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摘 要：针对日益提升的配网自动化需求。本文提出了一种实现自动监测低压配电线路运行情况的便携式配用电信息监测系统方案。该系统由信息主站、集中器、采集器和PDA四个部分组成。其中，信息主站完成数据的分析及人机交互；集中器收集汇总数据采集装置的信息，并反馈至信息主站；采集器实现配电线路运行数据的采集；PDA用于接收信息主站的信息推送，提供便捷的人机交互。本文给出了采集器的设计方案及三种采集器无线通讯单元的配置方案，并分析了四种通讯配置方案的优缺点。
关键词：低压配电自动化；信息监测；监测系统
中图分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）17-0058-02
引 言
随着社会发展，社会对供电可靠性提出更高的需求，要求配电运维人员及时了解辖区内低压配电设备的运行状况。但低压配电设备数以万计，其数量远大于10kV配电设备，无法同10kV配电网一样覆盖采集终端，且多数低压配电设备运行稳定，仅需对部分重、超载设备，重要区域、设备在特定时期进行短期实时监测即可。为此，本文提出一种便携式配用电信息监测系统方案，提供可靠的、即插即用的配用电设备信息监测功能。
1 监测系统的设计思路
依据配电运维人员对低压配电设备运行信息的监测需求，采集低压配电设备的负荷电流、运行环境温湿度、故障信息等，同时具备带电安装、拆除，轻便、即插即用等功能。设计便携式配用电信息监测系统整体结构如图1所示。
为满足配电运维人员掌握低压配电设备实时运行信息的需求，监测系统中各部分之間采用无线通信方式，信息主站与集中器之间因距离较远，选用4G无线网络，集中器与采集器之间因距离较近，通讯频繁，采用短距离通讯方式；各集中器、采集器做到轻便、自组网、简易安装；为保证配电运维人员实时掌握低压配电设备运行信息，增加个人数字助理（Personal Digital Assistant，PDA），向运维人员展示设备运行状态，其数据由信息主站通过4G无线网络提供。
2 监测系统的组成及功能
图1中的监测系统由一个信息主站、集中器、采集器和PDA四个部分构成。
信息主站作为监测系统核心部分，提供采集数据的存储、计算分析、界面展示等功能，并将数据信息通知至PDA。其主站软件层可分为通信层、数据库层和应用层三层。应用层采用面向对象的软件设计，包括数据处理模块、故障报警模块等；数据库层采用SQL数据库设计；通信层实现与集中器和PDA的数据通信。
集中器作为采集器与信息主站之间数据信息的传输桥梁，在通信上，采集器与信息主站之间是相互透明的。集中器与信息主站之间因其距离远、通讯数据量大、时效性高，适宜采用高速4G无线网络通信；与采集器之间，因每个集中器需负责收集若干个采集器的数据，且相互之间距离较近，使用短距离无线通讯方式即可满足其功能需求。集中器在收到采集器的数据信息后，定时打包上传至信息主站，若收到采集器上送的异常信息，则立即上传至信息主站。
采集器负责实时采集低压配电设备的运行信息，包括负荷电流信息、温度、湿度等，定时上传至集中器汇总；在检测到数据信息异常时，则立即上传异常信息。
PDA用于接收和展示来自信息主站的信息、通知。
3 采集器的设计
采集器用于采集低压配电线路负荷、低压配电设备运行环境温湿度等数据信息，同时具备带电装卸、线路取电、远程通信等功能。采集器的功能示意图如图2所示。采集器包含核心单元、无线通讯单元、电源单元、A/D转换单元、电压转换单元、电流采集单元、温度采集单元、湿度采集单元等。电流采集单元、温度采集单元、湿度采集单元分别采集负荷电流、环境温度、环境温度，经A/D转换单元送至核心单元进行数据处理。核心单元将当前值与历史值进行对比，若相差在小范围内，则抛弃历史值，由当前值取代历史值，如此循环，并定时将当前值通过无线通讯单元送至集中器；若当前值与历史值出现较大差异，则抛弃历史值，由当前值取代历史值，同时立刻将当前值通过无线通讯单元发送至集中器。同时为了保证采集器的长时间运行，电流采集单元还应具备取电功能，从低压配电线路获取电能，经电压转换单元，为电源单元充电，保证其长时间供电。
4 采集器无线通讯单元配置方案
4.1 选用ZigBee
ZigBee技术是一种应用于短距离范围内、低传输数率下的各种电子设备之间的无线通信技术，支持星状结构、网格状结构和簇状结构等三种网络拓扑方式。监测系统中的集中器与采集器之间，应每隔集中器所管辖的采集器数量较少，距离较近，宜使用星状网络，以集中器作为中心节点，管理范围内的采集器。在集中器内搭载一个ZigBee路由器，采集器内搭载一个ZigBee协调器。当协调器启动后，在允许的通道内搜索其他协调器，并基于所检测到的通道能量及网络号建立自己的网络。一旦一个新网络被建立，ZigBee路由器与集中器、采集器就可以加入到网络中，实现相互通信。
ZigBee具有高通信效率、低功耗、低成本以及全数字化等诸多优点。但也存在一定的问题。因其采用2.4GHz频段，该频段穿透性差。ZigBee节点的实际视距传输距离一般在30m以内，非视距情况下传输距离更短，在遇到钢筋混凝土节凑时，穿透力更差。同时，2.4GHz频段干扰源较多，大量的无线应用，包括WLAN、蓝牙等均占用了2.4GHz频段，有相互干扰的现象。
4.2 选用蓝牙
蓝牙是一种支持设备短距离通信（一般在10m以内）的无线技术。利用蓝牙技术，可有效简化采集器与集中器之间的通信，使数据传输变得更加迅速高效。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，使用2.4GHz频段，传输速率可达1Mbit/s，采用时分双工传输方案实现全双工传输。
同ZigBee一样，蓝牙使用2.4GHz频段，存在2.4GHz频段的穿透性差、干扰源多等的共性问题。同时，蓝牙本身的响应速度较慢，从睡眠转入工作状态以及节点加入网络需要3～10s。
4.3 选用433MHz射频
无线射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合（电感或电磁耦合）或雷达反射的传输特性，实现对被识别物体的自动识别。
本文使用市面上常见的RF433模块实现短距离无线通信。3.3V的工作电压，令其具有较低的功耗，433MHz的工作频率，具有较强的穿透性和抗干扰能力，在开阔地带可达到1200m的通信距离。
4.4 三种配置方案对比
不同的无线通讯方式各有优劣，使用时应根据实际情况进行。对于实时性要求高的情况下，可选用ZigBee通信，但需要考虑其应用环境中的遮挡情况；对于数据安全及传输质量要求较高的情况，可选用蓝牙，与前者一样，需要考虑其应用环境中的遮挡情况及蓝牙从睡眠切换至工作状态的时延；在障碍物、遮挡、干扰较多的环境，更适合使用433MHz射频实现通信。
5 结 语
便携式配用电信息监测系统可用于保供电期间的重要设备监测、日常运维中故障高发设备的运行监测分析等。本文为该系统的设计提供了一个总体方案、采集器的设计方案，及三种无线通讯配置方案，以满足系统应用的需求。同时，该方案亦适用于其他设备的监测系统设计，具有一定的实用性。
参考文献
[1]郭谋发.配电网自动化技术[M].北京：机械工业出版社，2012.
[2]余南华，陈云瑞.通信技术[M].北京：中国电力出版社，2012.
收稿日期：2018-5-10
作者简介：李敏昱（1988-），男，工程师，硕士，主要从事配电自动化工作。
关键词：低压配电自动化；信息监测；监测系统
中图分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）17-0058-02
引 言
随着社会发展，社会对供电可靠性提出更高的需求，要求配电运维人员及时了解辖区内低压配电设备的运行状况。但低压配电设备数以万计，其数量远大于10kV配电设备，无法同10kV配电网一样覆盖采集终端，且多数低压配电设备运行稳定，仅需对部分重、超载设备，重要区域、设备在特定时期进行短期实时监测即可。为此，本文提出一种便携式配用电信息监测系统方案，提供可靠的、即插即用的配用电设备信息监测功能。
1 监测系统的设计思路
依据配电运维人员对低压配电设备运行信息的监测需求，采集低压配电设备的负荷电流、运行环境温湿度、故障信息等，同时具备带电安装、拆除，轻便、即插即用等功能。设计便携式配用电信息监测系统整体结构如图1所示。
为满足配电运维人员掌握低压配电设备实时运行信息的需求，监测系统中各部分之間采用无线通信方式，信息主站与集中器之间因距离较远，选用4G无线网络，集中器与采集器之间因距离较近，通讯频繁，采用短距离通讯方式；各集中器、采集器做到轻便、自组网、简易安装；为保证配电运维人员实时掌握低压配电设备运行信息，增加个人数字助理（Personal Digital Assistant，PDA），向运维人员展示设备运行状态，其数据由信息主站通过4G无线网络提供。
2 监测系统的组成及功能
图1中的监测系统由一个信息主站、集中器、采集器和PDA四个部分构成。
信息主站作为监测系统核心部分，提供采集数据的存储、计算分析、界面展示等功能，并将数据信息通知至PDA。其主站软件层可分为通信层、数据库层和应用层三层。应用层采用面向对象的软件设计，包括数据处理模块、故障报警模块等；数据库层采用SQL数据库设计；通信层实现与集中器和PDA的数据通信。
集中器作为采集器与信息主站之间数据信息的传输桥梁，在通信上，采集器与信息主站之间是相互透明的。集中器与信息主站之间因其距离远、通讯数据量大、时效性高，适宜采用高速4G无线网络通信；与采集器之间，因每个集中器需负责收集若干个采集器的数据，且相互之间距离较近，使用短距离无线通讯方式即可满足其功能需求。集中器在收到采集器的数据信息后，定时打包上传至信息主站，若收到采集器上送的异常信息，则立即上传至信息主站。
采集器负责实时采集低压配电设备的运行信息，包括负荷电流信息、温度、湿度等，定时上传至集中器汇总；在检测到数据信息异常时，则立即上传异常信息。
PDA用于接收和展示来自信息主站的信息、通知。
3 采集器的设计
采集器用于采集低压配电线路负荷、低压配电设备运行环境温湿度等数据信息，同时具备带电装卸、线路取电、远程通信等功能。采集器的功能示意图如图2所示。采集器包含核心单元、无线通讯单元、电源单元、A/D转换单元、电压转换单元、电流采集单元、温度采集单元、湿度采集单元等。电流采集单元、温度采集单元、湿度采集单元分别采集负荷电流、环境温度、环境温度，经A/D转换单元送至核心单元进行数据处理。核心单元将当前值与历史值进行对比，若相差在小范围内，则抛弃历史值，由当前值取代历史值，如此循环，并定时将当前值通过无线通讯单元送至集中器；若当前值与历史值出现较大差异，则抛弃历史值，由当前值取代历史值，同时立刻将当前值通过无线通讯单元发送至集中器。同时为了保证采集器的长时间运行，电流采集单元还应具备取电功能，从低压配电线路获取电能，经电压转换单元，为电源单元充电，保证其长时间供电。
4 采集器无线通讯单元配置方案
4.1 选用ZigBee
ZigBee技术是一种应用于短距离范围内、低传输数率下的各种电子设备之间的无线通信技术，支持星状结构、网格状结构和簇状结构等三种网络拓扑方式。监测系统中的集中器与采集器之间，应每隔集中器所管辖的采集器数量较少，距离较近，宜使用星状网络，以集中器作为中心节点，管理范围内的采集器。在集中器内搭载一个ZigBee路由器，采集器内搭载一个ZigBee协调器。当协调器启动后，在允许的通道内搜索其他协调器，并基于所检测到的通道能量及网络号建立自己的网络。一旦一个新网络被建立，ZigBee路由器与集中器、采集器就可以加入到网络中，实现相互通信。
ZigBee具有高通信效率、低功耗、低成本以及全数字化等诸多优点。但也存在一定的问题。因其采用2.4GHz频段，该频段穿透性差。ZigBee节点的实际视距传输距离一般在30m以内，非视距情况下传输距离更短，在遇到钢筋混凝土节凑时，穿透力更差。同时，2.4GHz频段干扰源较多，大量的无线应用，包括WLAN、蓝牙等均占用了2.4GHz频段，有相互干扰的现象。
4.2 选用蓝牙
蓝牙是一种支持设备短距离通信（一般在10m以内）的无线技术。利用蓝牙技术，可有效简化采集器与集中器之间的通信，使数据传输变得更加迅速高效。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，使用2.4GHz频段，传输速率可达1Mbit/s，采用时分双工传输方案实现全双工传输。
同ZigBee一样，蓝牙使用2.4GHz频段，存在2.4GHz频段的穿透性差、干扰源多等的共性问题。同时，蓝牙本身的响应速度较慢，从睡眠转入工作状态以及节点加入网络需要3～10s。
4.3 选用433MHz射频
无线射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合（电感或电磁耦合）或雷达反射的传输特性，实现对被识别物体的自动识别。
本文使用市面上常见的RF433模块实现短距离无线通信。3.3V的工作电压，令其具有较低的功耗，433MHz的工作频率，具有较强的穿透性和抗干扰能力，在开阔地带可达到1200m的通信距离。
4.4 三种配置方案对比
不同的无线通讯方式各有优劣，使用时应根据实际情况进行。对于实时性要求高的情况下，可选用ZigBee通信，但需要考虑其应用环境中的遮挡情况；对于数据安全及传输质量要求较高的情况，可选用蓝牙，与前者一样，需要考虑其应用环境中的遮挡情况及蓝牙从睡眠切换至工作状态的时延；在障碍物、遮挡、干扰较多的环境，更适合使用433MHz射频实现通信。
5 结 语
便携式配用电信息监测系统可用于保供电期间的重要设备监测、日常运维中故障高发设备的运行监测分析等。本文为该系统的设计提供了一个总体方案、采集器的设计方案，及三种无线通讯配置方案，以满足系统应用的需求。同时，该方案亦适用于其他设备的监测系统设计，具有一定的实用性。
参考文献
[1]郭谋发.配电网自动化技术[M].北京：机械工业出版社，2012.
[2]余南华，陈云瑞.通信技术[M].北京：中国电力出版社，2012.
收稿日期：2018-5-10
作者简介：李敏昱（1988-），男，工程师，硕士，主要从事配电自动化工作。