(貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司 凱里雷山供電局，貴州 雷山 557100)

0 引言

在我國偏遠(yuǎn)地區(qū)，進(jìn)入原生態(tài)民族文化旅游景區(qū)的旅游人數(shù)不斷增加，導(dǎo)致景區(qū)內(nèi)食宿與文娛行業(yè)所使用空調(diào)、熱水器、電磁爐等大功率電器暴增，嚴(yán)重超出報裝容量，超出配網(wǎng)建設(shè)預(yù)期估算。每當(dāng)旅游高峰期都會造成嚴(yán)重超負(fù)荷運行，導(dǎo)致配電變壓器和低壓電纜故障，而原生態(tài)民族文化旅游景區(qū)多以木質(zhì)結(jié)構(gòu)為主，用戶用電線路承載能力弱，客戶用電超報裝功率易引起家用線路過熱短路，成為引發(fā)火災(zāi)的隱患[1-3]。

當(dāng)前，低壓配網(wǎng)缺少對低壓用戶安全保障和負(fù)荷分配遙控調(diào)節(jié)的有效手段，無法從源頭上遏制用戶用電不當(dāng)發(fā)生的災(zāi)害。此外，旅游景區(qū)內(nèi)的低壓配電網(wǎng)規(guī)模較大且地理位置錯綜復(fù)雜，低壓配電設(shè)備數(shù)量和種類較多，采集設(shè)備相關(guān)溫度和負(fù)荷的數(shù)據(jù)量較大，無法及時分析處理火災(zāi)隱患[4-6]。因此，本文研制了一種基于地理信息系統(tǒng)的低壓配電用戶安全預(yù)警系統(tǒng)，利用地理信息系統(tǒng)可以集成高效獲取、存儲、更新、操作、分析及顯示數(shù)據(jù)的優(yōu)點，對低壓表區(qū)的開關(guān)狀態(tài)、電力參數(shù)、關(guān)鍵點問題進(jìn)行分析和處理。該系統(tǒng)可以較好的適應(yīng)旅游景區(qū)低壓配電設(shè)備復(fù)雜的特點，提高低壓配電網(wǎng)的可視化管理和信息化水平，及時對低壓配電用戶的用電安全隱患進(jìn)行預(yù)警。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 地理信息系統(tǒng)

地理信息系統(tǒng)是通過計算機(jī)圖形技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)來獲取、輸入、編輯、查詢、分析、決策和顯示空間圖形及其屬性數(shù)據(jù)的計算機(jī)系統(tǒng)[7]。地理信息系統(tǒng)的將地理信息及其它系統(tǒng)數(shù)據(jù)動態(tài)化和可視化，可以更加方便快捷的進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的顯示及分析處理[8]。根據(jù)地理信息系統(tǒng)可以將地理位置信息與電氣相關(guān)參數(shù)結(jié)合在一起的功能特點，將其運用于低壓配電用戶管理中，方便市縣級電力公司在低壓配電網(wǎng)管理。地理信息系統(tǒng)可視化分析管理的優(yōu)點有助于復(fù)雜環(huán)境下低壓配電網(wǎng)的綜合管理，提高了低壓配網(wǎng)的信息化水平。

地理信息系統(tǒng)采用C/S(客戶機(jī)/服務(wù)器)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)構(gòu)架，通過空間數(shù)據(jù)庫SQL Server存儲各類相關(guān)信息數(shù)據(jù)，可以對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽、編輯、查詢、輸出、建模和分析，該系統(tǒng)中地理信息系統(tǒng)功能邏輯關(guān)系圖如圖1所示[9]。

圖1 地理信息系統(tǒng)功能邏輯關(guān)系

在低壓配電用戶的應(yīng)用中，地理信息系統(tǒng)的主要功能有以下幾點：

1)數(shù)據(jù)采集功能。系統(tǒng)將采集到的各類電氣數(shù)據(jù)、地理數(shù)據(jù)及其他相關(guān)空間數(shù)據(jù)的屬性參數(shù)錄入至數(shù)據(jù)庫。

2)數(shù)據(jù)修改功能。由于在采集數(shù)據(jù)時可能會由于操作錯誤和空間信息變動導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。在低壓配電用戶的地理信息系統(tǒng)中設(shè)置圖形編輯功能，可以直接在界面上對各類電氣數(shù)據(jù)、地理數(shù)據(jù)及其他相關(guān)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行修改編輯。

3)數(shù)據(jù)分析功能，對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計的功能，并將分析結(jié)果直觀的顯示出來。

1.2 低壓配電網(wǎng)

旅游景區(qū)的低壓配電網(wǎng)具有輻射狀線路、配電線路多、供電半徑小、配電設(shè)備復(fù)雜、相關(guān)數(shù)據(jù)量大等特點。根據(jù)以上特點，本文擬在地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建低壓配電網(wǎng)模塊。從配電變壓器開始，完成低壓配電網(wǎng)的建模、設(shè)備與低壓線路的數(shù)據(jù)初始化，最終形成完整的低壓配電網(wǎng)模型。

因此，在地里信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計的低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)一般具有以下功能：(1)可以及時采集用戶側(cè)的信息及相應(yīng)的變化情況；(2)可以根據(jù)低壓配電網(wǎng)臺區(qū)拓?fù)鋱D，對低壓配電設(shè)備及線路的性能和運行情況進(jìn)行管理、查詢；(3)可以報表或文本的形式輸出各類信息。

2 系統(tǒng)設(shè)計方法

2.1 整體方案原則

本文的主要目的是研發(fā)一套基于地理信息系統(tǒng)的低壓配網(wǎng)用戶電氣量監(jiān)測及控制裝置，將多點采集的終端數(shù)據(jù)集中匯總后通過4G網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控中心，同時可由監(jiān)控中心下發(fā)控制指令，調(diào)節(jié)開關(guān)狀態(tài)。該系統(tǒng)目標(biāo)為實現(xiàn)電氣量、開關(guān)量及溫度數(shù)據(jù)的可視化、智能化采集和遠(yuǎn)動控制，并最終可以解決以下問題：

1)解決低壓表區(qū)開關(guān)狀態(tài)無法遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制的問題；

2)解決低壓表區(qū)電力參數(shù)無法監(jiān)測的問題；

3)解決低壓表區(qū)關(guān)鍵點溫度無法監(jiān)測問題；

4)解決實現(xiàn)表區(qū)用戶是否失電無法監(jiān)測的問題；

5)通過溫度監(jiān)測，研究基于溫度值或溫升速度自動跳閘，防止表區(qū)發(fā)生火災(zāi)或超溫引起的事故。

本文設(shè)計的系統(tǒng)主要基于結(jié)構(gòu)化和模塊化的原則，可以實現(xiàn)多任務(wù)系統(tǒng)實時操作。該系統(tǒng)被分為若干個功能模塊，并通過軟件接口將這些獨立的功能模塊連接。系統(tǒng)的控制主程序的流程圖如圖2所示，可以實現(xiàn)所需數(shù)據(jù)檢測、關(guān)鍵參數(shù)與觸發(fā)值設(shè)定、數(shù)據(jù)計算、安全隱患、屏幕顯示、故障位置定位、數(shù)據(jù)通信等功能。在計算溫度值時，系統(tǒng)需要考慮到溫度傳感器周圍當(dāng)日環(huán)境溫度，從而決定是否發(fā)出報警。

2.2 保護(hù)控制器設(shè)計

本文針對低壓配電用戶表區(qū)研發(fā)的低壓配電用戶保護(hù)控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)一臺裝置多回路電氣量數(shù)據(jù)收集及遙控指令輸出，實現(xiàn)故障及火災(zāi)預(yù)警，在重過載時能夠按照預(yù)先設(shè)定的負(fù)荷控制策略進(jìn)行人工或自動負(fù)荷控制，即使消除火災(zāi)隱患。基于地理信息系統(tǒng)的特點，采集到的各類信息參數(shù)可以可視化的展現(xiàn)在系統(tǒng)中，并可以直接在系統(tǒng)中對智能斷路器進(jìn)行控制。

本文設(shè)計的保護(hù)控制器結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，主要有以下功能特點。

圖3 保護(hù)控制器結(jié)構(gòu)

2.2.1 測溫數(shù)據(jù)采集功能

本文設(shè)計的保護(hù)控制器對表區(qū)和臺區(qū)總開關(guān)進(jìn)出線及中性線進(jìn)行溫度監(jiān)測，均設(shè)置7點測溫；對戶表出線側(cè)火線進(jìn)行溫度監(jiān)測，具體點數(shù)與電表數(shù)相同。在低壓設(shè)備監(jiān)測位置安裝熱敏電阻傳感器進(jìn)行溫度測量。

2.2.2 保護(hù)功能

本文設(shè)計的保護(hù)控制器對表區(qū)實現(xiàn)超溫、過流、過壓自動跳閘，超溫報警需研究多種模式，包括絕對溫度報警、溫升變化率報警、相間對比溫差報警，預(yù)留設(shè)置功能，具體報警值可根據(jù)用戶需求設(shè)置。保護(hù)控制器采用16位數(shù)字信號控制器DSPIC30F6011A作為核心控制，可以實現(xiàn)多通道電參數(shù)高速準(zhǔn)確檢測和實時多重保護(hù)控制等功能。

2.2.3 電氣量采集功能

本文設(shè)計的保護(hù)控制器實現(xiàn)表區(qū)總進(jìn)線電流、電壓、諧波采集功能，同時采集表區(qū)電表出線側(cè)電流，帶電狀態(tài)信息，具體內(nèi)容如表1所示。

表1 電氣量采集種類

2.2.4 遠(yuǎn)傳功能

低壓用戶保障控制器需具備RS485、WIFI、4G、載波通訊功能。表區(qū)數(shù)據(jù)及開關(guān)狀態(tài)通過寬帶載波或4G信號遠(yuǎn)傳至臺區(qū)，再經(jīng)4G信號傳送至控制中心，同時控制中心可通過4G信號下發(fā)控制指令，遠(yuǎn)程控制開關(guān)分合閘。

2.2.5 備用電源功能

低壓用戶保障控制器整體裝置需提供后備操作電源，當(dāng)臺區(qū)斷電后，可至少保障操作斷路器動作分合1次及24小時待機(jī)要求。

2.2.6 錄波功能

低壓用戶保障控制器具備錄波功能，可以實現(xiàn)電流、電壓波形記錄，并將波形存儲在系統(tǒng)中，方便后續(xù)調(diào)用。系統(tǒng)的采樣間隔為0.1 ms，即在一個工頻周期內(nèi)有200個采樣點。系統(tǒng)檢測帶寬為1 MHz，可以有效的檢測到各類諧波信號。

2.2.7 就地存儲功能。

低壓用戶保障控制器具備就地存儲功能，可保存波形數(shù)據(jù)。一般正常的電流、電壓波形會存儲48小時，故障電流、電壓波形會一直存儲在系統(tǒng)中，便于后續(xù)的故障分析。

2.2.8 地理位置信息

采集傳感器監(jiān)測點與斷路器的位置信息，并發(fā)送至基于地理信息系統(tǒng)的低壓配電用戶安全預(yù)警系統(tǒng)中。便于后續(xù)在系統(tǒng)中查找故障點位置及進(jìn)行及時故障處理。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的低壓配電用戶安全預(yù)警系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖4所示，系統(tǒng)通過對表區(qū)進(jìn)線負(fù)荷、溫度監(jiān)測，采集各類運行數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合分析評估，預(yù)防火災(zāi)等各類事故的發(fā)生，保障用戶用電安全。

圖4 安全預(yù)警系統(tǒng)總體架構(gòu)

在系統(tǒng)中，復(fù)合型傳感器將表區(qū)出線溫度、帶電狀態(tài)、電流信息傳入低壓保護(hù)控制器；無源無線測溫傳感器通過無線將表區(qū)總開關(guān)溫度、電流數(shù)據(jù)傳入低壓保護(hù)控制器；斷路器通過RS-485通訊接口將低壓用戶信息接入低壓用戶故障控制器；低壓用戶保障控制器集成4G/載波/WIFI模塊，通過載波將低壓用戶信息傳輸?shù)脚_區(qū)并通過臺區(qū)的低壓保護(hù)控制器將數(shù)據(jù)發(fā)送至系統(tǒng)后臺，進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)顯示，統(tǒng)計和分析。

該系統(tǒng)基于地理背景基礎(chǔ)上的臺區(qū)監(jiān)視，在地理背景信息上實時監(jiān)視全部臺區(qū)的運行狀態(tài)，通過顏色區(qū)分正常與報警站點，并以畫面、音響等多種報警手段，向管理人員提供站端設(shè)備的運行狀態(tài)異常信息的實時告警，并通知疑似故障點位置。此外，該系統(tǒng)可以對低壓配網(wǎng)用戶的運行狀態(tài)監(jiān)視，通過點擊臺區(qū)標(biāo)志，可進(jìn)入當(dāng)前臺區(qū)一次系統(tǒng)圖，一次圖顯示當(dāng)前臺區(qū)運行狀態(tài)，如圖5所示。在該系統(tǒng)中，表區(qū)和臺區(qū)可以顯示如表2中所示的參數(shù)內(nèi)容。

圖5 臺區(qū)運行狀態(tài)界面

基于系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制功能，系統(tǒng)實現(xiàn)了臺區(qū)與表區(qū)總開關(guān)遠(yuǎn)程控制功能，通過對總進(jìn)線開關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)程分閘、合閘操作。此外，系統(tǒng)通過采集問數(shù)據(jù)，同時分析低壓用戶表區(qū)負(fù)荷情況，判斷低壓配電用戶是否具有火災(zāi)隱患并提前發(fā)出預(yù)警。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 模擬實驗

3.1.1 電流值測量

為驗證本系統(tǒng)實際情況下檢測電流的精度，本文在不同幅值電流情況下進(jìn)行了實驗，結(jié)果如表3所示。

表3 電流值測量對比

測量結(jié)果表明，在測量范圍之內(nèi)，電流測量誤差均小于5%，滿足系統(tǒng)測量誤差要求。當(dāng)電流變大時誤差也隨之增大，這是由于大電流時電流互感器的非線性特性及取樣電阻發(fā)熱引起阻值的變化引起的。

3.1.2 電壓值測量

為驗證本系統(tǒng)實際情況下檢測電流的精度，本文在不同等級電壓情況下進(jìn)行了實驗，結(jié)果如表4所示。

表4 電壓值測量對比

測量結(jié)果表明，在測量范圍之內(nèi)，電壓測量誤差均小于1%，滿足系統(tǒng)測量誤差要求。

3.1.3 溫度值測量

為驗證本系統(tǒng)實際情況下檢測電流的精度，本文在不同幅值溫度情況下進(jìn)行了實驗，采用高溫電阻絲進(jìn)行模擬導(dǎo)線加熱，采用紅外測溫儀進(jìn)行對比測試，結(jié)果如表5所示。

表5 溫度值測量對比

測量結(jié)果表明，在測量范圍之內(nèi)，溫度測量誤差均小于5%，出現(xiàn)誤差的主要原因是周圍環(huán)境溫度越高，產(chǎn)生附加輻射影響較大，導(dǎo)致系統(tǒng)測量與紅外測量溫度的誤差也越大。

3.1.4 動作響應(yīng)時間測量

當(dāng)由于溫度過高導(dǎo)致低壓配電系統(tǒng)中設(shè)備絕緣受損，出現(xiàn)電壓擊穿導(dǎo)致短路故障時，線路會出現(xiàn)幅值較高的短路電流。此時需要斷路器盡快拉開，從而降低設(shè)備損失和保障人員安全。在本系統(tǒng)中，低壓保護(hù)控制器的動作響應(yīng)時間主要包括：系統(tǒng)判斷發(fā)生短路故障至發(fā)出指令的時間、斷路器機(jī)械部分動作時間和電弧熄滅的時間。本文設(shè)計系統(tǒng)的采樣間隔為0.1 ms，即在一個工頻周期內(nèi)有200個采樣點。為了檢驗系低壓保護(hù)控制器的動作響應(yīng)時間，本文進(jìn)行了瞬動實驗，施加瞬動整定電流值為線路額定電流的2倍，結(jié)果如表6所示。

表6 瞬動實驗結(jié)果

實驗結(jié)果表明，當(dāng)發(fā)生短路故障，線路中出現(xiàn)較大短路電流時時，低壓保護(hù)控制器從判斷是否發(fā)生故障到斷路器拉開的時間小于6 ms，滿足系統(tǒng)動作響應(yīng)時間要求。

3.2 實際測試

本文設(shè)計的采集系統(tǒng)在試運行期間對某旅游景區(qū)中某表區(qū)的表區(qū)總開關(guān)電流和總進(jìn)線開關(guān)進(jìn)線側(cè)溫度(A相)進(jìn)行監(jiān)測，獲得如圖6所示的24小時數(shù)值變化曲線。從曲線變化可以看出，當(dāng)游客回到住宿地點進(jìn)行洗浴、吃飯和娛樂等活動時，所需電力負(fù)荷增加，表區(qū)總開關(guān)電流和總進(jìn)線開關(guān)進(jìn)線側(cè)溫度(A相)會升高。此外，溫度變化趨勢與電流變化趨勢有所區(qū)別的主要原因是周圍環(huán)境溫度變化帶來的影響。當(dāng)電流和溫度高于系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)定值時，系統(tǒng)會發(fā)生報警，并控制低壓保護(hù)控制器進(jìn)行遠(yuǎn)程開斷操作。

圖6 表區(qū)總開關(guān)電流和中性線溫度變化

4 總結(jié)

本文基于地理信息系統(tǒng)研制了一套低壓配電用戶安全預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對各低壓配電用戶電氣量、開關(guān)量及溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集，并將用戶的地理位置和對應(yīng)數(shù)據(jù)顯示在系統(tǒng)中。通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷各低壓配電用戶是否具有火災(zāi)隱患，并及時發(fā)出報警。此外，該系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程控制保護(hù)控制器中的智能開關(guān)，進(jìn)行遠(yuǎn)程分閘操作，排除火災(zāi)隱患。