打印等功能。

　　本文通過對配網(wǎng)監(jiān)測技術的現(xiàn)狀分析及發(fā)展趨勢，針對配電室的運行特點，提出了基于 GPRS 快速及時的互聯(lián)網(wǎng)連接和微功耗無線通信技術相結合的配電變壓器監(jiān)控通信技術方案的農村配電變壓器遠程監(jiān)測系統(tǒng)。具體來說，該遠程監(jiān)測系統(tǒng)是由安裝在變壓器處的變壓器監(jiān)測終端(TTU)、Ad Hoc 終端節(jié)點、Ad Hoc 路由節(jié)點、Ad Hoc 網(wǎng)關節(jié)點、GPRS 模塊、監(jiān)控計算機和管理人員手機組成。此監(jiān)控系統(tǒng)具有自動組網(wǎng)、自動路由、多級中繼等優(yōu)勢，降低了硬件投資和通訊費用。關鍵詞： 廈門大學博碩士論文摘要庫 配電室;智能監(jiān)控系統(tǒng);數(shù)據(jù)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所，是城市電力網(wǎng)的不可或缺的一部分。長期以來，配電室如何高效運行一直是電力部門日常管理的較為薄弱的部分，配電室刀閘開關誤跳或配電室溫度過高，濕度過高，雨水浸漬，都會影響設備正常運行、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正常的用電，由于目前配電室監(jiān)控手段較為欠缺，尚不能實時反饋設備運行工況，及時解決實際問題。因此，在配電室加裝計算機監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)配電室環(huán)境和供電設備各種狀態(tài)量的在線監(jiān)測，通過后臺系統(tǒng)集成開發(fā)，可以實現(xiàn)各種監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢、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。同時高效的經(jīng)濟效益方面，供配電計算機監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)越性更加突顯，高性價比的投資使系統(tǒng)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，實現(xiàn)供配電監(jiān)控系統(tǒng)的遙測、遙控、遙信、遙視控制，對系統(tǒng)進行綜合監(jiān)測和統(tǒng)一管理可以節(jié)約人力資源，降低員工勞動強度。 最后共享系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源和設備綜合檔案管理等方面，可以對顯示或查詢供配電室各設備運行工況(包括歷史和實時參數(shù))，并根據(jù)用戶實際情況進行日報、月報 和年報查詢或打印，提高了工作效率。監(jiān)控系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，可以分類保存、歸檔、統(tǒng)計和調用采集到的數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶要求按照名稱、時間和區(qū)域等選項檢索，以便進行數(shù)據(jù)查詢和故障分析。供配電監(jiān)控管理系統(tǒng)可以根據(jù)用戶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(tǒng)進行修改和操作。綜上所述，供配電監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)越性是顯而易見的，對供配電監(jiān)控與管理系統(tǒng)進行研究很有必要的，同時供配電監(jiān)控系統(tǒng)必將會應用得越來越廣泛。廈門大學博碩士論文摘要庫配電室智能監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 2 1.2 國內外研究現(xiàn)狀 1.2.1 國內研究現(xiàn)狀國內供配電監(jiān)控的自動化始于上世紀 90 年代，與外發(fā)達國家相比大約滯后 20 年，受資金、科學技術水平、認識水平等因素制約，發(fā)展一直比較緩慢主要問題有：(1)從系統(tǒng)功能角度上來講，功能單一化，實際應用性差，其試點工程大多引入的國外的饋線自動化設備建立就地控制模式，僅能進行故障處理，缺乏自主性，供電可靠性較低[1]。(2)從在系統(tǒng)集成角度上來講，缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，項目各自獨立，各地區(qū)對供配電監(jiān)控的自動化認識不同，在各種單項功能上欠缺綜合性考慮，使得各個項目之間標準不統(tǒng)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(tǒng)應用層次角度來講，應用停留在初級階段，缺少高級應用，很多技術都處于理論分析階段[2]。 隨著經(jīng)濟水平和科學技術的提高，國家對城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造力度逐漸加強，供配電監(jiān)控的自動化水平也取得了長足的進展，降低了供電企業(yè)人員勞動生產強度，增強供配電企業(yè)現(xiàn)代管理水平，提高了居民和企業(yè)的供電可靠率、供電質量，保障了供配電企業(yè)的設備安全。 國內供配電大致經(jīng)歷了以下幾個監(jiān)控智能化、自動化發(fā)展階段。第一階段，主要是引進學習國外自動化開關設備實現(xiàn)開關設備的自動化，主要功能是通過開關設備之間的配合實現(xiàn)故障區(qū)域的定位、隔離和自動恢復供電。缺點是缺乏自主能力，自動化程度較低，只能在故障發(fā)生以后進行處理，無法優(yōu)化運行方式，當發(fā)生故障或調整系統(tǒng)后需人工到現(xiàn)場對相關參數(shù)進行設置，缺乏靈活性且耗費人力資源，同時當故障發(fā)生后需要對故障區(qū)域開關多次重合，加大了電力設備損耗，增加了運營成本。廈門大學博碩士論文摘要庫第一章 緒論 3 第二階段，建立供配電監(jiān)控系統(tǒng)的 SCADA 系統(tǒng)，主要組成有：網(wǎng)絡通信設備、計算機網(wǎng)絡和饋線終端，通過建立主站系統(tǒng)實現(xiàn)對在各配電子站、遠方終端進行控制，采用通信技術，實現(xiàn)對配電網(wǎng)監(jiān)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)進行監(jiān)控和運行管理，系統(tǒng)運行參數(shù)更加優(yōu)化，當局部發(fā)生發(fā)生故障時，能及時控制，縮短故障處理時間，缺點是需要借助通信系統(tǒng)，且對故障的處理需要依賴主站[3]。第三階段，經(jīng)歷了上兩個階段，我國開始在此基礎上改進，加入組態(tài)軟件，借助自動控制技術、網(wǎng)絡技術和通信技術，監(jiān)控工程可以由計算機上的軟件自動完成，實現(xiàn)各子系統(tǒng)之間資源共享，達到供配電管理自動化[3]。 1.2.2 國外研究現(xiàn)狀國外的供配電監(jiān)控的自動化起步比較早，上世紀 70 年代，國外的一些發(fā)達國家就開始發(fā)展供配電監(jiān)控系統(tǒng)自動化，國外的供配電監(jiān)控系統(tǒng)自動化已發(fā)展很完善帶動相應的經(jīng)濟發(fā)展，許多著名電力系統(tǒng)設備的生產商基本都涉足供配電自動化領域，例如施耐德公司、西門子公司、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)自動化相關產品，形成了完善的自動化功能體系[4]。 國外供配電監(jiān)控自動化的實現(xiàn)，大致分為對饋線自動化的實施，然后建立通信通道，通過建立供配電主站系統(tǒng)調控供電子站和遠程終端，最后完善各項功能，但是對整個系統(tǒng)而言尚留有大量的開發(fā)空間，比如供配電監(jiān)控自動化、智能化和已開發(fā)的部分功能重疊。供配電監(jiān)控系統(tǒng)朝著向開放式、智能化、自動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(guī)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，保障供電質量，降低人員勞動強度，充分利用網(wǎng)絡通信調控設備的能力，能加快停電反應速度和減少停電面，縮短了停電時間，保障了居民和用電企業(yè)對電能質量和可靠性的需求，帶來了極為可觀的社會效益和經(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(jiān)測系統(tǒng)軟件的新要求廈門大學博碩士論文摘要庫配電室智能監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 4 出發(fā)，研究軟件工程技術和方法在配電室狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中的應用。全面且較為系統(tǒng)地分析了軟件工程在電力系統(tǒng)中應用的相關理論和方法，為配電室狀態(tài)監(jiān)測平臺的工程化研發(fā)奠定了理論基礎。同時分析了配電室狀態(tài)監(jiān)測平臺的工程化研發(fā)的必要性，探討了實際應用、開發(fā)中涉及到的關鍵技術，提出了一種配電室狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)軟件工程化開發(fā)的具體方法。以國網(wǎng)福州供電公司狀態(tài)智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件的開發(fā)作為示范，闡述了該系統(tǒng)研發(fā)工程化方法在配電室狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)軟件探發(fā)中的具體操作手段。并對軟件研發(fā)結果進行了分析。 1.4 論文的組織結構本文的章節(jié)內容安排如下：第一章為緒論。首先，簡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(xiàn)狀，指出計算機監(jiān)控系統(tǒng)對電力安全生產的巨大推動作用;最后，說明了課題的主要框架。 第二章對本課題所用到的技術做了介紹及功能特點方面的概述。第三章對系統(tǒng)各部分功能做出了說明，并采用系統(tǒng)用例圖加以解釋。第四章運用前一章提出的工程化軟件開發(fā)方法，討論了配電室狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)軟件工程化開發(fā)的關鍵技術;詳細闡述該系統(tǒng)軟件的整個開發(fā)過程，以及工程化實施應注意的問題。第五章軟件工程化開發(fā)結果分析。分析軟件工程化開發(fā)的質量和效率。 第六章全文總結。對今后要開展的實踐活動進行一些設想。 廈門大學博碩士論文摘要庫第二章 相關技術介紹 5 第二章 相關技術介紹 2. 1 配電室遠程監(jiān)測系統(tǒng)的關鍵技術 2.1.1 配電變壓器測控終端設備(TTU)配電室遠程監(jiān)測系統(tǒng)是供電企業(yè)提升配電網(wǎng)精細化管理水平的一個重要技術手段，建立和完善配電變壓器遠程監(jiān)測系統(tǒng)，可以提高對配電變壓器的運行監(jiān)測能力，實現(xiàn)實時監(jiān)測和運行分析，提高用戶對供電的滿意度和促進配網(wǎng)運行管理上臺階。在配電變壓器遠程監(jiān)測系統(tǒng)中，需要對分散在各個區(qū)域的變壓器運行工況進行監(jiān)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(jiān)控示例(1)采集數(shù)據(jù)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(jù)變壓器低壓側的各項數(shù)據(jù)的采樣值，每間隔一定時間(如 1 分鐘)計算變壓器的運行參數(shù)，將其記錄并保存在存儲器上一定時間(如一周、一個月、季度等);對于配電變壓器典型日期的上述參數(shù)整點值，記錄的電壓、電流極值和它們的采集時間，失電監(jiān)控設備 I 監(jiān)控子站 N 監(jiān)控設備 N 監(jiān)控中心監(jiān)控子站 I 監(jiān)控設備 N 監(jiān)控設備 I 廈門大學博碩士論文摘要庫配電室智能監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 6 和恢復供電時間等，記錄并保存設備存儲器上，存儲時間一般應保存一年或更長，存儲在設備存儲器上的數(shù)據(jù)在 TTU 斷電時記錄的內容不應丟失[4]。(2)數(shù)據(jù)通信功能測控終端(TTU)應具備數(shù)據(jù)通信模塊，用于數(shù)據(jù)的本地及遠方傳輸，終端的通信要滿足靈活組網(wǎng)的要求，適應不同通信方式數(shù)據(jù)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(xiàn)場進行數(shù)據(jù)抄錄，時間間隔可以是一周、一個月或更長，抄錄的數(shù)據(jù)能夠上傳到配電變壓器監(jiān)測系統(tǒng)或其它配網(wǎng)管理系統(tǒng)中，用于進行數(shù)據(jù)分析和應用[5]。(3)智能無功補償功能利用測控終端(TTU)控制輸出，可以實現(xiàn)對配電變壓器無功補償電容器的投切，補償?shù)蛪簜鹊墓β室驍?shù)，實現(xiàn)無功就地平衡，該電容器的投切控制可以通過測控終端采集的無功功率和電壓參數(shù)實現(xiàn)自動投切，遠方操作人員在控制中心也能進行遠方控制[5]。 2.1.2 遠程監(jiān)測通信技術配電變壓器遠程監(jiān)測系統(tǒng)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(shù)量龐大，分支線路多，地域分布廣[6]。這些特點相應決定了數(shù)據(jù)監(jiān)測業(yè)務數(shù)據(jù)通信接線復雜、監(jiān)測點分散、地域分布廣、通信站點多、設備工作環(huán)境復雜、每個通信點的信息量少，可能只有幾百波特，但總體的數(shù)據(jù)信息量非常大的特點。因此，在建設配電變壓器遠程監(jiān)測系統(tǒng)時，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。隨著通信技術的發(fā)展，無線通信技術由于其組網(wǎng)靈活，成本逐年下降，逐漸成為了配網(wǎng)自動化中采用的主要通信技術，常用的有微功率無線電臺通信、GPRS、2G、3G 通信、無線 WIFI 通信等技術。 1.Ad Hoc 網(wǎng)絡技術簡介廈門大學博碩士論文摘要庫第二章 相關技術介紹 7 Ad Hoc 網(wǎng)絡是一種特殊的網(wǎng)絡系統(tǒng)。它是自組織對等式多跳的無線移動通信形式。它其中，全部的網(wǎng)絡通信節(jié)點優(yōu)先級一致，地位平等，不需要單獨設置網(wǎng)絡的中心控制節(jié)點，網(wǎng)絡節(jié)點既具有無線移動終端的功能，也有信息報文轉發(fā)功能。網(wǎng)絡節(jié)點之間的通信，因為信號傳輸距離的限制，一般情況下需要由數(shù)個網(wǎng)絡節(jié)點進行信息轉發(fā)來實現(xiàn)，即經(jīng)過多跳來實現(xiàn)。(1)分區(qū)工作、自動組網(wǎng)：一臺性能優(yōu)良的 GPRS 采集器和若干 Ad Hoc 節(jié)點可以覆蓋 0.5 至 3Km 半徑的區(qū)域;(2)自動路由、多級中繼：多級中繼技術特性，使得配電變壓器遠程監(jiān)測系統(tǒng)的無線傳輸要求得到支持，通過其特性可以使每個無線通信分區(qū)覆蓋區(qū)域更廣、通信聯(lián)接更可靠。(3)降低硬件投資：符合電力系統(tǒng)中大多數(shù)設備的通信連接，相應也節(jié)約了通信接口的投資。(4)降低通訊費用：在一個特定的區(qū)域內，使用 GPRS 無線集中器大大減少，相應的通信費用也大幅度下降，長期運行費用的節(jié)約極為可觀。 2.GPRS 技術簡介 GPRS(General Packet Radio Service) 即通用分組無線業(yè)務的簡稱，它是從 GSM 網(wǎng)絡的基礎上發(fā)展起來的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，為了支持數(shù)據(jù)傳輸， GPRS 在 GSM 系統(tǒng)中增加了很多支持節(jié)點。應該說它是 GPRS 包含 GSM 網(wǎng)絡，在語音傳輸上使用 TDMA，數(shù)據(jù)傳輸上使用無線分組，推廣應用上，GPRS 使用了已經(jīng)建成的 GSM 基站子系統(tǒng)，覆蓋面從一開始就得到全覆蓋[6]。 GPRS 技術結合數(shù)據(jù)通信的特點，對其無線通信部分進行了針對性改造，大幅度提升無線資源的使用效率，它一方面融合 GSM 與 IP 通信技術的精華，另一方面也保持了良好的移動性以及 IP 技術的靈活性，信道上能為如 TCP/IP 協(xié)議提供連接，用以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、互聯(lián)網(wǎng)連接。對于通信使用者來說，GPRS 技術的優(yōu)勢表現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸速率高(理論帶寬 171. Kb/S)、自適應性強、接入時間短、收費方式合理(按流量計費)、可實現(xiàn)用戶“永遠在線”、移動性強等方面。這些優(yōu)勢使得 GPRS 移動通信技術應用得到迅速提升，