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

0 引言

在我國偏遠地區(qū)，進入原生態(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，嚴重超出報裝容量，超出配網(wǎng)建設預期估算。每當旅游高峰期都會造成嚴重超負荷運行，導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)結構為主，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)火災的隱患[1-3]。

當前，低壓配網(wǎng)缺少對低壓用戶安全保障和負荷分配遙控調(diào)節(jié)的有效手段，無法從源頭上遏制用戶用電不當發(fā)生的災害。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雜，低壓配電設備數(shù)量和種類較多，采集設備相關溫度和負荷的數(shù)據(jù)量較大，無法及時分析處理火災隱患[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)的開關狀態(tài)、電力參數(shù)、關鍵點問題進行分析和處理。該系統(tǒng)可以較好的適應旅游景區(qū)低壓配電設備復雜的特點，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行預警。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 地理信息系統(tǒng)

地理信息系統(tǒng)是通過計算機圖形技術和數(shù)據(jù)庫技術來獲取、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參數(shù)結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/服務器)結構的系統(tǒng)構架，通過空間數(shù)據(jù)庫SQL Server存儲各類相關信息數(shù)據(jù)，可以對空間數(shù)據(jù)進行瀏覽、編輯、查詢、輸出、建模和分析，該系統(tǒng)中地理信息系統(tǒng)功能邏輯關系圖如圖1所示[9]。

圖1 地理信息系統(tǒng)功能邏輯關系

在低壓配電用戶的應用中，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致采集的數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差，需要對數(shù)據(jù)進行修改。在低壓配電用戶的地理信息系統(tǒng)中設置圖形編輯功能，可以直接在界面上對各類電氣數(shù)據(jù)、地理數(shù)據(jù)及其他相關空間數(shù)據(jù)進行修改編輯。

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

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、配電設備復雜、相關數(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)的基礎上構建低壓配電網(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)的基礎上設計的低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)一般具有以下功能：(1)可以及時采集用戶側(cè)的信息及相應的變化情況；(2)可以根據(jù)低壓配電網(wǎng)臺區(qū)拓撲圖，對低壓配電設備及線路的性能和運行情況進行管理、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)開關狀態(tài)。該系統(tǒng)目標為實現(xiàn)電氣量、開關量及溫度數(shù)據(jù)的可視化、智能化采集和遠動控制，并最終可以解決以下問題：

1)解決低壓表區(qū)開關狀態(tài)無法遠程監(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)生火災或超溫引起的事故。

本文設計的系統(tǒng)主要基于結構化和模塊化的原則，可以實現(xiàn)多任務系統(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、關鍵參數(shù)與觸發(fā)值設定、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日環(huán)境溫度，從而決定是否發(fā)出報警。

2.2 保護控制器設計

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)故障及火災預警，在重過載時能夠按照預先設定的負荷控制策略進行人工或自動負荷控制，即使消除火災隱患。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)中對智能斷路器進行控制。

本文設計的保護控制器結構圖如圖3所示，主要有以下功能特點。

圖3 保護控制器結構

2.2.1 測溫數(shù)據(jù)采集功能

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

2.2.2 保護功能

本文設計的保護控制器對表區(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，預留設置功能，具體報警值可根據(jù)用戶需求設置。保護控制器采用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)高速準確檢測和實時多重保護控制等功能。

2.2.3 電氣量采集功能

本文設計的保護控制器實現(xiàn)表區(qū)總進線電流、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)及開關狀態(tài)通過寬帶載波或4G信號遠傳至臺區(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，遠程控制開關分合閘。

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警系統(tǒng)中。便于后續(xù)在系統(tǒng)中查找故障點位置及進行及時故障處理。

2.3 系統(tǒng)設計

本文設計的低壓配電用戶安全預警系統(tǒng)總體架構如圖4所示，系統(tǒng)通過對表區(qū)進線負荷、溫度監(jiān)測，采集各類運行數(shù)據(jù)，進行綜合分析評估，預防火災等各類事故的發(fā)生，保障用戶用電安全。

圖4 安全預警系統(tǒng)總體架構

在系統(tǒng)中，復合型傳感器將表區(qū)出線溫度、帶電狀態(tài)、電流信息傳入低壓保護控制器；無源無線測溫傳感器通過無線將表區(qū)總開關溫度、電流數(shù)據(jù)傳入低壓保護控制器；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)的低壓保護控制器將數(shù)據(jù)發(fā)送至系統(tǒng)后臺，進行統(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)標志，可進入當前臺區(qū)一次系統(tǒng)圖，一次圖顯示當前臺區(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)的遠程控制功能，系統(tǒng)實現(xiàn)了臺區(qū)與表區(qū)總開關遠程控制功能，通過對總進線開關進行遠程分閘、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)負荷情況，判斷低壓配電用戶是否具有火災隱患并提前發(fā)出預警。

3 實驗結果與分析

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行了實驗，結果如表3所示。

表3 電流值測量對比

測量結果表明，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行了實驗，結果如表4所示。

表4 電壓值測量對比

測量結果表明，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行了實驗，采用高溫電阻絲進行模擬導線加熱，采用紅外測溫儀進行對比測試，結果如表5所示。

表5 溫度值測量對比

測量結果表明，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 動作響應時間測量

當由于溫度過高導致低壓配電系統(tǒng)中設備絕緣受損，出現(xiàn)電壓擊穿導致短路故障時，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，從而降低設備損失和保障人員安全。在本系統(tǒng)中，低壓保護控制器的動作響應時間主要包括：系統(tǒng)判斷發(fā)生短路故障至發(fā)出指令的時間、斷路器機械部分動作時間和電弧熄滅的時間。本文設計系統(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控制器的動作響應時間，本文進行了瞬動實驗，施加瞬動整定電流值為線路額定電流的2倍，結果如表6所示。

表6 瞬動實驗結果

實驗結果表明，當發(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)動作響應時間要求。

3.2 實際測試

本文設計的采集系統(tǒng)在試運行期間對某旅游景區(qū)中某表區(qū)的表區(qū)總開關電流和總進線開關進線側(cè)溫度(A相)進行監(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，當游客回到住宿地點進行洗浴、吃飯和娛樂等活動時，所需電力負荷增加，表區(qū)總開關電流和總進線開關進線側(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。當電流和溫度高于系統(tǒng)中預先設定值時，系統(tǒng)會發(fā)生報警，并控制低壓保護控制器進行遠程開斷操作。

圖6 表區(qū)總開關電流和中性線溫度變化

4 總結

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警系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對各低壓配電用戶電氣量、開關量及溫度數(shù)據(jù)進行實時采集，并將用戶的地理位置和對應數(shù)據(jù)顯示在系統(tǒng)中。通過對數(shù)據(jù)進行分析，判斷各低壓配電用戶是否具有火災隱患，并及時發(fā)出報警。此外，該系統(tǒng)可以遠程控制保護控制器中的智能開關，進行遠程分閘操作，排除火災隱患。