配電臺區智能化系統設計與工程實現

【摘要】本文分析了目前配電臺區存在的問題和技術缺陷，提出一種系統、實用的臺區配電智能化總體方案。該方案利用現代電子技術、通訊技術、計算機及網絡技術，將配電臺區系統的在線和離線數據、運行狀態、網絡結構和地理位置等進行信息集成，具有部分狀態預測和故障診斷功能，建立配電臺區智能管理系統，實現對配變臺區系統的實時狀態監測、遠方數據采集、用電分析、負荷預測及營銷管理，為用電管理部門提供及時、真實、科學的信息，促進電力運營管理，提高電力企業經濟效益。

【關鍵詞】配電臺區；智能化；ZigBee

1.前言

配電臺區作為最終、直接面向廣大用戶的一個低壓變配電環節，其安全性、可靠性、經濟性和高效性不僅影響著整個電力系統各項性能指標，也直接關系到廣大用戶的貼身利益和國民經濟的發展。配電臺區因其主要向廣大社區居民提供生活電源，其系統和設備尤為簡陋，操控依靠人工干預，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智能化技術就有著重大的工程現實意義、經濟意義和社會意義。

2.常規配電臺區系統存在的問題和技術缺陷

2.1 典型的臺區低壓配電系統

目前國內0.4KV臺區低壓配電系統如圖1所示。

2.2 在配變臺區管理上普遍存在的問題

（1）臺區與變電站、及變電站線路的對應關系不清晰，電力用戶與臺區對應關系不明確，各個臺區用戶的用電性質不了解。

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

（3）沒有系統地形成以配變臺區為考核單位的電能集抄和運行管理機制。

（4）防盜措施不力，臺變被盜現象時有發生。

2.3 在配變臺區技術上存在的技術缺陷

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

（2）無測量臺區變運行工況的電壓、電流、功率等元件，更無法測量與電能質量有關的參數，如諧波含量、波形畸變系數等，不能提供對系統預測、預估所需的電參量依據。

（3）熔斷器因自身結構限制適用于容量較小的臺區變場合，人工就地借助專業器具操控，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）無法預先掌握熔斷器開、合及熔芯聯通信息。

（5）運行安全性依賴人工責任心；維修效果取決于人工經驗及技術水平；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。抄表數據和臺變運行參數不能有機融合。

3.配電臺區智能化系統設計

3.1 配電臺區智能化系統拓撲結構

配電臺區智能化系統從0.4KV低壓配電站、箱變、臺架配變（臺區變）構成的低壓配電系統整體結構出發，采用分層分布式結構模式，即：監控管理層（監控計算機系統），網絡接入層（通訊/信號管理），臺區變層（進線間隔、饋線間隔、無功補償間隔、母聯間隔等）、系統運行方式（電源切換）；箱變；臺區變。見圖2臺區變智能化配電系統拓撲結構。

（1）監控管理層

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

（2）網絡接入層

城區中臺區配電系統如有專用光纖網，可直接接入；光纖網沒有到達的地區，采用通用無線網。

（3）臺區變層

由臺區配電變壓器和與其配套的智能電氣柜（亦稱智能化臺區綜合配電設備）、其他輔助環節組成。其中高度集成一體化的、具有智能電網特征的配電臺區變配電智能終端（HV2002D-TB），其主要用于實現臺區變壓器與其饋（進）線的電量測量、電能計量、方式切換、狀態監視、開關控制、微機保護、電擊與電氣火災防控、數據統計、負荷預測、智能告警、故障診斷、電能質量分析評估、諧波抑制與無功補償、遠程抄表、網絡通信等。

（4）分支箱層

完成電纜分支或分配，也可作為網絡中轉環節。

（5）用戶層

對臺區用戶的電能表通過Zigbee無線方式集抄。

3.2 配電臺區變智能化配電系統功能

（1）對配電臺區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角、相角測量，各相及合相功率。

（2）對配電臺區變饋出線的剩余電流測量。

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

（4）對配電臺區變進線開關和饋出線開關遙控功能。

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

（6）防止人畜點擊和電氣火災防控。

（7）無功補償與諧波抑制。

（8）完成對臺區變壓進線開關和饋出線開關狀態量監控功能，并預留12路開關遙信位。

（9）提供多種標準通信接口。

（10）配電臺區變管理與統計功能。包括：各種實時數據存儲分析、信息存儲分析、電量集抄、線損合理性分析、負荷預測。

3.3 配電臺區變配電智能終端硬件設計

為了實現配電臺區變智能化技術，本系統設計了以DSP+MCU為核心的配電臺區變配電終端硬件系統，完成工作線路狀態的實時監控，按照設計的檢測算法完成對線路中剩余電流的監測、計量，按照保護算法完成對線路故故障保護。同時，將現場監測數據及保護信息通過ZigBee和GPRS無線通訊模塊上傳給管理中心后臺PC機。配電臺區變配電智能終端硬件原理圖如圖3所示。該硬件系統由向前防控通道（A）、基于DSP、MCU結構的主機及其接口（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，經多通道16位∑-Δ的ADC模數轉換電路后送入16位DSP數字信號處理器完成全部參數的運算和邏輯組合，將結果通過通訊口與MCU進行數據處理；MCU負責顯示管理、鍵盤管理、通訊管理、遙信量輸入處理等。

基于雙核CPU技術的主機及其接口（單元B）包括單片機系統模塊、DSP系統模塊、CPLD邏輯與組合系統模塊、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（內置EEPROM）。

考慮到系統配電臺區用戶分散范圍較廣的特點，采用傳統的人工查詢方式或有線通訊方式，均存在一定的不足。所以考慮利用當前比較成熟的無線通信方式ZigBee無線通信方式實現對臺區用戶的電能表通過Zigbee無線方式集抄，而最大的利用現有資源，保證數據傳輸及時、準確，降低系統的運行費用。如圖4所示，臺區用戶的表計以園區為單位通過Zigbee無線打包方式由智能化臺區綜合配電設備集中，再通過臺區通訊網路統一上傳。Zigbee傳輸距離1km，滿足臺區變的供電半徑。

Zigbee無線模塊的基本硬件主要由電源、串口連接電路、復位電路和無線收發電路組成。無線收發器采用挪威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.配電臺區智能化系統的工程實現

為了做好臺區變智能化配電系統技術工程實施和推廣工作，奔著自主研究創新、以典型項目試點、逐步推廣、統一規劃、統一建設的原則，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。

根據實際情況，在臺區變壓器低壓側出線加裝隔離開關、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變配電智能終端與監控主站通過通訊網絡連通實現臺變實時數據遙測、斷路器遙控、無功遙調就地自動補償及實時動態化監視，實現全數字微機保護。智配電臺區變配電智能終端采集信息與以太網工業交換機通信對接，實現信息雙向交流。最終實現了供電局低壓配電系統（配電室、臺區變）與監控主站之間的信息溝通

5 結束語

本文系統分析了目前配電臺區存在的問題和技術缺陷，提出一種系統、實用的實現配電臺區智能化系統的總體方案及拓撲結構，介紹了該系統的主要功能以及配電臺區變配電智能終端的硬件結構。通過某供電局的實際工程應用，本文提出的配電臺區智能化系統是可行的。

參考文獻

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