黃志鵬 邱麗卿 楊耿杰 高 偉 郭謀發(fā)

（1. 福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福州 350108；2. 國網(wǎng)福建泉州市供電有限公司，福建 泉州 362000）

我國對低壓電網(wǎng)的運行一直沒有進(jìn)行有效地監(jiān)控，線路發(fā)生故障后開關(guān)直接跳閘，無法記錄故障發(fā)生的時間和原因。為防止過負(fù)荷及漏電流事故發(fā)生，常在0.4kV電纜路的配電變壓器出線側(cè)及用戶側(cè)裝設(shè)帶漏電保護(hù)的斷路器，卻忽略了支干線路的故障同樣也會引起整條線路的停電。同時因為保護(hù)器質(zhì)量參差不齊，安裝后沒有進(jìn)行定期維護(hù)等原因，該種方式無法起到有效的保護(hù)作用[1-2]。

針對此問題本文提出在原有的保護(hù)體系中增加分支開關(guān)，形成完善的三級保護(hù)，并將傳統(tǒng)的漏電流保護(hù)器換成通信型漏保斷路器（即智能漏保斷路器），通過GPRS和ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)對線路負(fù)荷及漏電流進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測，快速定位故障區(qū)段，通過遠(yuǎn)程操控斷路器的分合閘進(jìn)行故障分支的隔離和非故障區(qū)段的恢復(fù)供電，提高供電可靠性。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

如圖1所示，系統(tǒng)主要由智能漏保斷路器、數(shù)據(jù)集中器和監(jiān)控主站組成。有別于傳統(tǒng)斷路器，智能漏保斷路器不僅可以分?jǐn)嘭?fù)荷，還可監(jiān)測線路的負(fù)荷及漏電流信息，同時能夠通過ZigBee通信接口實現(xiàn)與數(shù)據(jù)集中器通信。ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有傳輸距離遠(yuǎn)、低功耗和可靠性強(qiáng)等優(yōu)點，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)最多可達(dá) 65000個[3]。數(shù)據(jù)集中器將所有斷路器的數(shù)據(jù)綜合處理后，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳至監(jiān)控主站。監(jiān)控主站可直觀顯示負(fù)荷及漏電流信息，識別故障區(qū)段，根據(jù)需要對數(shù)據(jù)集中器和智能漏保斷路器進(jìn)行控制。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 智能漏保斷路器

智能漏保斷路器分為單相和三相兩類。單相型動作值一般有兩個檔位：40mA和100mA，額定分?jǐn)鄷r間≤0.2s，適用于中性點直接接地的220V單相供電線路。三相型漏電流動作值一般有三個檔位：300mA、600mA和1000mA，額定分?jǐn)鄷r間≤0.5s，適用于三相四線中性點直接接地的低壓電網(wǎng)。

智能漏保斷路器支持遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置，包括漏電流動作值、過流整定值、過壓整定值及動作時間等?？刂品绞娇稍O(shè)置為自動或手動兩種方式：自動方式下斷路器根據(jù)整定值和整定時間配合，自動跳閘；手動方式下不會自動跳閘，在線路越限運行時生成SOE告警事件并上傳至監(jiān)控主站，由操作人員判斷是否動作。

3 數(shù)據(jù)集中器

數(shù)據(jù)集中器是智能漏保斷路器和監(jiān)控主站連接的樞紐，負(fù)責(zé)通信規(guī)約轉(zhuǎn)換。其中與斷路器通信的規(guī)約為《剩余電流動作保護(hù)器通信規(guī)約》，與監(jiān)控主站通信的規(guī)約采用自定義的主站規(guī)約。

在硬件設(shè)計上以Digi公司的RCM6710模塊作為CPU，該模塊具有多通信接口、工作頻率高、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)等優(yōu)點，符合本系統(tǒng)的設(shè)計要求。在接口方面，通過一路的UART接口與ZigBee模塊連接，實現(xiàn)ZigBee通信功能；另一路UART接口與中興的ME3000V2模塊連接，實現(xiàn)GPRS通信功能，支持移動/聯(lián)通2G網(wǎng)絡(luò)[4]。

考慮到通信節(jié)點較多，功能復(fù)雜，采用能同時處理多任務(wù)的uC/OS-II操作系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)集中器的程序開發(fā)。

4 監(jiān)控主站設(shè)計

監(jiān)控主站由通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫及應(yīng)用程序組成，這三個程序既可以安裝于同一臺電腦上，也可安裝在不同的電腦上，相互之間通過 Socket或LabSQL工具包進(jìn)行連接，如圖 2所示。監(jiān)控主站的通信服務(wù)器和應(yīng)用程序采用 LabVIEW 進(jìn)行編程開發(fā)。

圖2 監(jiān)控主站框架圖

4.1 通信服務(wù)器設(shè)計

本系統(tǒng)通信采用客戶端和服務(wù)器（Client/Server）的結(jié)構(gòu)，借助LabVIEW圍繞TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議構(gòu)建服務(wù)器和客戶端之間一對多的通信方式[5]。通信服務(wù)器在通信結(jié)構(gòu)中扮演服務(wù)器角色，應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)集中器均為客戶端。客戶端通過配置服務(wù)器的IP地址及端口號連接至服務(wù)器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

1）主站規(guī)約設(shè)計

監(jiān)控主站與數(shù)據(jù)集中器的通信規(guī)約的幀格式見表 1，鏈路層傳輸順序遵循低位在前，高位在后；低字節(jié)在前，高字節(jié)在后的原則。其中，數(shù)據(jù)長度L為除起始字符、數(shù)據(jù)長度、校驗和和結(jié)束字符外的所有數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；地址域為數(shù)據(jù)集中器地址，如0001H表示第一臺集中器；控制碼表示控制功能，部分控制碼見表2；數(shù)據(jù)單元（DATA）為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；校驗和 CS為數(shù)據(jù)長度開始到校驗和之前所有字節(jié)的累加和，不計進(jìn)位位。

表1 通信規(guī)約幀格式

表2 主站規(guī)約部分控制碼

2）程序?qū)崿F(xiàn)

LabVIEW 提供了完備的 TCP函數(shù)節(jié)點，主要使用了創(chuàng)建TCP偵聽、讀取TCP數(shù)據(jù)、寫入TCP數(shù)據(jù)和關(guān)閉TCP連接等函數(shù)[6]。通信實現(xiàn)過程如下：

（1）使用“創(chuàng)建TCP偵聽器”對指定的IP及端口進(jìn)行偵聽。當(dāng)偵聽到有客戶端接入，立即產(chǎn)生一個鏈路，即連接ID；

（2）將偵聽到的客戶端ID通過隊列方式按順序添加進(jìn)指定的鏈路數(shù)組，等待通信校驗；

（3）利用“讀取TCP數(shù)據(jù)”和“寫入TCP數(shù)據(jù)”函數(shù)讀寫鏈路數(shù)組中的數(shù)據(jù)判斷通信連接是否正常。通過循環(huán)檢查，連接正常的客戶端ID最終進(jìn)入已連接的TCP數(shù)組，連接錯誤的ID通過“關(guān)閉TCP連接”進(jìn)行刪除。原理如圖3所示。

圖3 通信連接圖

通信服務(wù)器工作流程如圖4所示。對于應(yīng)用程序發(fā)送的數(shù)據(jù)，服務(wù)器通過判別指令幀的地址域選擇轉(zhuǎn)發(fā)的集中器；對于集中器上傳的數(shù)據(jù)，通過判斷指令幀的控制碼對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類：若為實時數(shù)據(jù)，

圖4 通信服務(wù)器工作流程圖

利用“十六進(jìn)制數(shù)字字符串至數(shù)值轉(zhuǎn)換”函數(shù)將實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)值保存在數(shù)據(jù)庫中，供應(yīng)用程序調(diào)用；若為通信測試幀，則回復(fù)應(yīng)答幀，確保通信雙方實時在線。

4.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2008設(shè)計，由實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫組成。實時數(shù)據(jù)庫存放實時上傳的數(shù)據(jù)，為生產(chǎn)管理和調(diào)度、數(shù)據(jù)分析、決策支持及遠(yuǎn)程在線瀏覽提供實時數(shù)據(jù)服務(wù)和多種數(shù)據(jù)管理功能[7]。通信服務(wù)器每隔一段時間（1h，可設(shè)置）讀取實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，插入到相應(yīng)的表單中，保存為歷史數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)庫表單主要有供電公司信息表、管理員信息表、線路信息表、斷路器信息表。部分表格間的E-R關(guān)系圖如圖5所示。

圖5 E-R關(guān)系圖

本文利用LabVIEW的工具包LabSQL進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的訪問。在訪問數(shù)據(jù)庫前，需要在Windows操作系統(tǒng)的ODBC數(shù)據(jù)源創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)源名（英文縮寫為DSN），LabSQL與數(shù)據(jù)庫的連接就是建立在DSN基礎(chǔ)上[8]。本系統(tǒng)創(chuàng)建的DSN為：負(fù)荷及漏電流綜合監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)源。

4.3 應(yīng)用程序

應(yīng)用程序集成實時監(jiān)測和在線控制功能，是監(jiān)控主站的核心。主要功能包括系統(tǒng)管理、參數(shù)配置、實時監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)及系統(tǒng)幫助等，結(jié)構(gòu)如圖6所示。

1）系統(tǒng)管理

包括用戶管理、線路管理及用戶登錄退出。用戶分為普通用戶和系統(tǒng)管理員：普通用戶可進(jìn)行數(shù)據(jù)查看，參數(shù)設(shè)置，斷路器分合閘等操作；系統(tǒng)管理員權(quán)限較高，除了上述基礎(chǔ)操作外，還可進(jìn)行用戶管理、斷路器分配及更改線路等操作。

圖6 應(yīng)用程序主要功能

2）參數(shù)配置

可遠(yuǎn)程修改集中器和斷路器參數(shù)。修改的集中器參數(shù)包括：集中器地址，IP和端口號，實時數(shù)據(jù)上傳間隔等；修改的斷路器參數(shù)包括：斷路器編號，手動或自動運行方式切換，動作值及動作時間等。

3）實時監(jiān)測與故障定位

如圖7所示，主界面繪制了低壓線路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，包括線路、變壓器、斷路器等元件，每一個元件與數(shù)據(jù)庫的記錄單元一一對應(yīng)。1、3正常運行的線路區(qū)段，2為停電線路區(qū)段，2-4和2-5為故障線路區(qū)段。

圖7 圖形監(jiān)控界面

采用基于網(wǎng)形結(jié)構(gòu)矩陣的定位算法判別故障區(qū)段。判別過程如下[9]：

（1）以斷路器作為節(jié)點進(jìn)行編號，構(gòu)建網(wǎng)形結(jié)構(gòu)矩陣C：若節(jié)點i和節(jié)點j之間存在一條饋線且該饋線的正方向是由節(jié)點i指向節(jié)點j，則對應(yīng)的網(wǎng)形結(jié)構(gòu)矩陣C中的元素Cij=1，而Cji=0。

（2）根據(jù)監(jiān)測到的電流特征構(gòu)造故障信息矩陣G：若第i節(jié)點存在故障電流，則該節(jié)點對應(yīng)的對角元素 Gii=1，反之 Gii=0。因此，當(dāng)斷路器監(jiān)測到漏電流越限或過負(fù)荷運行，令該節(jié)點的Gii=1。

（3）計算故障判別矩陣： P = C + G。

（4）若P中有元素同時滿足下列判定條件，則故障發(fā)生在節(jié)點i與j之間的區(qū)段上，判斷條件：

①Pii=1；

②對所有的 Pij=1（i≠j），都有 Pjj=0；

③末梢情況：若 Pii=1，對于所有 Pij（i≠j），都有Pij=0。

基于該原則，LabVIEW上的實現(xiàn)方法：遍歷矩陣 P每行的對角元素，若該元素為1，則索引該行所有為1元素的列號j，判斷矩陣P的j行j列元素是否為0，若全部為0則說明故障區(qū)段在i-j區(qū)段。若需要分閘斷路器，應(yīng)用程序從數(shù)據(jù)庫中獲取要控制的斷路器編號及分合閘控制碼 83H，將其轉(zhuǎn)換相應(yīng)的報文，并采用事件觸發(fā)方式下發(fā)。

4）數(shù)據(jù)查詢與圖表分析

如圖8所示，利用LabSQL工具包訪問數(shù)據(jù)庫步驟如下：

（1）建立連接：在 LabVIEW“打開自動化”函數(shù)中配置數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)源以打開數(shù)據(jù)庫連接，產(chǎn)生鏈路。

（2）執(zhí)行操作：將鏈路連接至 ADO SQL Execute.vi，通過寫入SQL語句至該vi實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取、寫入、更新、刪除等操作。

（3）斷開連接。

圖8 訪問數(shù)據(jù)庫

支持按設(shè)備編號及日期查詢數(shù)據(jù)。將SQL語句“select*from三相斷路器歷史數(shù)據(jù)where三相斷路器編號=′03′ and 日期=′2014/12/24′”寫入數(shù)據(jù)庫，即可查詢第3號三相智能漏保斷路器在該日期的數(shù)據(jù)，并將結(jié)果輸出至顯示控件。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)加強(qiáng)了對末端斷路器的管理，極大地保障了用戶的用電安全。操作人員只需查看監(jiān)控主站的應(yīng)用程序，便可獲知管轄范圍內(nèi)的線路運行情況，減少運維人員的工作量。在線路異常時遠(yuǎn)程操控切斷故障線路，保障非故障線路正常運行。本系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，目前已在現(xiàn)場運行數(shù)月，穩(wěn)定可靠。

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