楊振敏 （山東大學，山東 濟南 250100） 摘要：系統分析了中低壓用電管理自動化所涉及的各項技術，指出：實時遠程監控技術是基礎，通信是目前的技術關鍵，并提出了問題的解決方案和方法；同時簡單介紹了ZDY――2000中低壓用電管理綜合自動化系統的主要功能特點。 關鍵詞：綜合自動化，實時遠程監控，電力線載波 1 引 言 我國的電力事業正在快速發展，電力系統的現代化建設取得了巨大成就。高壓電網自動化、智能化技術的普及使供電質量明顯提高并取得了良好的社會效益和經濟效益。實踐證明，沒有現代化管理設備的支持就沒有有力的管理手段，沒有有力的手段就不可能進一步提高管理水平，沒有較高的管理水平就不能進一步提高電力的社會效益和經濟效益。 從目前的狀況看，雖然我國的高壓電網現代化管理已經取得了長足的進步，但是，電力需求測管理現代化卻跟不上時代的步伐。電力需求測管理現代化的主題是實現配網自動化，盡管近幾年用電管理自動化搞得轟轟烈烈，呈現出百花齊放、百家爭鳴的繁榮景象，但配網的自動化建設卻一致沒有質的改善。因此現在總結前面的經驗教訓，討論、分析制定實現配網自動化的戰略決策具有重大意義。 2 綜合自動化是必經之路 電力需求測管理的主要對象是配網，配網的主體是中低壓電網，是最終用戶所在的電網，是電力營銷的前沿市場。所謂的管理包括電量管理、電費管理、負荷管理、線損管理、設備管理和服務等多項內容，它是一個涵蓋多學科、多領域、多種技術的系統工程。對于這樣一個大系統工程要想全面實現現代化、自動化靠目前流行的預付費表、分時計價表、遠程抄表等單功能設備和系統是不可能實現的，靠他們的堆砌也是不現實的。實踐證明要想全面提高需求測管理水平必須實現用電管理的綜合自動化，實現用電管理綜合自動化必需有中低壓電網實時遠程監控做硬件支撐。由于中低壓電網結構的復雜性、負荷分布的隨機性、負荷的多樣性、投資承受能力的局限性和使用環境等原因，使中低壓電網實時遠程監控成為難題。因此，目前當務之急是解決中低壓電網實時遠程監控技術，建設中低壓電網實時遠程監控硬件平臺并在此基礎上加強軟件研究逐步實現需求測管理綜合自動化。 4 遠程監控的技術關鍵是通信 近年來隨著計算機技術、傳感技術、控制技術的發展，電氣儀表有了長足的進步，像全電子有功、無功電度表，多功能電子表等成為電力儀表發展史上的一個里程碑。特別是多功能全電子電能計量表，其功能已相當于傳統遠程監控系統中的遠方終端（RTU），“多功能電子表＋一對多通信系統＋計算機” 就是一套遠程監控系統。顯然目前實現中低壓電網遠程監控的技術關鍵是通信平臺的建設，只要有一個理想的實時通信平臺就不難建成理想的中低壓電網實時遠程監控系統。但是由于中低壓電網結構復雜、用戶眾多、地域分散、使用條件惡劣、投資承受能力弱給通信平臺的建設帶來很大的困難，許多成熟的通信方式不宜使用使通信技術成為中低壓電網自動化技術發展的瓶頸。 4 通信方式的選擇 4.1 中壓電網 中壓電網遠程監控系統對通信的實時性、可靠性、安全性和造價都有較苛刻 的要求。在現有的通信方式中GSM、CDMA方式因實時性達不到要求而失去了應用價值；微波、光纖通信方式因電網投資承受能力不足而不適宜；所以目前多采用的是GPRS方式。但GPRS方式有一下幾個問題值得商榷： 4.1.1 安全性問題，中壓電網遠程監控系統是工業遠程監控系統它除了對系統的 穩定可靠性有較高的要求外數據信息的安全性也很重要，因此一般情況下都要求系統有自己的專用通信通道。GPRS是公用通信系統它經常會遇到黑客、病毒、誤操作等的攻擊而使系統或數據遭到破壞。另外，GPRS系統主權是移動通信公司的，在長期租賃過程中很可能發生經濟糾紛，糾紛的處理結果是不可預知的。因此采用GPRS通信方式做中壓電網遠程監控系統的主通信設備存在嚴重的安全隱患。 4.1.2 運行費用問題，安現行收費標準每月不超過1M字節15元計，一個擁有 3000臺變壓器的縣級電力公司每年需運行費近56萬元（含IP站）。如果按照實時遠程監控系統的常規要求運行其數據流量需增加3－5倍，那么每年的運行費用將達160－270萬元，很可能出現有效無益的尷尬局面。 4.1.3 覆蓋問題，至今移動通信的覆蓋也不全，對于一些人口稀少、地形特殊的 地區或地點覆蓋不到可能是永久的，它們將使系統永久殘缺不全。 4.1.4 可靠性問題，當移動轉發臺故障或維修時可能造成信號不穩甚至消失導致 系統運行失常甚至癱瘓可能釀成重大事故。 可見選GPRS通信方式做為中壓電網遠程監控系統的通信平臺并不明智，但其他無線方式也不適用，除非自己建造像小靈通一樣的無線局域專用網，顯然從頻譜資源、技術條件和投資能力等方面均不現實。 4.2 低壓電網 低壓電網是臺區電網它的覆蓋范圍可能是一個農村、一個小區或小區的一 部分，由于它們范圍小距離近所以在低壓電網自動化建設中人們首先采用了電力線載波通信方式，然而低壓電網雖然范圍小但用戶多、用電器多、用電器的特性也多樣，它們對載波呈現的阻抗和產生的雜波嚴重危害了載波的正常傳輸，雖然經過擴頻、網絡協議等改造均未取得全面成功，以至使低壓電力線載波的穩定傳輸成為世界性難題。在這種形式下許多人把眼光投向了其他通信方式，其中最具有代表性的是RS485接口、CMBUS總線、無線以太網三種方式。但是它們仍然存在下列不足： 4.2.1 布線問題，RS485和CMBUS都是布線方式對于樓宇內部的較小系統這兩 種方式占據一定的優勢但對小區和農村這樣的全網系統則其可靠性、安裝成本均呈劣勢，特別是許多情況下不允許室外布線使有線系統無法建設。 4.2.2 造價問題，無線以太網是亞微波段的近距離通信網，近幾年得到普及應用 價格也大幅降低，但是它的頻段、作用距離和造價與居民小區和農村均不匹配勢必造成網點增加，成本過高。 4.2.3 可靠性問題，無線以太網是按照網絡協議由多個一對一轉發鏈路組成的系 統，運行過程中若其中有一個鏈路節點因故障或其它原因（如被竊、破壞、遮擋等）使信號中斷則該網點后的所有網點都將停運。 4.2.4 安全性問題，無線以太網的網點終端體積少、重量輕容易被竊。同時它也 是一個開放系統安全性較差，例如，某一用戶完全可以自購一臺無線網點模塊利用自己家中的計算機而進入用電管理系統。 以上分析可見，到目前為止還沒有找到真正適合中低壓電網應用的通信方式，這一狀況嚴重制約了中低壓電網自動化技術的發展，因此重新審視電力線載波方式可能是一件很有價值的事。 5 電力線載波技術 電力線載波曾是電力系統高壓調度管理的主要通信方式，它充分利用電力系統自有的電力線資源建立了自己的專用通信網，它無需運行費用、以最低的造價、最簡單的安裝、最方便的使用為電力系統的調度管理提供最佳數據傳輸設備。但是由于中低壓電網的結構和負荷性質與高壓電網有顯著差異，它對載波呈現的阻抗和噪聲干擾特性與高壓電網大不相同，所以傳統的電力線載波設備不能在中低壓電網上使用，必須重新研究開發適合于中低壓電網特性的新型電力線載波設備方可滿足中低壓電網的需求。 影響中低壓電網電力線載波傳輸的主要原因如下： 5.1 電力線載波傳輸遵循長線電波傳輸理論。在長線電波傳輸中阻抗匹配對載 波傳輸至關重要。中低壓電網一般情況下都是分路樹型結構，每一路母線都有許多分支、T接、交叉、拐彎等，它們會使載波阻抗失配，影響載波的傳輸。 5.2 中低壓電網經常是多種線型（架空明線、地纜、塑包并行線）混裝，由 于它們的載波特征阻抗各不相同，所以在兩種線型的接點處就形成一個載波阻抗失配點，載波傳輸將在此產生一次衰落。 5.3 在中壓電網中經常會遇到散落在電桿上的分散的無功補償電容；在低壓電 網上經常會遇到網吧、計算機室等電視機、計算機成堆的情況，由于這些用電器集聚在一起對電網呈現的載波總阻抗近似各用電器阻抗的并聯值，所以總阻抗可能很低，嚴重時可能近似短路，載波將被全部吞噬，形成所謂的“載波黑洞”。 5.4 中低壓電網是大量用電器直接接入的電網，任何用電器產生的雜波都可能 對電網造成干擾。例如：一臺30kW變頻電機可給周圍電網造成近200V（峰－峰）的雜波干擾，一支7W劣質電子節能燈可對電網造成40V的雜波干擾。因此中低壓電網上存在嚴重的雜波干擾。 對載波來說每個阻抗失配點都對載波產生一次較大衰減，若遇到載波黑洞載波將被全部吞沒，與此同時電力線上隨機出現的強大雜波干擾也對載波的傳輸構成巨大的危害使中低壓電力線載波技術成為一大難題。 6 解決方法探討 由5可知，中低壓電力載波的傳輸存在兩大障礙：阻抗失配和雜波干擾。因此要想實現中低壓電力線載波穩定傳輸不是單靠改進載波設備能做得到的，必須對電網的載波阻抗和雜波干擾進行整治。經多年的研究和實踐，我們采用以下幾項簡單可行辦法取得了較理想的效果。 6.1 最大限度地減少低壓電網用電器接入點的數量，把用戶電度表適當集中不 但能有效地防止表后竊電以及減少用電器載波阻抗的影響，而且能大幅度降低對用戶接點進行載波阻抗整治的成本。 6.2 在低壓電網用戶表箱進線處加裝“阻抗適配濾波器”，它在電網和用戶之間 建立了一道隔離墻，不管用戶用電器的載波阻抗大小，通過“阻抗適配濾波器”后對電網呈現的載波阻抗是近似恒定的。同時用戶產生的雜波干擾也可被大部分濾掉，并且使電網上的雜波和載波也幾乎不會到達用戶端，因此它不但保證了載波阻抗的穩定匹配而且大幅降低了雜波干擾。 6.3 給10kV電網安裝的分散補償電容加裝載波阻波器，以消除補償電容對載波 傳輸的影響。 6.4 采用窄帶多頻點中繼技術,仿照移動通信建網模式在10kV母線上建立電力 線載波通信網，以消除線路交叉、分支、拐彎等對載波傳輸的影響。 多年的實踐證明以上4項措施能夠保證中低壓電網電力線載波的穩定傳輸，但電力線載波仍存在不足之處，例如，電力線載波適宜架空明線安裝對地纜特別是地纜網很勉強。再如電力線載波需在變電站母線出口處安裝阻波器，一般說來這種阻波器的體積、重量、造價和安裝均不適宜中壓電網使用。顯然，實現配網自動化的最佳通信方式不應是單一的而應是多種通信方式的組合。 7 通信方式的選擇組合 經多年的研究和試驗總結經驗教訓我們認為下列組合比較合理。 7.1 縣鄉中壓電網 縣鄉中壓電網絕大部分都是架空明線，這種電網采用電力線載波＋無線逃 離方式比較合理。這種方式全線采用電力線載波但在每路母線離變電站距離大于1/4載波波長處的變壓器或線上安裝載波－無線轉發終端，通過無線方式與變電站實行信號連接。根據長線理論在離低阻抗點距離超過1/4λ以遠的地點長線的載波阻抗不受低阻抗點的影響，所以載波－無線轉發終端的載波部分不受母線出口處的低阻抗影響，稱之為無線逃離法。該方式不但省掉了阻撥器而且安裝簡單、使用方便、降低了造價。 7.2 城區中壓電網 城區中壓電網結構復雜、地纜眾多、變化不定，所以不適宜電力線載波的 安裝和傳輸，最適宜的方式當選光纖通訊。 7.3 臺區低壓電網 臺區低壓電網分城鎮居民小區和農村，對于城鎮居民小區當電力進線是以 樓宇為單元時則摟內采用485方式，樓宇到臺變之間采用電力線載波；當電力進線直接進單元時則采用電力線載波方式；對農村采用電力線載波方式比較合理。 7.4 數據上傳通信方式 7.4.1 電力部們直管低壓電網，中大城市居民小區采用光纖通訊、縣以下的居民 小區和農村采用10KV電力線載波比較合理。 7.4 機關單位宿舍低壓電網 機關事業單位宿舍區經常是多個且分布在市區不同的區域但是獨立統一管 理，這種情況下的數據上傳方式采用寄生式modem比較合理。所謂寄生式modem是利用有線電話的來電顯示功能將數據上傳功能寄生在某一用戶的電話線上。運行時每次電話modem都對來電號碼進行鑒別，當鑒別的結果不是抄表號時modem不動作，當發現是抄表號碼時modem搶先摘機，用戶電話只響1－2聲便停止。這種寄生方式對用戶幾乎沒有任何影響，是一種最經濟最方便的方式。 7.4.3 物業小區低壓電網 單臺變的物業小區不存在數據上傳的問題，多臺變的物業小區的數據上傳 也是近距離的采用無線模塊比較適合。 8 目前實現的技術功能 根據前面介紹的方法和措施研制生產的ZDY－2000中低壓用電管理綜合自 動化系統具備了以下功能： 8.1 遠程實時抄表：即時抄表、定時抄表、同步抄表、定時同步抄表。 8.2 遙信、遙測、遙控：運行狀態巡撿、運行數據遙測、手動或遠動遙控。 8.3 負荷控制：手動控制、動態負荷指標管理，即系統各級終端定時（例如1 小時）將上一級終端發來的負荷指標安優先權分配給下一級各終端，所有10KV臺變都控制在負荷指標下運行。當實際負荷超過指標時監控終端將安優先級自動分路斷電。 8.4 線損測算：利用同步抄表能實行各級線損的實時測算，若在線路的分支T 接或低壓樓宇進線等處加裝考核表可實現分段線損實時測算。 8.5 多種收費模式：利用定時同步抄表功能可實現分時計價；利用簡單的軟件 就可實現預付費、定期付費、超電量變價等多種自動收費功能。這些功能要比單功能分立表好的多，例如，與分時計價表相比它無須定時校表、無須現場更改時段；同預付費表相比它無須買卡、刷卡杜絕了用卡竊電，廢除了斷電提醒采用自動電話提醒或催繳；定期付費方式象現代通信系統收費方式一樣是最合理、最方便的收費方式。 8.6 偷漏電檢測：通過總線損、級線損、母線線損的實時測算找出線損異常母 線，再通過分段線損的實時測算找出異常線段，調用異常線段內用戶用電歷史數據進行分析判斷找出竊電點。 8.7 電網檢測：經過前面幾項措施的整治電網的載波特性是穩定的，載波回波 的幅度也是穩定的，一旦發現某點的回波信號幅度異常則證明該點附近電網有人接線或故障。 9 性價對比 9.1 中壓電 模 式 安全可靠性 功 能 覆蓋 運行費用 造價 安裝費用 光 纖 高 全 × 低 高 高 GPRS 低 不全 不全 高 一般 低 電力線載波 +無線模塊 高 全 全 低 一般 低 9.2 低壓電網 模 式 安全可靠性 功 能 運行費用 造 價 安裝費用 485布線 中 全 低 低 高 普通電線載波 低 不全 低 中 低 無線以太網 低 全 低 高 中 阻抗適配濾波 電力線載波 高 全 低 中 中 阻抗適配濾波電力線載波 +485布線 高 全 低 低 低 9.3 系統優勢 系統設計的目標是實時遠程監控，實時遠程監控系統是實現配網綜合自動 化的基礎設備，有了這套設備就可根據需求設計各種應用軟件實現各種自動化、智能化功能。因此它具有良好的可持續發展性，只有軟件升級沒有淘汰之說，不會造成重復投資。 10 結束語 中低壓用電管理綜合自動化是一個特大系統工程，從某種意義上講它比高壓系統更龐大、更復雜、所涵蓋的技術領域更廣泛、實現難度更大。解決這樣一個大難度問題需要電力主管部門統一規劃，統一監管，不能無序發展，否則將會造成巨大的經濟損失。目前在市場需求的驅動下用電管理自動化市場出現了百花齊放、百家爭鳴的繁榮景象，在這種形勢下更需電力主管部門認真總結經驗、制定戰略決策、進行科學導向以保障需求測管理自動化、數字化工作的健康發展。堅信實現配網自動化已為期不遠，一個科學、高效、現代化數字電網即將到來。