配电网柱上开关通用型智能操控系统设计

鲍都都 刘向东 鲍干都 韩璐 卫宁

摘 要：本文针对配电网柱上开关遥控器在运行过程中存在的种类多、携带不便、易丢失等问题，研究了适用于配电网柱上开关遥控实现的无线通信技术，提出了一种通用型的智能遥控器，可实现不同厂家、不同频段、不同功能按钮的遥控器归一化，通过用户身份认证、开关操作编号认证等双重措施提高操作安全性，本文研究成果提高了配电网开关设备操作效率，提升了配电网智能化运行管理水平。

关键词：配电网；柱上开关；无线射频；遥控；可变频晶振；FSK；ASK

中图分类号：TM774 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）17-0179-02

配电网作为电力系统“发输变配用”环节的重要节点，与用户端联系紧密，近年来随着特高压交直流输电工程、各电压等级智能变电站工程的陆续建设和运行，标志着坚强智能电网网架（俗称：主网）建设基本完成。现阶段能源及环保战略背景下的新能源发电、储能、电动汽车、清洁能源消纳的电能替代、综合能源服务、输-配-售逐步分离的电力市场化改革、满足人民群众对更加美好电能服务（质量、可靠性、主动及快速响应）的需求等，这些业务场景大多位于电力系统的配用电环节，和中低压配网息息相关，电力系统投资和技术研究、设备研发重心将下移，中低压配电网是新时期电网投资建设的热点。柱上开关作为10kV中压配电网的主要一次设备，用于架空线路主干线及分支线的开断及联络控制，部分柱上开关配置有对应的二次保护控制设备FTU（馈线终端单元），同时考虑到柱上开关安装于户外电线杆高处，配电网日常的分合闸操作非常不方便，因此柱上开关的FTU一般都配置有遥控器，操作人员手持遥控器在柱上开关附近进行分合闸操作，每个柱上开关配置独享的遥控器。

笔者在实际的运行过程中发现，配电网设备种类繁多、参差不齐，柱上开关设备也不例外，其遥控器型号多种多样，遥控操作模式千差万别。现场运维人员每次都需要携带一大堆的遥控器，记忆各类遥控器的操作模式，携带操作极其不便，操作人员稍有不慎极易出现遥控器遗失、拿错、误遥控的现象。同时，柱上开关的遥控操作不受控，基本没有采取强制性闭锁措施，极易发生误操作事故。因此急需开发一套柱上开关非接触式的，安全系数高的无线遥控装置，可方便的进行远距离的分合闸操作，从而提高安装和维护柱上开关的安全可靠性和工作效率。

本文将对柱上开关遥控器所采用的几种无线通信技术进行研究，选择合适的通信方式，设计和开发基于工业平板电脑的柱上开关便携式智能操控系统。

1 同类研究基础

上海市电力公司的吴爱军等研究了一种结合无线通信技术的智能化柱上开关控制器方案，通过无线通信方式对柱上开关进行实时监测和控制，实现了对柱上开关的非接触式操作，简化了现场维护工作，降低了操作安全隐患[1]；贵州电网公司六盘水供电局的梁戟等阐述了柱上开关智能遥器的硬件设计、系统设计及软件实现过程，实现了将型号不一的遥控器合二为一，通过遥控器自学习，以适应各种类型的遥控操作，解决了遥控器携带不便与操作复杂的问题，经现场调试验证，该智能遥控器的开发是可行的[2]；上海市电力公司的陈华霖等分析了智能化柱上开关控制系统的技术背景和特点，提出了一种基于短距离无线技术的非接触式操作掌机，用于对智能化柱上开关控制器进行参数整定、现场维护及日常巡线工作[3]。

2 无线遥控技术方案选择

无线遥控技术紛繁复杂，并非每种技术都适应于柱上开关，目前，在无线领域较受关注的技术主要有：红外通信技术，蓝牙，ZigBee，GPRS通用分组无线服务技术，频移键控技术（FSK）等。

针对现场操作的安全性而言，需要选择一种适合于柱上开关手持终端的无线通信方式。

由于红外通信技术存在通信距离短、没有移动性、传输有方向、速率较低等因素，因此不宜采用。蓝牙技术受制于传输距离较短、功耗相对较高（100瓦左右）等问题，也不合适选用。Wi-Fi发射功率大（超过1瓦），成本高，主要用于民用，故不宜采用。GPRS用于远程传输，功耗较大，适用于终端设备与数据中心主站应用，故不宜采用。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用，适用于物联网组网应用，不适合配电网柱上开关复杂电磁干扰环境下应用；只有基于FSK和ASK技术的射频技术，不进功耗低，通信距离较远，抗干扰能力强，穿透力强，在电网现场通信方面具有特有的优势，故选择基于FSK方式的433MHz/ 315MHz双频小无线通信作为传输手段，考虑到现场的实际应用中，除了433MHz及315MHz这两个典型频段中心频率外，还有部分采用边频的遥控器，如418MHz频段遥控器，因此需要设计具有可变频率特性的晶振模块。

3 系统方案设计

本文将设计一套配电柱上智能开关通用型操作综合管理系统，实现：（1）对配电网络的柱上开关的操作实现一对多的综合操作。（2）实现一台设备对所有的柱上智能开关管理。（3）基于FSK方式实现多频收发的配电柱上智能开关操作综合管理系统专用硬件以及相应的操作系统。该方案设计实现主要涉及便携式工业级移动作业终端、柱上开关的控制及通信、掌上终端APP软件开发等技术。

本文设计方案如图1所示，包括便携式作业终端、智能操控软件两部分构成。便携式作业终端又主要由主控核心板、WI-FI模块、GPS/北斗双星接收模块、GIS信息存储模块、频率可变晶振模块、射频接收模块、射频发射模块、遥控器信息编码自学习模块、定位分析及导航模块构成。前述系统与外部的配电工区操作票管理系统、GPS/北斗系统、柱上开关、遥控器一起协同完成本方案设计功能。

便携式作业终端模块用于配电柱上开关操作人员随身携带，具备直观友好交互手段，与配电操作票管理系统及现场柱上开关交互；智能操控软件模块用于提供给操作人员图形化人机界面，智能分析及操作任务记录存储；主控核心板模块用于提供核心计算能力及软硬件基础接口，实智能操作软件的运行载体，其它外围模块的接口平台； WI-FI模块用于提供wifi接入功能，访问配电操作票管理系统；GPS/北斗双星接收模块用于接收GPS信号和北斗信号，具有双星接入自适应功能；GIS信息存储器模块用于存储柱上开关的地理位置信息；频率可变晶振模块用于提供频率可依据柱上开关射频接收器相同频率的晶振频率；射频接收模块用于接收射频信息；射频发射模块用于发射射频信息；自学习模块用于记录不同遥控器的地址信息和功能码信息；定位及导航模块用于根据GPS/北斗信息，结合配电开关的GIS信息，提供定位分析和导航服务。

本文提供了一种能满足现场不同类型的配电柱上开关遥控操作的通用标准化操作方案，通过便携作业终端探测和采集各种不同遥控器的频段和功能码、地址码信息，借助辅助地理位置定位信息进行导航，以及身份认证、操作码认证等多种防误措施，攻克不同频段射频信息发射问题，实现不同类型柱上开关的归一化遥控操作。其具体步骤如下：

（1）第一阶段（建库及初始化）：1）汇集配电工区内全部柱上开关原有遥控器，通过便携式作业终端探测和采集其频段、射频遥控编码信息，存入智能操控软件数据库；2）从配电营销系统获取配电工区内全部柱上开关的GIS（地理位置信息），并存入GIS信息存储器，供智能操控软件调用访问。

（2）第二阶段（日常操作）：1）配电工区柱上开关操作人员手持便携式作业终端，经过身份认证后，通过WIFI方式访问配电工区操作票管理系统，获取该操作员当日需要执行的操作任务列表；2）配电工区柱上开关操作人员手持便携式作业终端准备外出现场作业，智能操控软件根据待操作的柱上开关信息，访问GIS信息存储器，依靠便携式作业终端内置的GPS/北斗接收模块，经定位分析后，给操作人员提供路线导航服务，到达作业现场；3）作业人员点击智能操控软件GIS界面上待操作柱上开关的操作按钮，经过二次身份认证后，进入柱上开关仿真操作界面，输入开关编号，经软件系统确认无误后，准备执行遥控操作；4）智能操控软件系统根据待操作开关的频段信息和射频地址码与功能码编码，首先发送频段信息给可变频率晶振模块，产生特定频率的晶振输出，如315M赫兹，该晶振频率提供给射频发射模塊，同时将地址码和功能码信息发送给射频发射模块，柱上开关的射频接收器收到指令后执行分闸/合闸操作，完成一次柱上开关操作的全部过程；5）智能操控软件依照操作任务列表，依次进行其它柱上开关的操作；6）全部操作完成后，智能操控软件将此次操作票任务的执行情况信息，如操作人、操作开始时间、操作地点、操作结束时间、操作结果等记录存储到便携式作业终端本地数据库；7）全部操作任务完成回到配电工区后，前一步骤的操作信息上传配电操作票管理系统，完成操作任务的闭环。

整个流程步骤可用流程图如图2所示。

4 结语

基于前述的设计方案开发了相关的软硬件模块，在工业平板电脑上开发了android应用程序，具备与射频收发模块、wifi模块、配电网GIS系统、配电网操作票管理系统的接口，实现了配电工区内全部柱上开关的安全智能操作，解决了原来存在的遥控器多样化、携带及管理不便、无安全认证保障、不可查询及回溯历史操作纪录等问题，提高了配电网开关设备操作效率，提升了配电网智能化运行管理水平。

参考文献

[1]吴爱军，陈海昆，陈华霖.智能化柱上开关控制器研究与设计[J].华东电力，2013，41（4）：0887-0890.

[2]梁戟，等.柱上开关智能遥控器的设计与实现[J].电力设备，2016，2.

[3]陈华霖，等.掌机终端与柱上开关控制装置整合的应用[J].电力与能源，2012，1（33）：17-20.