论文部分内容阅读
【摘要】本文分析了目前配电台区存在的问题和技术缺陷，提出一种系统、实用的台区配电智能化总体方案。该方案利用现代电子技术、通讯技术、计算机及网络技术，将配电台区系统的在线和离线数据、运行状态、网络结构和地理位置等进行信息集成，具有部分状态预测和故障诊断功能，建立配电台区智能管理系统，实现对配变台区系统的实时状态监测、远方数据采集、用电分析、负荷预测及营销管理，为用电管理部门提供及时、真实、科学的信息，促进电力运营管理，提高电力企业经济效益。
【关键词】配电台区；智能化；ZigBee
1.前言
配电台区作为最终、直接面向广大用户的一个低压变配电环节，其安全性、可靠性、经济性和高效性不仅影响着整个电力系统各项性能指标，也直接关系到广大用户的贴身利益和国民经济的发展。配电台区因其主要向广大社区居民提供生活电源，其系统和设备尤为简陋，操控依靠人工干预，保护绝大部分仍用跌落保险。在此实际背景下，针对性地研究配电台区智能化技术就有着重大的工程现实意义、经济意义和社会意义。
2.常规配电台区系统存在的问题和技术缺陷
2.1 典型的台区低压配电系统
目前国内0.4KV台区低压配电系统如图1所示。
2.2 在配变台区管理上普遍存在的问题
（1）台区与变电站、及变电站线路的对应关系不清晰，电力用户与台区对应关系不明确，各个台区用户的用电性质不了解。
（2）对各台区配变运行状态不了解，台区营销考核的重要指标来源不科学，技术参数大多数依靠人工采集的落后方式，特别是在较落后的广大农村地区，此问题更为突出。
（3）没有系统地形成以配变台区为考核单位的电能集抄和运行管理机制。
（4）防盗措施不力，台变被盗现象时有发生。
2.3 在配变台区技术上存在的技术缺陷
（1）保护功能单一、功能的增加、选择困难、保护准确度低、以及保护值的整定、修订存在保护的盲区和死区。
（2）无测量台区变运行工况的电压、电流、功率等元件，更无法测量与电能质量有关的参数，如谐波含量、波形畸变系数等，不能提供对系统预测、预估所需的电参量依据。
（3）熔断器因自身结构限制适用于容量较小的台区变场合，人工就地借助专业器具操控，其合、断点距离操作人员较近，安全性差；如果台变数量较多且分散布置广时，人员操作劳动强度大，极易疲劳误操作。
（4）无法预先掌握熔断器开、合及熔芯联通信息。
（5）运行安全性依赖人工责任心；维修效果取决于人工经验及技术水平；备件种类多，备件的互换性差；对运行、维修人员水平要求高；维护工作量大，检修成本高，检修时间长。
（6）低压集抄功能缺陷。需另配集中抄表器，对台变用户表计进行有线或载波集抄。抄表数据和台变运行参数不能有机融合。
3.配电台区智能化系统设计
3.1 配电台区智能化系统拓扑结构
配电台区智能化系统从0.4KV低压配电站、箱变、台架配变（台区变）构成的低压配电系统整体结构出发，采用分层分布式结构模式，即：监控管理层（监控计算机系统），网络接入层（通讯/信号管理），台区变层（进线间隔、馈线间隔、无功补偿间隔、母联间隔等）、系统运行方式（电源切换）；箱变；台区变。见图2台区变智能化配电系统拓扑结构。
（1）监控管理层
该层既可兼容原有中、高压自动化系统亦可自成系统。系统软件总体上分为三个层次：应用功能层（包含用户界面、数据库维护、定时事件）；后台功能层（包含用户操作的报文组包，报警事件和底层数据的报文的解析处理）；底层通信动态连接库。
（2）网络接入层
城区中台区配电系统如有专用光纤网，可直接接入；光纤网没有到达的地区，采用通用无线网。
（3）台区变层
由台区配电变压器和与其配套的智能电气柜（亦称智能化台区综合配电设备）、其他辅助环节组成。其中高度集成一体化的、具有智能电网特征的配电台区变配电智能终端（HV2002D-TB），其主要用于实现台区变压器与其馈（进）线的电量测量、电能计量、方式切换、状态监视、开关控制、微机保护、电击与电气火灾防控、数据统计、负荷预测、智能告警、故障诊断、电能质量分析评估、谐波抑制与无功补偿、远程抄表、网络通信等。
（4）分支箱层
完成电缆分支或分配，也可作为网络中转环节。
（5）用户层
对台区用户的电能表通过Zigbee无线方式集抄。
3.2 配电台区变智能化配电系统功能
（1）对配电台区变馈出线的全电量测量包括：各相电流、电压有效值测量；各相及合相功率因数角、相角测量，各相及合相功率。
（2）对配电台区变馈出线的剩余电流测量。
（3）对配电台区变馈出线路的有功、无功、视在电能计量，谐波能量测量，四象限无功电能计量。
（4）对配电台区变进线开关和馈出线开关遥控功能。
（5）对配电台区进线开关和馈出线保护，包括：电流保护、电压保护、过负荷保护、频率保护。
（6）防止人畜点击和电气火灾防控。
（7）无功补偿与谐波抑制。
（8）完成对台区变压进线开关和馈出线开关状态量监控功能，并预留12路开关遥信位。
（9）提供多种标准通信接口。
（10）配电台区变管理与统计功能。包括：各种实时数据存储分析、信息存储分析、电量集抄、线损合理性分析、负荷预测。
3.3 配电台区变配电智能终端硬件设计
为了实现配电台区变智能化技术，本系统设计了以DSP+MCU为核心的配电台区变配电终端硬件系统，完成工作线路状态的实时监控，按照设计的检测算法完成对线路中剩余电流的监测、计量，按照保护算法完成对线路故故障保护。同时，将现场监测数据及保护信息通过ZigBee和GPRS无线通讯模块上传给管理中心后台PC机。配电台区变配电智能终端硬件原理图如图3所示。该硬件系统由向前防控通道（A）、基于DSP、MCU结构的主机及其接口（B）、和向后防控通道（C）三个部分组成。其工作原理：首先通过电量互感器、温度传感器等来对输入电流、电压信号、温度等进行采样，经多通道16位∑-Δ的ADC模数转换电路后送入16位DSP数字信号处理器完成全部参数的运算和逻辑组合，将结果通过通讯口与MCU进行数据处理；MCU负责显示管理、键盘管理、通讯管理、遥信量输入处理等。 基于双核CPU技术的主机及其接口（单元B）包括单片机系统模块、DSP系统模块、CPLD逻辑与组合系统模块、ZigBee无线模块、串行通信模块、磁耦合器、光电耦合器、液晶显示模块、键盘模块和Watchdog模块（内置EEPROM）。
考虑到系统配电台区用户分散范围较广的特点，采用传统的人工查询方式或有线通讯方式，均存在一定的不足。所以考虑利用当前比较成熟的无线通信方式ZigBee无线通信方式实现对台区用户的电能表通过Zigbee无线方式集抄，而最大的利用现有资源，保证数据传输及时、准确，降低系统的运行费用。如图4所示，台区用户的表计以园区为单位通过Zigbee无线打包方式由智能化台区综合配电设备集中，再通过台区通讯网路统一上传。Zigbee传输距离1km，满足台区变的供电半径。
Zigbee无线模块的基本硬件主要由电源、串口连接电路、复位电路和无线收发电路组成。无线收发器采用挪威Chipcon公司的CC2430，其工作于开放的无线2.4GHz频段。
通过Zigbee无线方式集抄原理图
4.配电台区智能化系统的工程实现
为了做好台区变智能化配电系统技术工程实施和推广工作，奔着自主研究创新、以典型项目试点、逐步推广、统一规划、统一建设的原则，通过分析研究，特选择江门蓬江供电局所管辖的西里园1#（江供1342）、2#（江供1357）公用变；西园中公用变（江供1284）；灯笼山公用变（江供1012）；检察院公用变（江供1518）；胜利中路公用变（江供1519）来实施。
根据实际情况，在台区变压器低压侧出线加装隔离开关、可电动操作的断路器、和自动无功补偿。如图5所示。
整个台变依靠配电台区变配电智能终端与监控主站通过通讯网络连通实现台变实时数据遥测、断路器遥控、无功遥调就地自动补偿及实时动态化监视，实现全数字微机保护。智配电台区变配电智能终端采集信息与以太网工业交换机通信对接，实现信息双向交流。最终实现了供电局低压配电系统（配电室、台区变）与监控主站之间的信息沟通
5 结束语
本文系统分析了目前配电台区存在的问题和技术缺陷，提出一种系统、实用的实现配电台区智能化系统的总体方案及拓扑结构，介绍了该系统的主要功能以及配电台区变配电智能终端的硬件结构。通过某供电局的实际工程应用，本文提出的配电台区智能化系统是可行的。
参考文献
[1]周忠欢，沈宇舟.低压台区化管理应用综述[J].上海电力2008，6.
[2]United States Department of Energy Office of Electric Transmission and Distribution.Grid2030：A national vision for electricity’s second 100 years[EB/OL].
[3]张文亮，刘壮志.智能电网的研究进展及发展趋势[J].电网技术，2009.
【关键词】配电台区；智能化；ZigBee
1.前言
配电台区作为最终、直接面向广大用户的一个低压变配电环节，其安全性、可靠性、经济性和高效性不仅影响着整个电力系统各项性能指标，也直接关系到广大用户的贴身利益和国民经济的发展。配电台区因其主要向广大社区居民提供生活电源，其系统和设备尤为简陋，操控依靠人工干预，保护绝大部分仍用跌落保险。在此实际背景下，针对性地研究配电台区智能化技术就有着重大的工程现实意义、经济意义和社会意义。
2.常规配电台区系统存在的问题和技术缺陷
2.1 典型的台区低压配电系统
目前国内0.4KV台区低压配电系统如图1所示。
2.2 在配变台区管理上普遍存在的问题
（1）台区与变电站、及变电站线路的对应关系不清晰，电力用户与台区对应关系不明确，各个台区用户的用电性质不了解。
（2）对各台区配变运行状态不了解，台区营销考核的重要指标来源不科学，技术参数大多数依靠人工采集的落后方式，特别是在较落后的广大农村地区，此问题更为突出。
（3）没有系统地形成以配变台区为考核单位的电能集抄和运行管理机制。
（4）防盗措施不力，台变被盗现象时有发生。
2.3 在配变台区技术上存在的技术缺陷
（1）保护功能单一、功能的增加、选择困难、保护准确度低、以及保护值的整定、修订存在保护的盲区和死区。
（2）无测量台区变运行工况的电压、电流、功率等元件，更无法测量与电能质量有关的参数，如谐波含量、波形畸变系数等，不能提供对系统预测、预估所需的电参量依据。
（3）熔断器因自身结构限制适用于容量较小的台区变场合，人工就地借助专业器具操控，其合、断点距离操作人员较近，安全性差；如果台变数量较多且分散布置广时，人员操作劳动强度大，极易疲劳误操作。
（4）无法预先掌握熔断器开、合及熔芯联通信息。
（5）运行安全性依赖人工责任心；维修效果取决于人工经验及技术水平；备件种类多，备件的互换性差；对运行、维修人员水平要求高；维护工作量大，检修成本高，检修时间长。
（6）低压集抄功能缺陷。需另配集中抄表器，对台变用户表计进行有线或载波集抄。抄表数据和台变运行参数不能有机融合。
3.配电台区智能化系统设计
3.1 配电台区智能化系统拓扑结构
配电台区智能化系统从0.4KV低压配电站、箱变、台架配变（台区变）构成的低压配电系统整体结构出发，采用分层分布式结构模式，即：监控管理层（监控计算机系统），网络接入层（通讯/信号管理），台区变层（进线间隔、馈线间隔、无功补偿间隔、母联间隔等）、系统运行方式（电源切换）；箱变；台区变。见图2台区变智能化配电系统拓扑结构。
（1）监控管理层
该层既可兼容原有中、高压自动化系统亦可自成系统。系统软件总体上分为三个层次：应用功能层（包含用户界面、数据库维护、定时事件）；后台功能层（包含用户操作的报文组包，报警事件和底层数据的报文的解析处理）；底层通信动态连接库。
（2）网络接入层
城区中台区配电系统如有专用光纤网，可直接接入；光纤网没有到达的地区，采用通用无线网。
（3）台区变层
由台区配电变压器和与其配套的智能电气柜（亦称智能化台区综合配电设备）、其他辅助环节组成。其中高度集成一体化的、具有智能电网特征的配电台区变配电智能终端（HV2002D-TB），其主要用于实现台区变压器与其馈（进）线的电量测量、电能计量、方式切换、状态监视、开关控制、微机保护、电击与电气火灾防控、数据统计、负荷预测、智能告警、故障诊断、电能质量分析评估、谐波抑制与无功补偿、远程抄表、网络通信等。
（4）分支箱层
完成电缆分支或分配，也可作为网络中转环节。
（5）用户层
对台区用户的电能表通过Zigbee无线方式集抄。
3.2 配电台区变智能化配电系统功能
（1）对配电台区变馈出线的全电量测量包括：各相电流、电压有效值测量；各相及合相功率因数角、相角测量，各相及合相功率。
（2）对配电台区变馈出线的剩余电流测量。
（3）对配电台区变馈出线路的有功、无功、视在电能计量，谐波能量测量，四象限无功电能计量。
（4）对配电台区变进线开关和馈出线开关遥控功能。
（5）对配电台区进线开关和馈出线保护，包括：电流保护、电压保护、过负荷保护、频率保护。
（6）防止人畜点击和电气火灾防控。
（7）无功补偿与谐波抑制。
（8）完成对台区变压进线开关和馈出线开关状态量监控功能，并预留12路开关遥信位。
（9）提供多种标准通信接口。
（10）配电台区变管理与统计功能。包括：各种实时数据存储分析、信息存储分析、电量集抄、线损合理性分析、负荷预测。
3.3 配电台区变配电智能终端硬件设计
为了实现配电台区变智能化技术，本系统设计了以DSP+MCU为核心的配电台区变配电终端硬件系统，完成工作线路状态的实时监控，按照设计的检测算法完成对线路中剩余电流的监测、计量，按照保护算法完成对线路故故障保护。同时，将现场监测数据及保护信息通过ZigBee和GPRS无线通讯模块上传给管理中心后台PC机。配电台区变配电智能终端硬件原理图如图3所示。该硬件系统由向前防控通道（A）、基于DSP、MCU结构的主机及其接口（B）、和向后防控通道（C）三个部分组成。其工作原理：首先通过电量互感器、温度传感器等来对输入电流、电压信号、温度等进行采样，经多通道16位∑-Δ的ADC模数转换电路后送入16位DSP数字信号处理器完成全部参数的运算和逻辑组合，将结果通过通讯口与MCU进行数据处理；MCU负责显示管理、键盘管理、通讯管理、遥信量输入处理等。 基于双核CPU技术的主机及其接口（单元B）包括单片机系统模块、DSP系统模块、CPLD逻辑与组合系统模块、ZigBee无线模块、串行通信模块、磁耦合器、光电耦合器、液晶显示模块、键盘模块和Watchdog模块（内置EEPROM）。
考虑到系统配电台区用户分散范围较广的特点，采用传统的人工查询方式或有线通讯方式，均存在一定的不足。所以考虑利用当前比较成熟的无线通信方式ZigBee无线通信方式实现对台区用户的电能表通过Zigbee无线方式集抄，而最大的利用现有资源，保证数据传输及时、准确，降低系统的运行费用。如图4所示，台区用户的表计以园区为单位通过Zigbee无线打包方式由智能化台区综合配电设备集中，再通过台区通讯网路统一上传。Zigbee传输距离1km，满足台区变的供电半径。
Zigbee无线模块的基本硬件主要由电源、串口连接电路、复位电路和无线收发电路组成。无线收发器采用挪威Chipcon公司的CC2430，其工作于开放的无线2.4GHz频段。
通过Zigbee无线方式集抄原理图
4.配电台区智能化系统的工程实现
为了做好台区变智能化配电系统技术工程实施和推广工作，奔着自主研究创新、以典型项目试点、逐步推广、统一规划、统一建设的原则，通过分析研究，特选择江门蓬江供电局所管辖的西里园1#（江供1342）、2#（江供1357）公用变；西园中公用变（江供1284）；灯笼山公用变（江供1012）；检察院公用变（江供1518）；胜利中路公用变（江供1519）来实施。
根据实际情况，在台区变压器低压侧出线加装隔离开关、可电动操作的断路器、和自动无功补偿。如图5所示。
整个台变依靠配电台区变配电智能终端与监控主站通过通讯网络连通实现台变实时数据遥测、断路器遥控、无功遥调就地自动补偿及实时动态化监视，实现全数字微机保护。智配电台区变配电智能终端采集信息与以太网工业交换机通信对接，实现信息双向交流。最终实现了供电局低压配电系统（配电室、台区变）与监控主站之间的信息沟通
5 结束语
本文系统分析了目前配电台区存在的问题和技术缺陷，提出一种系统、实用的实现配电台区智能化系统的总体方案及拓扑结构，介绍了该系统的主要功能以及配电台区变配电智能终端的硬件结构。通过某供电局的实际工程应用，本文提出的配电台区智能化系统是可行的。
参考文献
[1]周忠欢，沈宇舟.低压台区化管理应用综述[J].上海电力2008，6.
[2]United States Department of Energy Office of Electric Transmission and Distribution.Grid2030：A national vision for electricity’s second 100 years[EB/OL].
[3]张文亮，刘壮志.智能电网的研究进展及发展趋势[J].电网技术，2009.