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基于GPRS的县级配电网自动化系统研究
摘要: 城乡配电网的自动化系统建设一直是电力系统着力解决的难点问题之一， 文章对配电网自动化系统的设计进行了探讨， 采用了GPRS 通信方式设计了县级配电网自动化系统， 给出了完整的系统层次架构和组网方式， 并对配电网自动化实施过程中的具体问题进行了分析， 便于进一步提高GPRS 通信方式在配电网自动化系统中的应用。
随着电力市场的迅速发展， 用户对用电提出了更高的要求。而供电的可靠性和电能质量是电力系统两大考核指标。配网系统自动化是利用现代电子技术、通信技术、计算机技术及网络技术， 将配电网在线数据和离线数据、配电网数据和用户数据、电网结构和地理图形进行信息集成， 构成完整的自动化系统， 实现配电系统正常运行及事故情况的监测、保护、控制、用电和配电管理的现代化。实施配电系统自动化的目的是提高供电可靠性、提高供电质量、提高服务质量、提高企业的经济效益和提高管理水平， 使供电企业和用户双方受益。本论文将主要针对县级配电网自动化系统的实施， 采用GPRS 技术实现配电网的自动化系统设计， 以此和同行分享。
1 基于GPRS的配电网自动化系统设计
1. 1 系统层次架构
配电网自动化系统易采用分层分布式， 一般情况为: 配电主站层、配电终端层， 如果有开闭所供电， 可以在主站和终端之间设置配电子站用于数据转发。采用这种分层结构， 有效减轻了配电主站的负荷， 提高了系统效率， 使我们可以合理构筑系统的通讯拓扑结构， 从而节省通讯资源并提高利用率。图1 为本系统的层次示意图。
图1 配电网自动化系统层次架构示意图
1. 2 系统组网方式
本系统的通信网络是GPRS 网络和Inter net 网络， 这样监控中心与远端监控装置FTU 上GPRS 模块之间的数据传输有两种方式。一种是监控中心通过移动公司专线有线方式或是GPRS Modem 无线方式接入GPRS 网络， 实现监控中心与远端监控装置FTU之间的GPRS 网内数据传输; 另一种是由监控中心通过固定IP 或者动态IP 的方式接入Internet 网络， 由于中国移动GPRS 网络通过CMNet 网关与Inter net网络互连， 这样远端监控装置FT U 上GPRS 模块也可以接入Internet 网络， 实现双方之间的数据通信。
本系统采用的是监控中心以固定IP 地址接入Internet 网的方式， 每次通信的建立是远程GPRS 数据终端接入基站， 连至GPRS 网络， 由GGSN 网关汇集，经过移动公司内部防火墙、路由器和Internet 网向固定的IP 地址发起连接， 也就是说远程GPRS 数据终端每次按固定IP 地址登陆监控中心与之建立通信， 实现数据的传输， 系统的组网方案如图2 所示。GPRS 网络与互联网络是互相连接的， FT U 终端与监控中心的数据传输是一种透明传输， 数据传输之间的底层协议被屏蔽了。一旦数据终端与监控中心连接上， 就 永远在线!， 采用的是GPRS 网络与互联网的一种虚拟连接的技术， 这样只有当双方之间有数据传输时按流量收费， 经济实惠。
图2 配电网自动化系统组网结构示意图
2 基于GPRS 的配电网自动化系统实现的具体问题分析
2. 1 GPRS通信协议分析
当FT U 上的GPRS 模块上电之后， 即通过移动公司的网络连接到了互连网上， 可以将其看作互连网上的一个客户端， 当服务器端的IP 地址及端*确定之后， 该FTU 终端即可连接上服务器。而在互连网上端到端的连接采用So cket 套接字通信是比较成熟的方式。
So cket 实质上提供了进程通信的端点。进程通信之前， 双方首先必须各自创建一个端点， 否则是没有办法建立联系并相互通信的。正如打电话之前， 双方必须各自拥有一台电话机一样。在网间网内部， 每一个Socket 用一个半相关描述: 一个完整的Socket 有一个本地唯一的Socket 号， 由操作系统分配。最重要的是， Socket 是面向客户/ 服务器模型而设计的， 针对客户和服务器程序提供不同的So cket 系统调用。客户随机申请一个Socket ， 系统为之分配一个Socket号; 服务器拥有全局公认的So cket ， 任何客户都可以向它发出连接请求和信息请求。Socket 利用客户/ 服务器模式巧妙地解决了进程之间建立通信连接的问题， 服务器So cket 半相关为全局所公认就非常重要。
在配电网自动化系统的GPRS 通信中， 应用程序的网络通信归根结底是利用相同的通信协议来完成信息的传输。应用程序和Winso ck 都工作在Window s的用户模式下， 操作系统仅仅通过Winsock 是不能完成网络间的通信， 还需要底层的支持， 而套接字仿真器( 套接字核心模式驱动程序) 和传输驱动程序接口是负责操作系统核心态环境下的网络通信， 起到了Winsock 和传输协议之间的通信桥梁作用。由于我们传输的对象多为配电系统的数据量文件， 因此需要对系统的发送缓冲区和接收缓冲区作相应的设定， 以保障大数据量的文件数据的发送和接收， 从而实现在窄带环境下依然实现配电网自动化系统的相关数据的GPRS 传输通信。
2. 2 配电网自动化系统的实施
( 1) 架空线路
馈线采用两个负荷开关三分段一个联络开关的方式连接， 使两个电源点成为手拉手环网供电方式， 一般采用两两联络， 特殊重要用户( 市府、电视台、医院) 采用三联络或四联络， 但只为两路自动， 一路可以遥控分合闸。从而既保证每一馈线的每个分段都能从不同变电站取得电源， 又使网架和运行方式简单安全。
每条馈线的分段数量一般控制在三个分段， 平均1. 5~ 1. 8 km/ 段， 对于负荷密集地区， 按负荷分段， 每段带负荷< 2 500 kv a; 对于轻负荷地区， 按照用户数分段， 每段高压用户小于10 个用户。
分支线路通过负荷开关接入主线路， 在分支线路发生永久性故障时， 通过故障定位， 打开负荷开关隔离故障分支线， 同时恢复主线路供电。10 kV 架空主干线采用185 导线， 分支线采用95 导线。
( 2) 电缆环网
主环路通过环网柜分段， 利用出线负荷开关连接分支环路， 用户通过电缆分支箱接入分支环路; 每条分支环路连接相邻的主环路。主环网两端连接不同的变电站。所有环路开环运行。当环路的任何一段发生永久性故障时， 通过故障定位， 断开故障两端的开关或电缆插头， 隔离故障， 同时使故障处于环路断开点。主环网或分支环网的任何一段电缆故障都不会影响供电。
每台环网开关柜的再分配负荷容量< 5 000 kVA。10kV 主干线采用240 及以上铜芯电缆， 分支线采用120及以上铜芯电缆。
( 3) 开关设备
架空线路分段选用真空负荷开关。在线路出现短路故障时， 由变电站的断路器执行保护动作。柱上开关由配电自动化控制系统控制执行故障隔离和负荷转移以及接地故障隔离操作。电缆环网柜的进出线开关与柱上负荷开关实现同样的功能， 选用全密封绝缘灭弧气体隔离的FS6 负荷开关装置。
3 结 语
配电自动化发展至今， 仍未能够大规模的开展， 主要原因在于: 一方面由于工程投资过大和对实施效率的疑虑; 另一方面是因为相关的配套改革措施如电价改革等措施滞后。本论文对基于GPRS 技术的配电网自动化系统的实施进行了设计和分析， 是对配电网自动化实施的一次有益尝试。随着电力市场化改革的深入， 只有通过配电自动化提高配电网的可靠性和加强配电管理工作， 才能使供电公司和用户双方收益。因此， 配电自动化的实施是必然趋势。