基于图形界面和无线通讯方式的配电变压器监测分析系统

李宏仲，游大宁，孔凡祥

(1.上海电力学院电力与自动化工程学院，上海 200090;2.山东电力集团公司 调度中心，山东 济南 250001;3.内蒙古赤峰市农电局，内蒙古赤峰 024000)

20世纪90年代以来，随着电力供应商品化、市场化的发展，国内电力部门和电力用户对电能质量愈发重视.供电系统的电能质量高低，直接关系到供电系统能否安全运行和用户是否能够安全用电［1-3］.而对配电变压器运行状态的监测分析可以为供电部门了解配电系统的运行状况，降低电网损耗、制定最优供电方案等提供科学、完整的依据［4］.

但是，目前电力系统中应用的配电变压器的监测分析装置存在以下不足［5］:一是数据采集装置与数据分析工作站之间的数据传输存在瓶颈.现有的系统多用有线方式进行连接和数据交换，因而在铺设通讯线路方面投资较大;若用手抄器来转载数据，则要耗费较多的人力物力，而且根本无法实现实时监控.二是数据分析工作站配备的后台信息处理软件多以对话框为主要的操作界面，用户直接面对各种表格和数据.现场运行人员需要经过培训才能熟练使用这些软件，而且操作繁琐，人机交互性极差，容易出错.

本文针对目前同类系统的不足，利用中国移动推出的GPRS通讯网络，设计并实现了基于图形界面和无线通讯方式的配电变压器监测分析系统.该系统可以提高供电部门自动化管理水平和配电网运行的安全可靠性.

1 系统的组成

配电变压器监测分析系统由电量数据采集装置(下位机)、数据分析工作站(上位机)和通讯网络3部分组成.系统结构如图1所示.

图1 系统结构示意

数据采集装置安装在配电台区中的每一台变压器上.该装置负责采集、存储现场变压器的各项电量参数，包括三相有功功率、三相无功功率、三相电压、三相电流、频率、三相功率因数、三相有功电度和无功电度、电流三相谐波和电压三相谐波等数据，并采用串行通信方式，通过有线或者无线通讯网络与上位机进行通信，上传电量数据.

数据分析工作站实质上是一套计算机系统，它也采用串行通信方式，获取下位机上传的数据，并存入数据库中.然后通过后台信息管理系统软件对所采集到的各种信息数据进行统计、分析和图形化处理，为用户提供实时数据显示、历史数据分析、历史曲线绘制、极值记录、电量指标统计、供电可靠率统计、负荷率统计、电压合格率统计、网损分析等功能，并最终形成报表或曲线图，打印输出.该后台信息管理系统软件可在Windows操作系统下运行，并可以安装在手提式PC机上运行，构成便携式变压器监测分析设备.

此外，数据分析工作站还可以向下位机下传数据，实现对数据采集装置的初始化、对时和远程参数修改等管理功能.

2 数据采集装置

该装置的硬件系统主要以16位单片机MC80C196为控制核心，包括高精度PT和CT电量变换，高速12位A/D模数转换，EPROM，大容量1兆字节FLASH MEMORY，键盘显示，百年日历时钟，RS232，RS485串行接口，电源等.装置的硬件原理图如图2所示.

图2 数据采集装置原理

被测线路的Ua，Ub，Uc，Ia，Ib，Ic信号按3表 法接入装置，精确地测量出三相四线制线路的各种电量.6路信号经CT和PT变换后按3表法输入到模拟开关上，由CPU控制模拟开关，选通某路输入信号进行采样.采集通道的A/D转换器采用AD公司的分辨率12位的AD774，转换时间为25 μs，转换精度为0.05%，以保证装置测量的准确性.时钟芯片采用DS12887内置电池和晶振，直接挂在CPU的数据总线上，为装置提供记录电量的时刻及其他功能需要.

为记忆保存大量的历史数据，装置采用了两片闪速存储器FLASH-MEMORY AT29C040串行EEPROM，共1M字节的记录存储空间，可整点记录各电参数11个月.CPU通过一个周期内的32点分频采样，将时域内采集的电压、电流信号通过富氏算法直接算出其获得的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数及电网工频等数据.

3 信息管理系统软件

信息管理系统软件包括用户登录模块、数据监测分析模块、系统维护模块和数据记录显示模块4部分.

其中以图形界面(配电台区接线图)作为前台，通过开放式数据库连接(Open DataBase Connectivity，ODBC)接口访问后台数据库.后台数据库为整个软件提供数据支持.全系统按模块挂接方式实现对各功能的连接.

整套软件以配电台区的接线图为主要操作界面，可以改善信息管理系统的人机交互性.用户通过图形化操作界面可以直观地了解配电台区的电网结构，通过点击鼠标可直接从图中选择要分析的配电变压器.该软件目前已经投入实际应用.

由于软件系统是利用可视化编程语言Visual C++6.0来实现的，并且基于 Windows操作系统，符合现场运行人员的日常使用习惯，具有操作简单方便、易学易用的特点，因而受到了现场运行人员的欢迎.

3.1 用户登录模块

用户在该模块中输入用户名和口令.只有输入注册过的有效用户名和口令，并依据用户权限才能启动相应的功能模块.

全系统设置系统管理员和一般用户2级密码管理.系统管理员可为一般用户开户并分配初始密码;一般用户可以应用数据显示模块和数据分析模块，但无权使用系统维护模块.系统维护模块只对系统管理员开放.

3.2 数据监测分析模块

本模块的操作界面为配电台区接线图，用户可通过鼠标点击直接从接线图中选择配电变压器.本模块主要包括实时数据显示、历史数据显示分析和综合分析3大功能.

(1)实时数据显示 可以从数据采集装置中读取并实时显示三相有功功率、三相无功功率、三相电压、三相电流和频率、三相功率因数、三相有功电度和无功电度，以及不平衡度、负荷率等数据.根据用户需要，还可以绘制实时数据曲线.

(2)历史数据显示分析 根据用户选择，可以从数据采集装置中读取并显示某一时间段内或者某两个数据记录序号之间的所有历史记录.通过ODBC接口连接后台数据库，将历史记录存入相应的数据库.可以按照日、月、年，以及峰值、谷值、均值分别统计和处理历史数据，并根据统计结果显示、打印电能质量数据的曲线图和报表.

(3)综合分析 根据后台数据库中的数据记录，计算、分析用户指定时间段内的多项电气参数指标，包括电度总计、电压极值记录、电流极值记录、停电记录、电压合格率、负荷率、供电可靠率和线损率，最终形成综合分析报表，打印输出.

3.3 数据记录显示模块

本模块通过ODBC接口访问后台数据库，用户可以直接应用本模块查看后台数据库中的所有数据记录，不必进入相应的数据库操作环境.

3.4 系统维护模块

该模块提供一个绘图工具箱，系统管理员可以从中选择所需的设备图元，包括变压器、断路器、隔离开关、母线等，并提供图元的剪切、拷贝，复制、移动和全图缩放等功能.在绘图过程中，还可以通过鼠标点击图元，输入设备参数.此外，系统管理员还可以向数据采集装置发送指令，修正下位机的参数，完成设备的对时和初始化.

4 通讯的实现

本系统采用GPRS网络来实现数据采集装置与数据分析工作站之间的数据传输和指令发送.整个数据传输过程分为3个步骤［6，7］.

(1)数据采集装置通过标准RS232接口与GPRS Modem连接，GPRS Modem通过PPP拨号方式与基站建立连接，通过身份验证，获得IP地址，并接入Internet.

(2)数据分析工作站被接入互联网，通过Socket通讯与GPRS Modem建立TCP或UDP连接.

(3)GPRS Modem从串口获得数据采集装置的数据，以UDP或TCP包形式，通过GPRS服务节点(GSN)，将数据传输到Internet上，并且寻找在Internet上的一个指定的中心服务器.中心服务器通过数据接收软件接收数据，然后由指定的数据处理服务器通过数据处理软件进行数据解密、解压，将数据还原成原始数据，再将数据发送至数据分析工作站.也可以实现数据、指令的反向传输.

5 应用实例

本系统目前已在东北某地区电网投入实际运行，对该地区6条10 kV线路所连接的60多台配电变压器已实现实时数据监测，监测数据自动存入数据库中以备查询分析.对某配变一年内的日最大负荷数据进行统计，绘制出的相关数据曲线如图3所示.

根据实时监测数据分析各配变母线电压水平情况，自动生成相关的电压统计报表见图4，并根据用户的需要以Excel或者Html的形式存储报表，这样可以大大提高生产计划部门的工作效率，降低运行人员工作强度.

图3 某配变日最大负荷数据曲线

图4 各配变出线电压水平报表

6 结语

本文所给出的基于图形界面和无线通讯方式的配电变压器监测分析系统，其监测内容和分析功能可以满足配电台区实际的应用要求.

该系统中的数据采集装置已经实现了遥信、遥测和遥控功能.如果在无线传输的安全可靠性方面作进一步的研究开发，完全可以将该装置发展成为利用GPRS网络的无线RTU设备.与传统RTU设备相比，由于采用无线通讯方式和已有的通讯网络，不但可以节省投资，而且运行方式更加灵活可靠.因此，该装置无论是在新的配电系统建设还是旧系统改造中都将有广阔的应用前景.

［1］肖湘宁，徐永海.电能质量问题剖析［J］.电网技术，2001，25(3):66-69.

［2］ASOUDA A M，SALAMA M M A，SULTAN M R.Automated recognition system for classifying and quantifying the electric power quality［C］//Proceeding of the IEEE ICHQP VIII，Athens，Greece，1998:105-112.

［3］BOLLEN M H J.Understanding power quality problems，voltage sags and interruptions［M］.IEEE PRESS，2000:81-85.

［4］林海雪.现代电能质量的基本问题［J］.电网技术，2001，25(10):5-12.

［5］李国庆，王振浩，李宏仲，等.基于图形界面的配电台区电能质量监测分析系统的设计与实现［J］.继电器，2004，32(2):49-52.

［6］姜开山，胡波，马立元，等.GPRS远程抄表系统应用实践［M］.北京:中国电力出版社，2007:31-36.

［7］李惠宇，罗小莉，于盛林.一种基于GPRS的配电自动化系统方案［J］.电力系统自动化，2003，27(24):63-65.