技术︱低压电网漏电流综合监控系统的设计
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福州大学电气工程与自动化学院、国网福建泉州市供电有限公司的研究人员黄志鹏、邱丽卿等，在2015年第11期《电气技术》杂志上撰文指出，低压电网漏电流综合监控系统包含智能漏保断路器、数据集中器和监控主站。智能漏保断路器采集线路负荷及漏电流，记录故障信息，并通过ZigBee网络将数据传至数据集中器。数据集中器将所有的智能漏保断路器的数据汇总后，由GPRS网络上传至监控主站。
监控主站运用故障定位算法定位故障区段，发出遥控断路器分合闸命令实现故障区段的隔离和非故障线路的恢复供电。所设计的系统提高了供电可靠性，具有良好的经济效益。
我国对低压电网的运行一直没有进行有效的监控，线路发生故障后开关直接跳闸，无法记录故障发生的时间和原因。为防止过负荷及漏电流事故发生，常在0.4kV电缆路的配电变压器出线侧及用户侧装设带漏电保护的断路器，却忽略了支干线路的故障同样也会引起整条线路的停电。同时因为保护器质量参差不齐，安装后没有进行定期维护等原因，该种方式无法起到有效的保护作用[1-2]。
针对此问题本文提出在原有的保护体系中增加分支开关，形成完善的三级保护，并将传统的漏电流保护器换成通信型漏保断路器（即智能漏保断路器），通过GPRS和ZigBee无线网络对线路负荷及漏电流进行远程监测，快速定位故障区段，通过远程操控断路器的分合闸进行故障分支的隔离和非故障区段的恢复供电，提高供电可靠性。
1 系统方案设计
如图1所示，系统主要由智能漏保断路器、数据集中器和监控主站组成。有别于传统断路器，智能漏保断路器不仅可以分断负荷，还可监测线路的负荷及漏电流信息，同时能够通过ZigBee通信接口实现与数据集中器通信。
ZigBee无线传感器网络具有传输距离远、低功耗和可靠性强等优点，每个网络节点数最多可达65000个[3]。数据集中器将所有断路器的数据综合处理后，通过GPRS网络上传至监控主站。
监控主站可直观显示负荷及漏电流信息，识别故障区段，根据需要对数据集中器和智能漏保断路器进行控制。
图1 系统结构图
2 智能漏保断路器
智能漏保断路器分为单相和三相两类。单相型动作值一般有两个档位：40mA和100mA，额定分断时间≤0.2s，适用于中性点直接接地的220V单相供电线路。三相型漏电流动作值一般有三个档位：300mA、600mA和1000mA，额定分断时间≤0.5s，适用于三相四线中性点直接接地的低压电网。
智能漏保断路器支持远程参数设置，包括漏电流动作值、过流整定值、过压整定值及动作时间等。控制方式可设置为自动或手动两种方式：自动方式下断路器根据整定值和整定时间配合，自动跳闸；手动方式下不会自动跳闸，在线路越限运行时生成SOE告警事件并上传至监控主站，由操作人员判断是否动作。
3 数据集中器
数据集中器是智能漏保断路器和监控主站连接的枢纽，负责通信规约转换。其中与断路器通信的规约为《剩余电流动作保护器通信规约》，与监控主站通信的规约采用自定义的主站规约。
在硬件设计上以Digi公司的RCM6710模块作为CPU，该模块具有多通信接口、工作频率高、数据处理能力强等优点，符合本系统的设计要求。
在接口方面，通过一路的UART接口与ZigBee模块连接，实现ZigBee通信功能；另一路UART接口与中兴的ME3000V2模块连接，实现GPRS通信功能，支持移动/联通2G网络[4]。
考虑到通信节点较多，功能复杂，采用能同时处理多任务的uC/OS-II操作系统进行数据集中器的程序开发。
4 监控主站设计
监控主站由通信服务器、数据库及应用程序组成，这三个程序既可以安装于同一台电脑上，也可安装在不同的电脑上，相互之间通过Socket或LabSQL工具包进行连接，如图2所示。监控主站的通信服务器和应用程序采用LabVIEW进行编程开发。
图2 监控主站框架图
4.1 通信服务器设计
本系统通信采用客户端和服务器(Client/Server)的结构，借助LabVIEW围绕TCP/IP网络协议构建服务器和客户端之间一对多的通信方式[5]。通信服务器在通信结构中扮演服务器角色，应用程序和数据集中器均为客户端。客户端通过配置服务器的IP地址及端口号连接至服务器，实现数据交互。
1）主站规约设计
监控主站与数据集中器的通信规约的帧格式如表1所示，链路层传输顺序遵循低位在前，高位在后；低字节在前，高字节在后的原则。
其中，数据长度L为除起始字符、数据长度、校验和和结束字符外的所有数据的字节数；地址域为数据集中器地址，如0001H表示第一台集中器；控制码表示控制功能，部分控制码如表2；数据单元(DATA)为传输的数据；校验和CS为数据长度开始到校验和之前所有字节的累加和，不计进位位。
表1 通信规约帧格式
表2 主站规约部分控制码
2）程序实现
LabVIEW提供了完备的TCP函数节点，主要使用了创建TCP侦听、读取TCP数据、写入TCP数据和关闭TCP连接等函数[6]。通信实现过程如下：
（1）使用“创建TCP侦听器”对指定的IP及端口进行侦听。当侦听到有客户端接入，立即产生一个链路，即连接ID；
（2）将侦听到的客户端ID通过队列方式按顺序添加进指定的链路数组，等待通信校验；
（3）利用“读取TCP数据”和“写入TCP数据”函数读写链路数组中的数据判断通信连接是否正常。通过循环检查，连接正常的客户端ID最终进入已连接的TCP数组，连接错误的ID通过“关闭TCP连接”进行删除。原理如图3所示。
图3 通信连接图
通信服务器工作流程如图4所示。对于应用程序发送的数据，服务器通过判别指令帧的地址域选择转发的集中器；对于集中器上传的数据，通过判断指令帧的控制码对数据进行分类：若为实时数据，利用“十六进制数字字符串至数值转换”函数将实时数据转换成十进制数值保存在数据库中，供应用程序调用；若为通信测试帧，则回复应答帧，确保通信双方实时在线。
图4 通信服务器工作流程图
4.2 数据库设计
数据库采用SQL Server 2008设计，由实时数据库和历史数据库组成。实时数据库存放实时上传的数据，为生产管理和调度、数据分析、决策支持及远程在线浏览提供实时数据服务和多种数据管理功能[7]。通信服务器每隔一段时间（1小时，可设置）读取实时数据库中的数据，插入到相应的表单中，保存为历史数据。
数据库表单主要有供电公司信息表、管理员信息表、线路信息表、断路器信息表。部分表格间的E-R关系图如图5所示。
图5 E-R关系图
本文利用LabVIEW的工具包LabSQL进行数据库的访问。在访问数据库前，需要在Windows操作系统的ODBC数据源创建一个数据源名（英文缩写为DSN），LabSQL与数据库的连接就是建立在DSN基础上[8]。本系统创建的DSN为：负荷及漏电流综合监控系统数据源。
4.3 应用程序
应用程序集成实时监测和在线控制功能，是监控主站的核心。主要功能包括系统管理、参数配置、实时监测、历史数据及系统帮助等，结构如图6所示。
图6 应用程序主要功能
1）系统管理
包括用户管理、线路管理及用户登录退出。用户分为普通用户和系统管理员：普通用户可进行数据查看，参数设置，断路器分合闸等操作；系统管理员权限较高，除了上述基础操作外，还可进行用户管理、断路器分配及更改线路等操作。
2）参数配置
可远程修改集中器和断路器参数。修改的集中器参数包括：集中器地址，IP和端口号，实时数据上传间隔等；修改的断路器参数包括：断路器编号，手动或自动运行方式切换，动作值及动作时间等。
3）实时监测与故障定位
如图7所示，主界面绘制了低压线路网络拓扑图，包括线路、变压器、断路器等元件，每一个元件与数据库的记录单元一一对应。正常运行的线路区段呈现灰色，停电线路区段呈现黄色，故障线路区段呈现红色。
图7 图形监控界面
采用基于网形结构矩阵的定位算法判别故障区段。判别过程如下[9]：
（1）以断路器作为节点进行编号，构建网形结构矩阵C：若节点i和节点j之间存在一条馈线且该馈线的正方向是由节点i指向节点j，则对应的网形结构矩阵C中的元素Cij=1，而Cji=0。
（2）根据监测到的电流特征构造故障信息矩阵G：若第i节点存在故障电流，则该节点对应的对角元素Gii=1，反之Gii=0。因此，当断路器监测到漏电流越限或过负荷运行，令该节点的Gii=1。
（3）计算故障判别矩阵：。
（4）若P中有元素同时满足下列判定条件，则故障发生在节点i与j之间的区段上，判断条件：①Pii=1；②对所有的Pij=1（i≠j），都有Pjj=0；③末梢情况：若Pii=1，对于所有Pij （i≠j），都有Pij=0。
基于该原则，LabVIEW上的实现方法：遍历矩阵P每行的对角元素，若该元素为1，则索引该行所有为1元素的列号j，判断矩阵P的j行j列元素是否为0，若全部为0则说明故障区段在i-j区段。若需要分闸断路器，应用程序从数据库中获取要控制的断路器编号及分合闸控制码83H，将其转换相应的报文，并采用事件触发方式下发。
4）数据查询与图表分析
如图8所示，利用LabSQL工具包访问数据库步骤如下：
（1）建立连接：在LabVIEW“打开自动化”函数中配置数据库数据源以打开数据库连接，产生链路；
（2）执行操作：将链路连接至ADOSQL Execute.vi，通过写入SQL语句至该vi实现数据的读取、写入、更新、删除等操作；
（3）断开连接。
图8 访问数据库
支持按设备编号及日期查询数据。将SQL语句“select *from 三相断路器历史数据 where 三相断路器编号='03'and 日期='2014/12/24'”写入数据库，即可查询第3号三相智能漏保断路器在该日期的数据，并将结果输出至显示控件。
5 结论
本系统加强了对末端断路器的管理，极大地保障了用户的用电安全。操作人员只需查看监控主站的应用程序，便可获知管辖范围内的线路运行情况，减少运维人员的工作量。在线路异常时远程操控切断故障线路，保障非故障线路正常运行。本系统具有良好的经济效益，目前已在现场运行数月，稳定可靠。
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