配電網柱上開關通用型智能操控系統設計

鮑都都 劉向東 鮑干都 韓璐 衛寧

摘 要：本文針對配電網柱上開關遙控器在運行過程中存在的種類多、攜帶不便、易丟失等問題，研究了適用于配電網柱上開關遙控實現的無線通信技術，提出了一種通用型的智能遙控器，可實現不同廠家、不同頻段、不同功能按鈕的遙控器歸一化，通過用戶身份認證、開關操作編號認證等雙重措施提高操作安全性，本文研究成果提高了配電網開關設備操作效率，提升了配電網智能化運行管理水平。

關鍵詞：配電網；柱上開關；無線射頻；遙控；可變頻晶振；FSK；ASK

中圖分類號：TM774 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）17-0179-02

配電網作為電力系統“發輸變配用”環節的重要節點，與用戶端聯系緊密，近年來隨著特高壓交直流輸電工程、各電壓等級智能變電站工程的陸續建設和運行，標志著堅強智能電網網架（俗稱：主網）建設基本完成。現階段能源及環保戰略背景下的新能源發電、儲能、電動汽車、清潔能源消納的電能替代、綜合能源服務、輸-配-售逐步分離的電力市場化改革、滿足人民群眾對更加美好電能服務（質量、可靠性、主動及快速響應）的需求等，這些業務場景大多位于電力系統的配用電環節，和中低壓配網息息相關，電力系統投資和技術研究、設備研發重心將下移，中低壓配電網是新時期電網投資建設的熱點。柱上開關作為10kV中壓配電網的主要一次設備，用于架空線路主干線及分支線的開斷及聯絡控制，部分柱上開關配置有對應的二次保護控制設備FTU（饋線終端單元），同時考慮到柱上開關安裝于戶外電線桿高處，配電網日常的分合閘操作非常不方便，因此柱上開關的FTU一般都配置有遙控器，操作人員手持遙控器在柱上開關附近進行分合閘操作，每個柱上開關配置獨享的遙控器。

筆者在實際的運行過程中發現，配電網設備種類繁多、參差不齊，柱上開關設備也不例外，其遙控器型號多種多樣，遙控操作模式千差萬別。現場運維人員每次都需要攜帶一大堆的遙控器，記憶各類遙控器的操作模式，攜帶操作極其不便，操作人員稍有不慎極易出現遙控器遺失、拿錯、誤遙控的現象。同時，柱上開關的遙控操作不受控，基本沒有采取強制性閉鎖措施，極易發生誤操作事故。因此急需開發一套柱上開關非接觸式的，安全系數高的無線遙控裝置，可方便的進行遠距離的分合閘操作，從而提高安裝和維護柱上開關的安全可靠性和工作效率。

本文將對柱上開關遙控器所采用的幾種無線通信技術進行研究，選擇合適的通信方式，設計和開發基于工業平板電腦的柱上開關便攜式智能操控系統。

1 同類研究基礎

上海市電力公司的吳愛軍等研究了一種結合無線通信技術的智能化柱上開關控制器方案，通過無線通信方式對柱上開關進行實時監測和控制，實現了對柱上開關的非接觸式操作，簡化了現場維護工作，降低了操作安全隱患[1]；貴州電網公司六盤水供電局的梁戟等闡述了柱上開關智能遙器的硬件設計、系統設計及軟件實現過程，實現了將型號不一的遙控器合二為一，通過遙控器自學習，以適應各種類型的遙控操作，解決了遙控器攜帶不便與操作復雜的問題，經現場調試驗證，該智能遙控器的開發是可行的[2]；上海市電力公司的陳華霖等分析了智能化柱上開關控制系統的技術背景和特點，提出了一種基于短距離無線技術的非接觸式操作掌機，用于對智能化柱上開關控制器進行參數整定、現場維護及日常巡線工作[3]。

2 無線遙控技術方案選擇

無線遙控技術紛繁復雜，并非每種技術都適應于柱上開關，目前，在無線領域較受關注的技術主要有：紅外通信技術，藍牙，ZigBee，GPRS通用分組無線服務技術，頻移鍵控技術（FSK）等。

針對現場操作的安全性而言，需要選擇一種適合于柱上開關手持終端的無線通信方式。

由于紅外通信技術存在通信距離短、沒有移動性、傳輸有方向、速率較低等因素，因此不宜采用。藍牙技術受制于傳輸距離較短、功耗相對較高（100瓦左右）等問題，也不合適選用。Wi-Fi發射功率大（超過1瓦），成本高，主要用于民用，故不宜采用。GPRS用于遠程傳輸，功耗較大，適用于終端設備與數據中心主站應用，故不宜采用。ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用，適用于物聯網組網應用，不適合配電網柱上開關復雜電磁干擾環境下應用；只有基于FSK和ASK技術的射頻技術，不進功耗低，通信距離較遠，抗干擾能力強，穿透力強，在電網現場通信方面具有特有的優勢，故選擇基于FSK方式的433MHz/ 315MHz雙頻小無線通信作為傳輸手段，考慮到現場的實際應用中，除了433MHz及315MHz這兩個典型頻段中心頻率外，還有部分采用邊頻的遙控器，如418MHz頻段遙控器，因此需要設計具有可變頻率特性的晶振模塊。

3 系統方案設計

本文將設計一套配電柱上智能開關通用型操作綜合管理系統，實現：（1）對配電網絡的柱上開關的操作實現一對多的綜合操作。（2）實現一臺設備對所有的柱上智能開關管理。（3）基于FSK方式實現多頻收發的配電柱上智能開關操作綜合管理系統專用硬件以及相應的操作系統。該方案設計實現主要涉及便攜式工業級移動作業終端、柱上開關的控制及通信、掌上終端APP軟件開發等技術。

本文設計方案如圖1所示，包括便攜式作業終端、智能操控軟件兩部分構成。便攜式作業終端又主要由主控核心板、WI-FI模塊、GPS/北斗雙星接收模塊、GIS信息存儲模塊、頻率可變晶振模塊、射頻接收模塊、射頻發射模塊、遙控器信息編碼自學習模塊、定位分析及導航模塊構成。前述系統與外部的配電工區操作票管理系統、GPS/北斗系統、柱上開關、遙控器一起協同完成本方案設計功能。

便攜式作業終端模塊用于配電柱上開關操作人員隨身攜帶，具備直觀友好交互手段，與配電操作票管理系統及現場柱上開關交互；智能操控軟件模塊用于提供給操作人員圖形化人機界面，智能分析及操作任務記錄存儲；主控核心板模塊用于提供核心計算能力及軟硬件基礎接口，實智能操作軟件的運行載體，其它外圍模塊的接口平臺； WI-FI模塊用于提供wifi接入功能，訪問配電操作票管理系統；GPS/北斗雙星接收模塊用于接收GPS信號和北斗信號，具有雙星接入自適應功能；GIS信息存儲器模塊用于存儲柱上開關的地理位置信息；頻率可變晶振模塊用于提供頻率可依據柱上開關射頻接收器相同頻率的晶振頻率；射頻接收模塊用于接收射頻信息；射頻發射模塊用于發射射頻信息；自學習模塊用于記錄不同遙控器的地址信息和功能碼信息；定位及導航模塊用于根據GPS/北斗信息，結合配電開關的GIS信息，提供定位分析和導航服務。

本文提供了一種能滿足現場不同類型的配電柱上開關遙控操作的通用標準化操作方案，通過便攜作業終端探測和采集各種不同遙控器的頻段和功能碼、地址碼信息，借助輔助地理位置定位信息進行導航，以及身份認證、操作碼認證等多種防誤措施，攻克不同頻段射頻信息發射問題，實現不同類型柱上開關的歸一化遙控操作。其具體步驟如下：

（1）第一階段（建庫及初始化）：1）匯集配電工區內全部柱上開關原有遙控器，通過便攜式作業終端探測和采集其頻段、射頻遙控編碼信息，存入智能操控軟件數據庫；2）從配電營銷系統獲取配電工區內全部柱上開關的GIS（地理位置信息），并存入GIS信息存儲器，供智能操控軟件調用訪問。

（2）第二階段（日常操作）：1）配電工區柱上開關操作人員手持便攜式作業終端，經過身份認證后，通過WIFI方式訪問配電工區操作票管理系統，獲取該操作員當日需要執行的操作任務列表；2）配電工區柱上開關操作人員手持便攜式作業終端準備外出現場作業，智能操控軟件根據待操作的柱上開關信息，訪問GIS信息存儲器，依靠便攜式作業終端內置的GPS/北斗接收模塊，經定位分析后，給操作人員提供路線導航服務，到達作業現場；3）作業人員點擊智能操控軟件GIS界面上待操作柱上開關的操作按鈕，經過二次身份認證后，進入柱上開關仿真操作界面，輸入開關編號，經軟件系統確認無誤后，準備執行遙控操作；4）智能操控軟件系統根據待操作開關的頻段信息和射頻地址碼與功能碼編碼，首先發送頻段信息給可變頻率晶振模塊，產生特定頻率的晶振輸出，如315M赫茲，該晶振頻率提供給射頻發射模塊，同時將地址碼和功能碼信息發送給射頻發射模塊，柱上開關的射頻接收器收到指令后執行分閘/合閘操作，完成一次柱上開關操作的全部過程；5）智能操控軟件依照操作任務列表，依次進行其它柱上開關的操作；6）全部操作完成后，智能操控軟件將此次操作票任務的執行情況信息，如操作人、操作開始時間、操作地點、操作結束時間、操作結果等記錄存儲到便攜式作業終端本地數據庫；7）全部操作任務完成回到配電工區后，前一步驟的操作信息上傳配電操作票管理系統，完成操作任務的閉環。

整個流程步驟可用流程圖如圖2所示。

4 結語

基于前述的設計方案開發了相關的軟硬件模塊，在工業平板電腦上開發了android應用程序，具備與射頻收發模塊、wifi模塊、配電網GIS系統、配電網操作票管理系統的接口，實現了配電工區內全部柱上開關的安全智能操作，解決了原來存在的遙控器多樣化、攜帶及管理不便、無安全認證保障、不可查詢及回溯歷史操作紀錄等問題，提高了配電網開關設備操作效率，提升了配電網智能化運行管理水平。

參考文獻

[1]吳愛軍，陳海昆，陳華霖.智能化柱上開關控制器研究與設計[J].華東電力，2013，41（4）：0887-0890.

[2]梁戟，等.柱上開關智能遙控器的設計與實現[J].電力設備，2016，2.

[3]陳華霖，等.掌機終端與柱上開關控制裝置整合的應用[J].電力與能源，2012，1（33）：17-20.