偏远山区真空开关状态的远程监控

蒋冰华　杨　雨　梅慧敏　何博雅

(1. 三峡大学 电气与新能源学院， 湖北 宜昌　443002； 2. 国网浙江省电力公司 文成县供电公司，浙江 文成325300；3. 三峡大学 国际文化交流学院， 湖北 宜昌　443002)



偏远山区真空开关状态的远程监控

蒋冰华1杨雨1梅慧敏2何博雅3

(1. 三峡大学 电气与新能源学院， 湖北 宜昌443002； 2. 国网浙江省电力公司 文成县供电公司，浙江 文成325300；3. 三峡大学 国际文化交流学院， 湖北 宜昌443002)

摘要：农村配电网的真空开关运行时容易发生短路故障、单相接地等故障，使得在电力系统运行过程中存在诸多不安全隐患．故此，本文在分析偏远山区真空开关的工作环境和工作特点的基础上，给出一种智能控制器的设计方案和操作流程．该控制器以带有电流互感器的STM32控制芯片为核心，利用GSM网络资源为无线传输方式．通过在原有10 kV线路的真空开关上安装这种控制器，实现对真空开关状态的远程监控，从而达到实时性、可靠性、安全性的目的，进而推动偏远山区农网向智能化发展．

关键词：智能控制器；真空开关；远程监控；农村配电网

农村配电网受其自身线路复杂、设备陈旧及周围环境复杂等因素的影响，智能配电网技术在农村电网中还没有得到很好应用．本文针对当前农网真空开关的现状设计出一种智能装置，该装置采用配有电流传感器的STM32控制器并利用GSM网络技术，实现在特定条件下对偏远山区真空开关状态的远程监控，从而达到缩短抢修时间和提高供电可靠性的目的．

1偏远山区真空开关可靠性分析

1.1工作环境特点

目前，农村配电网普遍存在的现象是：10 kV配电线路分布广泛，供电半径大，分支多，往往一条配电线路上安装多台真空开关，且大多数开关安装在偏远的山里．由于山区夏季雷雨天气较多，冬季有冰雪天气；易受雷击、树木倒伏、鸟害等因素的影响，造成线路上真空开关的频繁跳闸．特别是在台风这样恶劣的天气里，同一时间段内多个故障点开关同时跳闸，就会使抢修矛盾更加突出，大大延长了送电时间，严重影响供电可靠性．表1为国网浙江文成县供电公司10 kV线路上开关动作次数、判定开关动作的时间情况调查．

表1　10 kV线路上开关动作次数、判定开关动作时间情况调查

1.2真空开关的功能

目前在农网10 kV线路上普遍使用ZW8-12型和ZW32型两种真空开关，这两种开关均可开、断线路负荷电流、过载电流及短路电流．同时可以加装避雷器和配装涌流控制器，使其具有躲涌流和过流速断的功能，且其操动机构为弹簧储能操动机构，这些自带的功能为本文在线路原开关上加装智能控制器为实现远程操作提供了可行性．

将线路上A、B相的电流、零序电流、蓄电池电压、主控芯片温度、控制箱内湿度等作为控制器的电气输入参数．当10 kV线路发生短路故障、单相接地等故障时，控制器根据参数的变化对线路上的真空开关进行状态监测诊断，通过GSM网络将电气量值、开合状态发送给智能控制器，控制器向开关发送跳闸、闭锁信号，从而实现远程控制和故障的自动隔离[1]．

2智能控制器的设计方案

为达到高速率、高精度、高稳定的采集和控制的目的，结合成熟的移动通信技术和单片机数据采集技术，实现监控系统的智能化和网络化．本设计以ZW32型真空开关为基础，采用STM32做数据采集处理核心，并用TC35i为GSM通信模块并为其配备一个独立的SIM卡，将ES500电流传感器作为信号发生器，以ZIF为SIM卡和TC35i的接口连接器[2-3]．而且电源与主控芯片、通信模块之间均采用DCDC隔离供电；而各传感器与主控芯片、通信模块均采用光耦或磁耦进行隔离．同时为了适应不同环境设计了3种供电电源(市电、太阳能、压变)．

图1　智能控制器的方案图

2.1硬件系统设计

2.1.1电量采集

由于在ZW32型真空开关上可加装2～3个测量或计量互感器，可为其配上ES500电流传感器和DS18b20温度传感器，用来实现对真空开关状态的检测和控制自动断开断路器．同时为了防止受到雷电、静电等其它外来电压对通讯芯片及主控芯片造成损坏，在控制器中增加了热敏电阻，瞬态抑制双向二极管、光电耦合器等．

2.1.2数据处理

主控制器的处理器单元选用STM32F103C8T6芯片，它是32位基于ARM核心的带64或128K字节闪存的微控制器，内置高速存储器和实时时钟，RTC是一个独立的定时器，该模块拥有一组连续计数的计数器，且支持掉电保护．包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和1个PWM定时器，多达2个I2C接口和SPI接口、3个USART接口、一个USB接口和一个CAN接口．

使用STM32自带的12位的ADC模块采集外部的输入电流信号进行处理，并用自带的USART来与GSM模块进行通信，实现与用户的交互控制[4]．

2.1.3GSM模块

当今社会，手机是人们日常生活沟通必不可少的方式之一，移动通讯基站也已基本覆盖各个地方，且传输特性好．如果采用专门的通信传输线路来对电力设备进行实时监控，则需重新建立大量的光纤通信线路，这不仅仅大大增加了建设成本，而且还使现有设备更加复杂化．本文利用现有移动通讯基站，即GSM网络技术，以RS-485线为通讯线，并在控制器中增加转换芯片用以控制和连接SIM卡，并以短信的方式将信息数据传输到设备组人和相关人员手中(和命令传送到控制器)．

控制器中远程控制部分的通信核心采用西门子公司的TC35I模块，它可以支持双频且使用的是标准的AT指令集．通过给TC35I发送相应的AT指令，使其处于数据、语音、短消息或传真模式．TC35I模块的数据输入、输出接口是一个串行异步收发器，且TC35I模块的短信功能支持TEXT和PDU两种模式．针对SIM卡与TC35I的连接，TC35I使用外接式SIM卡，24-29为SIM卡引脚，SIM卡的CCRST、CCIO、CCCL、CCVC、CCGND通过SIM卡阅读器与TC35I的同名端直接相连即可．利用TC35I与STM32结合控制，用STM32自带的USART向TC35I发送字符，模拟AT指令，以此来操作TC35I，实现一体机与用户之间的通信[5]．

图2　控制器的通信

2.2手机软件系统设计

短信接口采用封装使用AT指令通过串口控制GSM模块，它可以实现发送、接收短信等功能，借助VC++开发短信操作接口令，包括端口号、波特率、奇偶校验标志、数据位、手机终端号码、短信内容等多个类，同时利用Windows API函数进行串口操作，封装为DDL方便集成到短信服务程序中[6]．图3为相关人员接收到的手机短信内容．

图3　手机界面显示

3操作流程

当开关跳闸时，电流传感器将跳闸信号发送到主控芯片，主控芯片监测有无过流传感器的触发信号．如有则向设备主人及相关人员发送过流跳闸短信；若无则发送非过流跳闸短信．

当相关人员向智能控制器发送查询命令时，智能控制器会向相关人员返回：10 kV线路的A相和B相电流、零序电流；蓄电池电压、主控芯片温度、控制箱内湿度；开关的分合闸状态等信息．

设备主人发起操作的命令后，智能控制器接收到指令后并不会马上执行，而是向更高权限的人员发去请求授权的短信，在得到授权后将会执行设备主人发出的命令．否则取消命令，而更高权限人员也不能单独发送操作命令，这样互相钳制和监督保证操作命令的准确，防止误操作．

相关人员所发送的指令须符合约定的标准，如不符合控制器会返回"错误指令，请检查后重新发送"短信．无关人员发送的短信会当成垃圾短信删除．(相关人员是指存在智能控制器里的各级权限人员,只有得有相应的安全认证后，开关才会执行相关动作)．

图4　操作流程图

4实验结果分析

本控制器的原型，针对国网浙江省电力公司文成县供电公司10 kV线路上真空开关状态监控数据见表2．通过对表2、图5中的数据比较，可以得到在开关动作之后能迅速判断出开关的位置，且动作告知平均时间从原来最长的平均时间135 min减少到十几秒，操作完成的平均时间也从原来最长的395 s减少到八十几秒，这大大缩短了判断时间和抢修时间．

表2　改进后真空开关现场试验结果

图5　改造前后开关动作的平均告知时间和操作完成平均时间比较

5结语

在农网10 kV配电线路的真空开关上安装智能控制器，通过手机触屏的方式实现了对开关状态的远程监控，是一种解决单相接地故障可靠便捷的手段，能迅速隔离故障点，缩小停电范围，节约抢修人员的抢修时间，在最大的时间内恢复送电，提高供电可靠性，确保电网安全运行，达到实时性、可靠性、安全性、经济性的目的，同时降低抢修人员在抢修过程中的意外伤害，确保人身安全和电气设备安全，从而推动农村配电网的智能化发展．该装置简单的操作流程，良好的人机界面，为控制器的投入运行提供有力保障．

参考文献：

[1]杨乐新，秦立军．智能配电网开关的设计[J]．华东电力，2010，38(6)：824-825．

[2]李阳辉．基于STM32和GSM的温度远程监控系统设计[J]．自动化与仪器仪表，2015，30(1)：56-59．

[3]吴青，仵博．基于TC35i的GSM报警器的设计与实现[J]．微计算机信息，2009，25(1，2)：306-307，303．

[4]姜日凡．基于STM32单片机和GSM技术的门禁控制系统[J]．大连工业大学学报，2015，34(2)：141-143．

[5]夏骏，王甜．基于STM32和GSM的远程遥控定时开关装置[J]．电子科技，2013，26(1)：112-114，130．

[6]王海波．王海波．一种基于TC35i的短信平台设计[J]．煤炭技术，2011，30(1)：148-150．

[责任编辑张莉]

收稿日期：2015-10-13

基金项目：三峡大学科研启动基金(1113081)

通信作者：蒋冰华(1961-)，男，教授，研究生导师，主要研究主向为控制理论与控制工程．E-mail：13307208556@168.cn

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.02.012

中图分类号：TM764

文献标识码：A

文章编号：1672-948X(2016)02-0051-04

Long-distance Monitor and Control for Status of Vacuum Switch in Remote Areas

Jiang Binghua1Yang Yu1Mei Huimin2He Boya3

(1. College of Electrical Engineering & Renewable Energry, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China; 2. Wencheng Electric Company of State Grid Zhejiang Electric Power Company, Wencheng 325300, China; 3. College of International Communications, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

AbstractThe vacuum switch running in the rural distribution network is likely to occur faults, such as short-current fault, single-phase grounding, etc., which make the operation of power system have a lot of unsafe factors. Therefore, this paper gives a smart controller design and operating procedures based on analyzing the remote areas vacuum switch's working environment and working features. This equipment takes the STM32 control chip with current transformer as the core, and uses the GSM network as the wireless transmission mode. By setting this smart controller for original 10kV lines in remote area, the long-distance monitor and control for the status of switch is achieved. Meanwhile, the purposes of real-time, reliability and security are realized, so as to promote the remote rural grid to intelligent development.

Keywordssmart controller;vacuum switch;remote monitor and control;rural distribution network