基于3G无线网络的用电检查装置的设计开发

　　引言
　　随着现代社会经济的发展，各行各业对供电的需求和依赖程度越来越高，如何确保供电的安全、连续、稳定对于供电企业而言显得尤为重要。由于电力生产、供应、和使用具有瞬间完成的自然特殊物理属性，作为供电企业除了确保对自身电力设施、电气设备的正常运行外，还必须加强电a力用户的安全和技术管理，防止因电力用户内部故障造成对电网的不利影响。
　　目前用电检查人员对用电客户实施的用电安全管理主要采用传统的人工现场巡视检查，这种检查方法缺乏实时性，工作效率不高，无法实时检查用户的设备安全状况、电气运行状态、电力使用情况和电工作业行为等。一旦用户发生用电异常情况，用电检查人员无法实时掌握和排除，影响电力系统安全稳定运行和用户正常用电，这种传统的用电检查作业组织模式已不能适应当前的电力需求侧管理和客户服务提升。
　　文章着重探讨针对高压电力客户供配电系统电气设备运行方式、继电保护及自动装置的运行参数采样、实时数据监测、无线远程传输等方面内容，结合用电检查工作实际需求，提出现有用电检查管理模式下存在问题的一种解决方案。
　　1 高压电力客户用电检查管理现状
　　国家为了保障电网的安全、稳定、经济运行，维护正常的供用电秩序，保护供用电双方的合法权益，供电企业根据需要有权对用户的电力使用情况进行检查，确保用电安全，目前主要采用传统的人工现场定期巡视检查方式。
　　虽然有部分供电企业对35千伏及以上电压等级的用电客户端变电站（所）要求，将其进线开关装置的继电保护和自动装置的二次系统通过光纤等通讯技术接入到供电企业的电力调度部门，供电企业通过用户变电站的的测控装置，继电保护装置，能够很好的实现对其电气设备实时监测，但是由于供电企业的调度部门相关系统数据涉及保密安全要求，往往作为同一系统内的营销部门无法及时获得信息，一般情况下，当此类用户变电站发生故障时调度部门会电话告知营销部门，再由营销部门安排用电检查人员进行现场处理。而对于35千伏以下的用户端变电站（这类用户主要为10千伏或20千伏电压等级，是电力系统中供配电网的主要用户，占高压用户户数比例在95%以上），几乎都没有将其电气设备继电保护装置的二次接入电力系统监测和远方控制。由于无法及时获得用户变电站的电力运行信息，在用户变电站发生内部故障时不能及时识别和排除，会对电力系统安全稳定运行和用户正常用电造成不同程度影响。
　　若是针对10千伏或20千伏的电力客户，也要求将其进线开关装置的继电保护和自动装置的二次系统通过光纤等通讯技术接入到供电企业的电力调度控制部门，那么由于光纤接入的投资庞大，将会大大增加电力客户的建设成本，而且10千伏等中压配网的负荷开放，以及系统运行方式调整比较灵活，工程实施起来非常复杂，实际情况难以实现。同样供电企业针对10千伏或20千伏的电力用户变电站都装有负荷管理终端装置，负荷管理终端装置终端通过485连线与计量电能表计进行通讯，仅仅是通过二次回路接线对总进线开关和部分分支路开关在负荷控制时实施电气分闸功能，对有序用电分轮次控制起到保证作用，无法满足用电检查工作要求。目前电力用户变电站的自动化装置已广泛使用，如测控装置，继电保护装置，都能够很好的对现场设备实现保护和测控的功能，但是由于没有电气信息传输渠道，当发生异常或故障时无法实时将故障信息通知用电检查人员，造成安全隐患和故障处理的延误。
　　2 用电检查装置的研究
　　在保证用电检查人员专业素质和技能水平的前提下，如何做到让用电检查工作更高效快捷显得尤为重要和迫切。因此，基于现代通讯技术研制出一套适合远程监测和控制的无线用电检查装置是可行的，它的成功研制将具有广泛的应用前景。
　　2.1 装置的硬件设计
　　本系统用电检查装置硬件平台由电能信号测量模块和数据收集处理模块及信息显示模块组成。其中电能信号测量模块采用DSP架构， 充分利用DSP稳定高速的特点对电能的各项参数进行测量，数据收集处理模块采用ARM架构， 充分利用ARM多任务及标准化的外设接口的特点， 通过RS485接口（7路），CAN口（1路）及网口采集数据，处理数据， 并通过RJ45口将数据输出。数据显示模块采用ARM Cortex-M3芯片， 主要完成数据的本地显示。以上模块彼此独立，又通过网络互连达到统一，提高整个系统的稳定性和可靠性。
　　用电检查装置的硬件主要分为三大部分如图1用电检查装置硬件框图所示。
　　（1）供电电源。
　　（2）用电检查装置系统管理硬件平台。
　　（3）ADI DSP BF518 电力测控硬件平台。
　　（4）人机界面LM8963 硬件平台。
　　图1 用电检查装置硬件框图所示
　　用电检查装置系统管理硬件平台主要实现两种功能系统框图如图2所示：
　　（1）对外实现与服务器的通讯连接；（2）对内实现与电力仪表的通讯，采集电力数据，分析电力故障，并上报服务器。
　　图2 硬件的总体设计图
　　2.2 用电检查装置的理论分析
　　在用电检查系统中，通常需要监测用户变电所电气设备装置及馈线回路的运行状况，以分析判断电力运行是否正常，只有通过采样到实时的电力数据，才能做出正确分析判断，因此在用电检查系统中电力采样至关重要。除了电力采样之外，同时还需要对一些开关量的采集，以及水浸检测，入侵检测，现场温湿度和视频等。用电检查系统中采用的傅里叶交流采样算法。
　根据傅里叶级数，将待分析的周期函数电流信号i（t）表示为
　　（1）
　　可用和分别乘式（1）两边，然后在t0到t0+T积分，得到
　　（2）
　　（3）
　　每工频周期T采样N次，对式（2）和式（3）用梯形法数值积分来代替，则得
　　（4）
　　（5）
　　式中k、ik-第k采样及第k个采样值
　　电流n次谐波幅值（最大值）和相位（余弦函数的初相）分别为
　　Inm=■ （6）
　　？兹n=arctg■ （7）
　　写成复数形式有
　　■n=Inc+jIns
　　对于基波分量，若每周采样12点（N=12），则式（2-4）和式（2-5）可简化为
　　（8）
　　（9）
　　在微机保护的实际编程中，为尽量避免采用费时的乘法指令，在准确度容许的情况下，为了获得对采样结果分析计算的快速性，可用（1-1/8）近似代替上 两式中的■/2，而后1/2和1/8采用较省时的移位指令来实现。
　　全周波傅里叶算法本身具有滤波作用，在计算基频分量时，能抑制恒定直流和消除各整数次谐波，虽然对衰减的直流分量将造成基频（或其他倍频）分量计算结果的误差，另外在用近似数值计算代替积也会导致一定的误差。
　　由于目前用户端的用电设备当中非线性负载越来越多，其谐波污染和对电网注入的负序电流也日益突出，为确保采样数据精度，综合比较而言，文章电力采样选用全周波傅里叶算法。
　　3 用电检查装置的系统方案
　　根据江苏省电力公司《用电检查工作标准》相关规定，将原先人工巡视的用电检查内容通过无线传输实现远程在线工作，实时掌握客户变电站各种电气设备运行情况。首先从客户变电站采集实时数据，送入用电检查现场检测装置模块，经模块处理后，相关数据通过3G无线网络传输至管理服务器，最后由用电检查员在计算机终端进行登录查看和有关数据分析以及工作指令执行，在非工作时间可以通过移动终端（手机）进行工作。为此该系统包括前端嵌入式用电检查监测装置、权限管理服务器、客户端三部分组成，安全可靠，适应各类工业现场恶劣环境，可以跨平台、跨区域，实现任何时间、任何地点无缝接入该系统，并随时监控各类用户变电站的电力参数及环境状况，该系统总体构架如图3所示。
　　用电检查装置软硬件平台：硬件采用三星ARMS3C6410平台，嵌入式linux系统，ADIDSP测控模块。
　　权限管理服务器软硬件平台：硬件平台采用intel x86-64平台架构，操作系统为linux server（ubuntu server11.10 64-bit）
　　客户端平台：硬件平台为intel-x86/ARM平台，操作系统平台为windows/linux/ios/android。
　　4 用电检查系统工程应用
　　用电检查智能监控客户端软件基于3G、wifi等网络载体，通过服务器与前端用户变电站的数据发生交换，实现用户通过网络连接实现对远程用户变电站的各种参数进行浏览查看的功能，并且能主动捕获前端用户变电站产生的报警数据，亦能对通过权限的配置， 实现对前端用户变电站开关的遥控、遥调等远程操作，真正实现智能监控的目的。
　　4.1 主界面功能
　　客户端软件登录之前，确定配置文件已经配置正确，然后用管理员分配的用户名和密码进行登录，系统登录界面如图4所示：
　　正确登录之后，进入到主界面的操作，系统操作界面如图5所示：
　　图4 系统登陆界面 图5系统操作界面
　　在主界面的左侧显示了该用户有权限浏览的所有工程，以树状列表的形式展现出来，双击树的节点，可对这个工程进行浏览，浏览的效果在左侧显示出来。
　　4.2 历史数据查询
　　如需对客户变电站设备运行的历史数据进行查询，输入想要查询的时间和查询的测点，即可进行查询，可有两种表达方式：历史数据曲线查询模式如图6所示；历史数据列表查询模式如图7所示。
　　图6 历史数据曲线查询模式
　　图7 历史数据列表查询模式
　　用户可根据实际情况进行查询显示。
　　4.3 报警数据查询
　　用户需要查询报警数据时，输入查询的时间范围、报警类型、报警级别等检索条件，即可查询到相应的报警数据，如图8所示报警数据查询。
　　图8 报警数据查询
　　4.4 遥控和视频
　　客户端软件还可对有权限的用户开放遥控开关功能，并能将视频定位到此开关上面，以达到在遥控开关的同时，实地观察该开关的跳转动作，确保遥控成功，如图9所示系统遥控报警界面。
　　图9 系统遥控报警界面
　　注意的是，在遥控开关的时候除了应具有管理员分配的相应权限之外，还需要进行随即密钥和问题的回答，答对之后方能遥控，确保遥控万无一失。
　　4.5 南京玄武湖和平大沟工程案例
　　4.5.1 项目概况：玄武湖公园管理处，现有7个电力用户变电站，用户变电站分布较为分散，距离较远，依靠传统的用电检查作业方式较难进行有效的工作。
　　4.5.2 用电检查作业需求：实时监测用户变电站关键电力参数并具有预警功能、箱变具有入侵、烟感、水浸报警功能、电能质量监测、3G智能手机实时监测。
　　4.5.3 项目实施情况
　　（1）现在各用户变电站加装用电检查装置，同时将用户变电站各回路主要电力参数信息上传（电流、电压、功率因素、电量、谐波、开关状态等）。（2）变压器温控仪接入用电检查装置，实时监测变压器三相温度以及历史最高值。（3）低压进线柜接入三相电流、三相电压信号，实时监测各种电能质量参数，包括有功、无功、正序电流电压、负序电流电压、电流电压的1-31次谐波分量、计量等。（4）重要的状态量（如：门禁、烟感、水浸、温湿度）通过前端智能装置及传感器接入用电检查装置。（5）用电检查装置自身状态监测：3G信号强度、运营商信息、机内温度、后备电池电量等信息。
　工程截图如图10、图11所示。
　　图11 南京玄武湖和平大沟案例截图2
　　4.5.4 手机客户端（android平台）
　　图12 智能手机客户端登陆界面
　　图13 智能手机客户端工程界面
　　图14 智能手机客户端一次图显示、报警查询界面
　　4.5.5 工程案例使用效果
　　（1）正常巡检功能
　　本工程案例除了实现供电企业用电检查人员实施远程监测客户用电状况外，还可供用户的内部电气管理部门做为日常管理应用。用户变电站值班电工可以不到现场，对下辖用户变电站进行日常巡检，可以做到无人值守或少人值守，可以了解到电力设备所有的电力参数、开关状态，同时能够实时查看门禁、水浸、烟感、温湿度等环境参数。为优化电力设备管理提供依据。
　　（2）故障报警功能
　　无线用电检查系统配置多种故障类型报警，主要针对常用高低压断路器、电力变压器、电压互感器、电流互感器等主要电气设备异常和故障运行状态。例如计量用的电压互感器（俗称PT）断线报警，当由于电网不稳定、人为等因素引起的PT断线，用电检查装置就会形成报警信息，通过短信方式通知系统设定的手机号码，同时通过声光报警方式推送到在线客户端，用电检查装置同时也记录该事件发生的用户、用 户变电站、时间、报警级别等信息，形成报警历史数据，便于故障查询和处理。该装置同时在程序设计时就考虑了防止误报功能，通过设置合适的变化率、死区值来防止反复报警及误报。配置界面如图15。
　　图15 系统报警属性配置界面
　　（3）数据分析功能
　　通过历史数据查询分析，可发现电流、电压等在一定时段内变化的规律，通过对该工程分析发现3/5/7次谐波分量在17：30后明显增高，甚至达到5%，经与用户沟通发现玄武湖内观光车、观光船均采用电动车，下班后给观光电动车集中充电时引起的谐波源。
　　5 结束语
　　文章是在对3G无线用电检查系统工作原理进行研究的基础上，针对3G用电检查装置3G数据传输、Linux嵌入式操作系统、uCosII嵌入式操作系统、电力采样算法、服务器功能、客户端功能进行了原理性的分析，并在实际工程中得到验证，经过一年多的试运行，该装置设计先进合理，运行稳定可靠，产生的经济效益和社会效益可观。归纳起来有以下几个方面：
　　（1）准确掌握了客户变电站的运行状况，最大限度地发挥了用电检查员的工作潜力，减轻了用检人员的劳动强度。该装置为用电检查工作提供了便利，为科学指导客户安全用电、合理用电、节约用电打下了坚实的基础。该装置是一套图、文、声并茂的现场实时系统，提高了用电检查人员的业务水平和管理能力。
　　（2）安全效益可观。由于加强了对客户变电站的设备管理，，减少了因客户设备故障运行而导致影响系统安全运行的机率，从保证电网安全的角度来讲，其效益巨大。
　　（3）优质服务效益显著。该装置针对客户变电站突发事件，系统会自动向分管用电检查人员报警，加速了故障处理和恢复正常用电，对于客户而言节约大量的时间和精力，凸显了供电企业的服务能力和水平，社会效益十分显著。
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　　作者简介：吴芳柱（1981-），男，南京，工程师，用电检查技师，长期从事用电检查、电力营销管理。