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基于GPRS的配电网自动化系统的研究
摘 要：本文对配电网一体化的综合自动化系统做了研究，并提出了整体方案。该系统克服了现有自动化系统平台不一致，功能单一，各系统间很难实现互联和信息共享，造成重复建设、信息资源浪费的现象。将现有分散的、单一功能的系统集成综合的、信息共享的一体化系统。
关键词：调度自动化;一体化;可靠性;配电自动化
前言
配电自动化系统是利用现代电子技术、通信技术、计算机及网络技术于一体，实现对配电网实时监测、保护、控制、用电及配电管理的智能系统。配电自动化有利于保证配网安全运行，监视配网运行状态，优化配网运行方式。它能明显的缩短故障停电时间，减少故障停电范围。避免高峰低谷、电压幅值等对用户产生不良影响;并且通过合理控制分配用电负荷，有利于提高配网设备利用率;采用远程抄表，提高工作效率，减轻员工劳动强度;利于提高管理现代化水平和服务质量，并可为客户提供用电信息服务[1]。
国外的配电自动化已经形成了集变电所自动化、馈线分段开关监控、电容器组调节控制、用户负荷控制和远程抄表等系统于一体的配电网管理系统。我国配电自动化起步晚，但随着输电网自动化程度的提高，国家在配电上的资金投入也开始增加，实现一体化的配电自动化系统已成为研究热点。
本文在此基础上提出一种基于GPRS的配电自动化系统。系统采用以Internet TCP/IP标准协议的双以太网结构，由配电主站，子站和终端三大部分组成。通过变电所的FTU(远方终端)将各种运行电气参数和状态信息采集到调度中心，由调度人员从调度中心发送控制和调整命令到变电所FTU，来调整电压和控制设备的投切。
一、配电自动化主站部分
1.1 主站硬件构成
主站端由多台计算机构成全分布式的模块化体系结构，系统可以方便的扩展。计算机通过高速以太局域网连在一起。系统采用双网冗余热备份方式，所有的服务器和PC机都连接到这两个以太网上，主网出故障时，在固定时间内系统自动或手动切换到备网运行，从而使系统更加安全可靠。前置机、SCADA服务器等也可以采用双机冗余热备份的工作模式，保证系统可靠性。
前置机子系统主要功能包括：通讯参数设置、三遥参数设置、下发召唤命令、接受FTU上传信息、报文处理与规约解析、实时数据转发和局域网对时。
SCADA服务器：是配电网自动化系统的控制中心，负责接收并处理各采集单元(RTU/FTU/TTU)或转发单元的实时数据，监测报文和故障信息，并广播到实时网，供其它各工作站使用，同时协调对各厂站的控制。在SCADA服务器上可以安装商用关系数据库，用于存储系统运行参数和历史数据，并作网络数据库来使用，提供与外界的数据接口。
调度员工作站：通过调度员工作站，操作者可以进行SCADA监控，可以查看配电网实时运行状况、获取报表、数据曲线、棒图等统计资料，同时调度员工作站也提供系统运行管理和信息管理的手段。
1.2 主站软件构成
系统软件采用面向对象的设计方法，由不同的装置对象组成间隔对象。系统软件同时还为分层、模块式结构，共分为三层：通信层、数据层和应用层。每一个层由不同软件模块组成、层与层之间，模块与模块之间耦合松散，这样既有利于提高系统的稳定性又可以方便的实现功能扩展。
二、配电自动化子站系统
配网监控子站是配网自动化系统的中间层，向上与配网主站等各个系统进行计算机通信，向下与所辖区内终端设备进行通信，完成终端设备数据的集中和转发，可以实现遥测、遥信、遥控、当地监控及故障隔离等功能;并将实时数据中转到配电主站的通信处理机上。
三、配电自动化终端设备
配电终端设备是整个系统的最底层，主要完成对柱上开关、支线开关、配电变压器、开闭所、环网开关、箱式变等各种现场信息的采集和监控功能。一体化设计的配网自动化远方终端FTU是按同时面向变电站(开闭所)间隔与配网自动化馈线设计的一体化现场终端，由综合自动化系统监控单元、智能型电源模块、蓄电池组、主体机箱以及附属接线部分组成，具有保护、测量与控制以及对馈电线路FTU的通信管理功能，适用于变电站(开闭所)的10kV馈线断路器在配电网自动化系统中的管理。该装置可与SCADA主站通信，完成对配网线路的各种监控功能。
FTU是分散式布置，户外运行，因此必须保证能适应恶劣的运行环境和具有很高的可靠性，要能在-40～+85°C温度和环境里正常工作，要有良好的防潮、防雨、防腐蚀措施。并且FTU一般装于电力线柱上或组合柜内，要承受高电压、大电流、雷电等干扰，因而要求有很强的抗干扰能力。FTU附近一般有隔离开关或重合器，在这些装置操作时，有一定的震动，当用插件式结构时，一定要用很好的紧固措施，另外FTU分散式布置，装于人们不方便观察的高度，要求FTU有很强的自检能力，在其出现故障时通过自检及时发现，而通过通讯报给远方配调中心，以便防患于未然[2]。因此，FTU要有智能电源系统来保障其可靠性。
配网10kV通过PT供给电源模块220V或100V交流输入，电源输出±24V给FTU的各模块工作，还输出一组电压给电池浮充，当交流断电时，电源快速切换到电池供电，保证FTU仍能正常工作[3]。同时进行电源监视，在主电源失电、备用电源输出电压过低时产生故障信号，以状态量变位元的方式上报并产生时间记录。电源还需要有自检功能，实现对交流的监测，当交流电压有电时，提供一个±24V输出给监控插件开入，以便远方检测中心知道FTU的交流电源情况。电源系统设置具有自诊断及程序自恢复功能。装置能定期自检，一旦发现终端的内存、时钟、I/O等工作异常均记录保存，并立即向主站告。装置内部具有独立的保护接地端子，外壳和大地牢固连接;装置的遥信输入回路采用光电隔离，并具有软硬件滤波措施，以防止输入接点抖动或强电磁场干扰误动;同时在其通信口设置防雷保护功能。
四、通讯方式和通信规约的选择
4.1 通讯规约的选择
远动通信规约是远动技术中的重要组成部分。在不同的通信系统相结合的配网自动化中，通信规约非常重要。目前在电力系统中普遍应用的通信规约可以分为应答式规约(如IEC60870-101、SC1801等)、循环式规约(如部颁CDT，DXF5和Col等)和对等方式规约(DNP3.0)三类。101规约比较适用于网络拓扑结构为点对点、多点共线、多点星形等网络配置的远动系统中，通道可以是全双工或半双工的情况。有上面的分析可见，101规约比其他规约能更好地满足较大规模馈线自动化系统的通讯要求。本系统选用101作为通信规约[4]。
4.2 通信方式比较及结论
当前随着供电公司不断降低运营成本，投资效益最大化。供电公司不断追求高质量，低成本的技术，尤其体现在电力通信投资上。常用的通信方式种类繁多，为适应配电自动化系统的通信要求，应从可靠性、建造费用、维护和安装难易程度、传输速率、覆盖范围及组网特点几个角度出发，考虑选择哪种通信方式。通过上文简述几种通信方式，表1列出各自的性能特点。在组建一体化配电自动化通信系统的过程中，选择既经济又实用的通信方案是决定该系统水平高低的关键因素。通过比较可以看出，GPRS通信具有投资少、维护简单、可靠性高、安装简便、速率较高、覆盖广等优点，极大的满足了配电自动化通信的要求。本设计拟采用GPRS通信方式。
4.3 SCADA系统与调度端通信要求
配电网自动化系统的实时数据是由SCADA系统收集的，包括故障定位系统在内的各类高层软件都必须有效的使用这一数据源，而且不应产生数据冲突，影响各自的运行。本文采用WINSOCK实现定位软件系统与SCADA系统通讯的方法。WINSOCK源于TCP/IP网络编程的Socket接口，是一种网络的API。网络通讯通常包括两台计算机或两个进程，通过网络传递它们之间的数据。当使用Socket接口对网络通讯编程时，Socket是网络通讯过程中端点的抽象表示。为了进行通讯，网络中对话的计算机或进程都必须建立一个Socket，通过两个Socket之间的连接实现点对点或多点之间的数据通讯。Socket通讯首先要在通讯两端建立进行通讯的Socket，再建立两个Socket之间的连接，在连接无误后即可对各自的Socket进行读写，也就是进行数据的相互传递。Socket通讯通常有两种方式，即：采用面向连接协议的方式和无连接协议的方式，或称数据流方式和报文方式，在进行大量数据的传递时常采用流方式，以保证传递的可靠性。Socket常用于服务器―客户机之间的通讯，由于Socket是一种网络编程接口，所以，在进行通讯时必须了解对方的网址，并建立连接的端口。
4.4 SCADA系统与调度端通信的实现
SCADA系统与调度端的通信通常通过两种方式触发，一种是定时方式，另一种十越限报警方式。因此系统运行时一般是每隔一固定时段进行一次数据通讯，用以修正反映系统现行运行状态的动态数据库。通讯采用服务器一客户机方式。非阻塞模式，以避免产生通讯死锁。通讯模块分为两部分，即服务器模块和客户机模块，服务器模块以循环方式发送正常状态数据，及随机发送故障数据。客户机模块一经启动即处于监听状态，等待服务器模块的连接应答。当服务器模块接受连接请求时，双方建立连接，以读写缓冲区的形式实现服务器一客户机间的数据包传输。由于采用Soket编程，所以通讯遵循TCP/IP协议，数据包以帧为最小单位。为区别正常数据包和故障数据包，数据的格式将设有同步字，数据类型，数据长度，奇偶校验字等信息。
五、总结
本文对配电网一体化的综合自动化系统做了研究，提出了整体方案。该系统克服了现有自动化系统平台不一致，功能单一，各系统间很难实现互联和信息共享，造成重复建设、信息资源浪费的现象。将现有分散的、各自为政的、单一功能的系统集成综合的、信息共享的一体化系统。该系统大大提高了该地区配电网的供电可靠性和电网的调度管理水平。
参考文献：
[1]刘健，等.配电自动化系统[M].中国水利水电出版社，2003.
[2]张锋.基于FTU的馈线自动化技术在农网改造中的应用[J].农村电气化，2002(11).
[3]邓集详.智能化FTU的原理及研制[J].吉林电力技术，2000(2).
[4]章欣，刘峰格，等.配电网自动化系统通信规约的探讨[J].河北电力技术，2001，20(4)：7-9.
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