基于圖形界面和無線通訊方式的配電變壓器監測分析系統

李宏仲，游大寧，孔凡祥

(1.上海電力學院電力與自動化工程學院，上海 200090;2.山東電力集團公司 調度中心，山東 濟南 250001;3.內蒙古赤峰市農電局，內蒙古赤峰 024000)

20世紀90年代以來，隨著電力供應商品化、市場化的發展，國內電力部門和電力用戶對電能質量愈發重視.供電系統的電能質量高低，直接關系到供電系統能否安全運行和用戶是否能夠安全用電［1-3］.而對配電變壓器運行狀態的監測分析可以為供電部門了解配電系統的運行狀況，降低電網損耗、制定最優供電方案等提供科學、完整的依據［4］.

但是，目前電力系統中應用的配電變壓器的監測分析裝置存在以下不足［5］:一是數據采集裝置與數據分析工作站之間的數據傳輸存在瓶頸.現有的系統多用有線方式進行連接和數據交換，因而在鋪設通訊線路方面投資較大;若用手抄器來轉載數據，則要耗費較多的人力物力，而且根本無法實現實時監控.二是數據分析工作站配備的后臺信息處理軟件多以對話框為主要的操作界面，用戶直接面對各種表格和數據.現場運行人員需要經過培訓才能熟練使用這些軟件，而且操作繁瑣，人機交互性極差，容易出錯.

本文針對目前同類系統的不足，利用中國移動推出的GPRS通訊網絡，設計并實現了基于圖形界面和無線通訊方式的配電變壓器監測分析系統.該系統可以提高供電部門自動化管理水平和配電網運行的安全可靠性.

1 系統的組成

配電變壓器監測分析系統由電量數據采集裝置(下位機)、數據分析工作站(上位機)和通訊網絡3部分組成.系統結構如圖1所示.

圖1 系統結構示意

數據采集裝置安裝在配電臺區中的每一臺變壓器上.該裝置負責采集、存儲現場變壓器的各項電量參數，包括三相有功功率、三相無功功率、三相電壓、三相電流、頻率、三相功率因數、三相有功電度和無功電度、電流三相諧波和電壓三相諧波等數據，并采用串行通信方式，通過有線或者無線通訊網絡與上位機進行通信，上傳電量數據.

數據分析工作站實質上是一套計算機系統，它也采用串行通信方式，獲取下位機上傳的數據，并存入數據庫中.然后通過后臺信息管理系統軟件對所采集到的各種信息數據進行統計、分析和圖形化處理，為用戶提供實時數據顯示、歷史數據分析、歷史曲線繪制、極值記錄、電量指標統計、供電可靠率統計、負荷率統計、電壓合格率統計、網損分析等功能，并最終形成報表或曲線圖，打印輸出.該后臺信息管理系統軟件可在Windows操作系統下運行，并可以安裝在手提式PC機上運行，構成便攜式變壓器監測分析設備.

此外，數據分析工作站還可以向下位機下傳數據，實現對數據采集裝置的初始化、對時和遠程參數修改等管理功能.

2 數據采集裝置

該裝置的硬件系統主要以16位單片機MC80C196為控制核心，包括高精度PT和CT電量變換，高速12位A/D模數轉換，EPROM，大容量1兆字節FLASH MEMORY，鍵盤顯示，百年日歷時鐘，RS232，RS485串行接口，電源等.裝置的硬件原理圖如圖2所示.

圖2 數據采集裝置原理

被測線路的Ua，Ub，Uc，Ia，Ib，Ic信號按3表 法接入裝置，精確地測量出三相四線制線路的各種電量.6路信號經CT和PT變換后按3表法輸入到模擬開關上，由CPU控制模擬開關，選通某路輸入信號進行采樣.采集通道的A/D轉換器采用AD公司的分辨率12位的AD774，轉換時間為25 μs，轉換精度為0.05%，以保證裝置測量的準確性.時鐘芯片采用DS12887內置電池和晶振，直接掛在CPU的數據總線上，為裝置提供記錄電量的時刻及其他功能需要.

為記憶保存大量的歷史數據，裝置采用了兩片閃速存儲器FLASH-MEMORY AT29C040串行EEPROM，共1M字節的記錄存儲空間，可整點記錄各電參數11個月.CPU通過一個周期內的32點分頻采樣，將時域內采集的電壓、電流信號通過富氏算法直接算出其獲得的電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數及電網工頻等數據.

3 信息管理系統軟件

信息管理系統軟件包括用戶登錄模塊、數據監測分析模塊、系統維護模塊和數據記錄顯示模塊4部分.

其中以圖形界面(配電臺區接線圖)作為前臺，通過開放式數據庫連接(Open DataBase Connectivity，ODBC)接口訪問后臺數據庫.后臺數據庫為整個軟件提供數據支持.全系統按模塊掛接方式實現對各功能的連接.

整套軟件以配電臺區的接線圖為主要操作界面，可以改善信息管理系統的人機交互性.用戶通過圖形化操作界面可以直觀地了解配電臺區的電網結構，通過點擊鼠標可直接從圖中選擇要分析的配電變壓器.該軟件目前已經投入實際應用.

由于軟件系統是利用可視化編程語言Visual C++6.0來實現的，并且基于 Windows操作系統，符合現場運行人員的日常使用習慣，具有操作簡單方便、易學易用的特點，因而受到了現場運行人員的歡迎.

3.1 用戶登錄模塊

用戶在該模塊中輸入用戶名和口令.只有輸入注冊過的有效用戶名和口令，并依據用戶權限才能啟動相應的功能模塊.

全系統設置系統管理員和一般用戶2級密碼管理.系統管理員可為一般用戶開戶并分配初始密碼;一般用戶可以應用數據顯示模塊和數據分析模塊，但無權使用系統維護模塊.系統維護模塊只對系統管理員開放.

3.2 數據監測分析模塊

本模塊的操作界面為配電臺區接線圖，用戶可通過鼠標點擊直接從接線圖中選擇配電變壓器.本模塊主要包括實時數據顯示、歷史數據顯示分析和綜合分析3大功能.

(1)實時數據顯示 可以從數據采集裝置中讀取并實時顯示三相有功功率、三相無功功率、三相電壓、三相電流和頻率、三相功率因數、三相有功電度和無功電度，以及不平衡度、負荷率等數據.根據用戶需要，還可以繪制實時數據曲線.

(2)歷史數據顯示分析 根據用戶選擇，可以從數據采集裝置中讀取并顯示某一時間段內或者某兩個數據記錄序號之間的所有歷史記錄.通過ODBC接口連接后臺數據庫，將歷史記錄存入相應的數據庫.可以按照日、月、年，以及峰值、谷值、均值分別統計和處理歷史數據，并根據統計結果顯示、打印電能質量數據的曲線圖和報表.

(3)綜合分析 根據后臺數據庫中的數據記錄，計算、分析用戶指定時間段內的多項電氣參數指標，包括電度總計、電壓極值記錄、電流極值記錄、停電記錄、電壓合格率、負荷率、供電可靠率和線損率，最終形成綜合分析報表，打印輸出.

3.3 數據記錄顯示模塊

本模塊通過ODBC接口訪問后臺數據庫，用戶可以直接應用本模塊查看后臺數據庫中的所有數據記錄，不必進入相應的數據庫操作環境.

3.4 系統維護模塊

該模塊提供一個繪圖工具箱，系統管理員可以從中選擇所需的設備圖元，包括變壓器、斷路器、隔離開關、母線等，并提供圖元的剪切、拷貝，復制、移動和全圖縮放等功能.在繪圖過程中，還可以通過鼠標點擊圖元，輸入設備參數.此外，系統管理員還可以向數據采集裝置發送指令，修正下位機的參數，完成設備的對時和初始化.

4 通訊的實現

本系統采用GPRS網絡來實現數據采集裝置與數據分析工作站之間的數據傳輸和指令發送.整個數據傳輸過程分為3個步驟［6，7］.

(1)數據采集裝置通過標準RS232接口與GPRS Modem連接，GPRS Modem通過PPP撥號方式與基站建立連接，通過身份驗證，獲得IP地址，并接入Internet.

(2)數據分析工作站被接入互聯網，通過Socket通訊與GPRS Modem建立TCP或UDP連接.

(3)GPRS Modem從串口獲得數據采集裝置的數據，以UDP或TCP包形式，通過GPRS服務節點(GSN)，將數據傳輸到Internet上，并且尋找在Internet上的一個指定的中心服務器.中心服務器通過數據接收軟件接收數據，然后由指定的數據處理服務器通過數據處理軟件進行數據解密、解壓，將數據還原成原始數據，再將數據發送至數據分析工作站.也可以實現數據、指令的反向傳輸.

5 應用實例

本系統目前已在東北某地區電網投入實際運行，對該地區6條10 kV線路所連接的60多臺配電變壓器已實現實時數據監測，監測數據自動存入數據庫中以備查詢分析.對某配變一年內的日最大負荷數據進行統計，繪制出的相關數據曲線如圖3所示.

根據實時監測數據分析各配變母線電壓水平情況，自動生成相關的電壓統計報表見圖4，并根據用戶的需要以Excel或者Html的形式存儲報表，這樣可以大大提高生產計劃部門的工作效率，降低運行人員工作強度.

圖3 某配變日最大負荷數據曲線

圖4 各配變出線電壓水平報表

6 結語

本文所給出的基于圖形界面和無線通訊方式的配電變壓器監測分析系統，其監測內容和分析功能可以滿足配電臺區實際的應用要求.

該系統中的數據采集裝置已經實現了遙信、遙測和遙控功能.如果在無線傳輸的安全可靠性方面作進一步的研究開發，完全可以將該裝置發展成為利用GPRS網絡的無線RTU設備.與傳統RTU設備相比，由于采用無線通訊方式和已有的通訊網絡，不但可以節省投資，而且運行方式更加靈活可靠.因此，該裝置無論是在新的配電系統建設還是舊系統改造中都將有廣闊的應用前景.

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［5］李國慶，王振浩，李宏仲，等.基于圖形界面的配電臺區電能質量監測分析系統的設計與實現［J］.繼電器，2004，32(2):49-52.

［6］姜開山，胡波，馬立元，等.GPRS遠程抄表系統應用實踐［M］.北京:中國電力出版社，2007:31-36.

［7］李惠宇，羅小莉，于盛林.一種基于GPRS的配電自動化系統方案［J］.電力系統自動化，2003，27(24):63-65.