掌机终端与柱上开关控制装置整合的应用

陈华霖，陈海昆，吴爱军，唐明瑜

（1.上海市电力公司松江供电公司，上海 201600；2.上海资和通信科技有限公司，上海 200235）

随着智能电网建设的不断深入，智能化柱上开关控制系统在配电网中的应用将越来越广泛，并将逐步取代传统的机械式柱上开关及断路器。为了最大限度地发挥智能化柱上开关及控制系统的优势，实现对智能化柱上开关的非接触操作，提高现场维护效率，在分析现有技术的基础上，阐述了一种新型的基于短距离无线技术的掌机终端的实现方法，并论述了其优点。

1 柱上开关的现状分析

为了有效地保护配电网络，快速隔离故障点，配电线路中需要安装一定数量的柱上开关，用于实现过电流保护和接地保护，确保配电网在电流过载时不被烧毁。然而，目前在开关的使用和维护过程中，存在诸多问题。

1）带电操作存在安全隐患 传统柱上断路器需要维护人员用爬杆或利用云梯提升的方式带电进行接触性维护，需要确保设备的有效接地，否则存在严重的安全隐患。另外，特种车辆数量有限，而各班组还有大量的工作需要用到特种车辆和设备，特别在迎峰度夏和特殊保电阶段，很难做到及时到位，这也影响了柱上开关的维护及时性和配电网的运行可靠性。

2）缺乏通信接口 由于无线通信接口的缺失，只能利用现场总线的方式来进行通信，设备无法在远端进行操作，柱上开关仅能起到故障保护功能，无法为实现“手拉手”供电，非故障区的自动恢复供电提供实时信息，柱上开关对于配网建设的意义因此大打折扣。

3）操作简易性不够 传统的柱上断路器操作繁琐，通过拨码开关整定数据不直观，容易引起操作失误；在新型柱上断路器的控制器上，虽然配备了多种式样的手持设备，由于此类掌机大多不采用友善的图形化界面的实时操作系统做平台，会使维护人员入门难，且安全认证机制不充分，容易造成维护时操作错误，从而影响配电线路的正常运行，对客户的生产和生活带来影响。

4）缺乏故障数据下载功能 传统的柱上断路器、现役新型柱上断路器控制系统无法纪录故障波形数据，只有少数支持故障录波功能的，手持设备依然缺乏数据下载功能，因此无法实现故障的回溯分析，也就无法有针对性的对配电线路的建设和运行进行优化。

随着配电网建设的推进，电网规模的不断扩大，复杂程度的日益提高，客户对供电可靠性和电能质量的要求也越来越高，这就要求供电公司以更高标准和更快的速度去维护和处理配电网发生的故障。同时，为了有效推进智能化配电网的建设，实现架空线的环网控制、故障隔离和线路优化都变得愈发重要。

上述问题的解决，均依赖于柱上开关智能化管理控制系统的实现，掌机终端作为智能化柱上开关系统的重要组成部分，对掌机终端的研发也就变得愈发重要与紧迫。

2 现场掌机终端的解决方案

为了解决上述问题，可通过掌机终端对配电线路中的柱上开关及控制系统进行近距离监测和无线操控，如图1所示。

图1 近距离监测和无线操控示意图

通过掌机终端可以整定开关的相关参数，实时显示配电线路中柱上开关的分合闸状态，显示负荷电流、零序电流等相关电能质量参数，读取录波数据的功能。为了实现上述功能，需要利用嵌入式软硬件的设计方法，还需要利用电力电子技术、无线通信技术、电力继电保护技术等相关交界技术。

2.1 选择433MHz无线通信方式

针对上述无线接口的缺失和现场操作的安全性来说，需要选择一种适合于柱上开关掌机终端的无线通信方式。目前，国内外无线领域较受关注的技术主要有：红外通信技术、蓝牙、ZigBee，Wi－Fi，通用分组无线服务技术、频移键控技术（FSK）和幅移键控调制技术（ASK）等，无线技术纷繁复杂，并非每种技术都适合于柱上开关掌机终端。

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，故不合适；蓝牙技术受制于传输距离较短（10m左右）、功耗相对较高（100mW左右）等问题，故不合适；ZigBee的穿透性不强，技术不理想，故不合适；Wi－Fi发射功率大（超过1W），成本高，主要用于民用，故不合适；GPRS用于远程传输，功耗较大，适合于设备与数据主站应用，故不合适。只有基于FSK和ASK技术的射频技术，不仅功耗较低，通信距离较远，抗干扰能力好，穿透力强，在配电网现场通信方面具有特有的优势，故选择基于FSK方式的433 MHz小无线通信作为传输手段。

2.2 采用可视化图形客户界面

为了实现操作简易，维护人员入门便捷，需要一个图形化的界面。在常见的PDA等小型手持式终端上，由于PDA自身硬件条件的限制，以及无线传输模块功耗与体积的限制，通常工业客户的无线掌机界面都非常简单和文字化，几乎看不到类似PC机的美观界面。随着电子技术的不断发展，在掌机上嵌入热插拔式的无线传输模块已成为可行的方案，并且还得到PDA的图形客户界面支持。因此，掌机系统采用通用性、兼容性较好的客户平台，屏弃了烦琐的纯文字化界面。

2.3 引入安全管理机制

为了进一步保证操作的安全性，减少现场误动作，以及提高数据传输过程中的完整性和安全性，引入了各种安全机制。比如：柱上开关系统与掌机之间传输的数据，在原有一套传输协议之外，加一层无线传输协议，使数据本体更为隐蔽和安全，而且数据本体和协议各有校验方案，使数据出错的概率大为降低，提高了掌机终端通信过程的稳定性和安全性。又如：掌机软件控制系统引入客户和密码管理机制，只有高权限的客户才可通过掌机终端操控智能化柱上开关，屏蔽了未被受权人员的意外操作，在提高线路安全运行的同时，也方便供电公司集中管理。

3 掌机终端功能的实现

掌机终端是智能化柱上开关系统的组成部分之一，要实现掌机应有的功能，需要实现终端硬件和终端软件两大部分。

3.1 掌机终端硬件实现

掌机终端硬件主要依托于PDA和笔记本计算机的标准的PC卡总线接口（传输速度接近于总线速度），并支持热插拔的PCMCIA接口转433MHz小无线接口卡和PDA终端两部分组成，通过PCMCIA接口连接在一起，如图2所示。PCMCIA无线接口卡插入PDA终端的PCMCIA接口卡槽后，PDA自动识别PCMCIA无线接口卡，完成驱动程序安装后，通过PCMCIA接口交换数据或通信。

图2 掌机终端内部结构示意图

1）PCMCIA接口转433MHz小无线接口卡

由PCMCIA接口模块与无线传输模块构成，分别制作了专用通道，通过串行口通信。PCMCIA接口模块将来自PDA的数据转换成串行数据发送至无线传输模块，由无线传输模块通过433 MHz的FSK无线信号传输至柱上开关控制器。这是数据发送的传输顺序，而数据接收的传输顺序则相反。

2）PDA终端 PDA终端是接口卡和应用软件的软硬件载体，其硬件配置至关重要。基本配置由主频为312MHz的CPU，64M的内存，192M的固态硬盘，PC卡接口，触摸屏组成，预装WindowMobile5.0系统［2］，电池续航时间超过4h。

开发的掌机应用软件安装在Window Mobile系统上，通过PCMCIA接口与接口卡交互，接口卡再与柱上开关控制器通信，从而实现掌机与柱上开关控制器间的通信。

3.2 掌机终端软件实现

掌机终端软件是一种基于WindowMobile操作系统的嵌入式软件，采用面向对象的C＃语言和采用具有图形化绘制界面的Microsoft Visual IDE进行编程，使程序设计过程更加自然、更加直观、更加方便，使维护难度减低并且给软件的扩展提供了支持。

掌机终端软件采用分页式的布局方式设计，软件界面功能分布合理，操作方便，容易使用，并且有效提高了掌机终端操作的准确性。

1）软件的总体流程 如图3所示，在掌机终端软件的操作界面中，输入相应的用户参数和固定命令（如整定值参数、时间信息、串口参数、通信地址参数、查询命令等），提交后，软件会判断数据的合法性，只有合法的数据才被传送至户外柱上断路器。断路器解析运算后，返回一组应答帧，完成一次完整的数据传输过程。若应帧错误或者等待帧超时，软件发起新一轮的发送，重发多次仍失败，软件宣告发送不成功。

图3 系统简化流程图

2）数据传输的实现 软件后台代码在采集到用户输入或请求等有效命令数据后，通过调用WindowsAPI函数的方式，将采集到的数据进行校验计算及CRC校验合成，打包成约定的通信协议形式的数据帧，再转换成RS－232协议允许的数据流并通过串口至无线接口模块，经过无线转换后发送到控制器。控制器接收到掌机终端发送来的数据流后，根据RS－232协议对数据流进行解码并处理解析到的用户输入数据和请求等命令。控制器执行完用户的请求和数据输入等命令后，以同样的通信方式提交处理结果给掌机终端。

数据流被转换成433MHz无线信号传输，在数据帧传输的初期需要进行软件握手连接。实现一次完整的数据传输过程为：发送连接请求，返回请求应答，发送验证信证，返回验证信息，再到实质的数据交互。

3）故障录波数据的处理 在柱上开关发生故障分闸后，柱上开关控制装置中保存了故障录波数据。掌机终端通过录波读取命令，一帧一帧的读取录波数据，并存储在内存中，读取过程结束，将录波数据以XML文件的形式转存在固态硬盘中。

在完成录波数据的读取与存储过程后，软件对录波数据进行了抽象量化处理，包括单个通道的所有采样点数据、单个通道的所有采样点的个数、模拟量通道绘制时的颜色、绘制此通道波形时纵向比例系数、波形通道占据的绘制宽度、波形通道在界面上占据的位置、通道最大值、通道最小值等。处理完后，将数据打印到显示屏的坐标上。在数据处理过程中使用了STL技术，使数据序列的内存维护由STL自身完成，减少了内存分配与释放，提高了软件效率，是本软件隐含的性能优势。

4）提高安全性的措施 为了提高掌机终端操作的准确性，减少误操作，掌机终端采用了多项措施。

采用用户加管理员的用户权限控制方案，即基本用户只能对控制器和柱上断路器进行操作而无权对本用户的用户名和密码进行修改，而管理员用户只能对基本用户的用户信息进行修改而不能对控制器和柱上断路器进行操作。

在对柱上开关进行远距离分合闸操作时，采用了用户名加密码的认证机制，只有被受权的用户才可以进行整定值修改和分合闸操作。在密码认证的后续流程，增加了一道安全确认，最大限度的保证现场操作安全性。

掌机终端在对柱上开关控制器进行无线操作时，为了保证数据自身的安全，终端软件在设计时运用了DES数据加密方式，其特点是分组短、密钥短、运算速度较慢、加密后很难破解。

4 掌机终端的功能块及优点

4.1 五大功能块

1）设置参数 硬件地址、串口名等参数。

2）遥控遥信遥测量 遥控开关、开关状态读取等功能，操作前需要进行客户名和密码的校验。

3）电流三段保护参数 各整定值的读取与设置，由专业人员计算得到。

4）事件记录与查询 记录与查询开关合闸、开关分闸、过流分闸、整定值修改等历史事件。

5）录波数据处理 故障录波数据的读取、显示和数据保存备份。

4.2 功能特点

1）自检功能 掌机终端软件在启动时会对自身相关的硬件进行检测并给予相应提示。

2）点对点信号强度测量 在现场操作时选择信号较强的最佳测试点，也可用来巡检。

3）三段电流保护参数维护 对定时限、反时限、反时限曲线、一段保护值、二段保护值与延时、三段保护值与延时、零序电流保护参数、复归时间、闭锁延时值、重合闸次数、重合闸参数进行读取和整定。

4）开关状态值监测 监测合闸已储能、合闸未储能、分闸已储能、分闸未储能状态。

5）合闸控制和分闸控制 实施远距离操控柱上断路器的开合。

6）故障波形读取显示及数据备份 从图4的波形显示界面可以看到，三相电流在不同时刻的电流值；该数据还可通过数据线拷贝到PC机，利用专用的分析软进行分析，为故障的排查提供数据支撑。

图4 三相电波波形

5 结语

目前，掌机终端已在松江供电公司的示范性项目中使用，设备在使用过程中一直保持着稳定的工作状态，深受巡线人员的欢迎。通过掌机终端与智能化户外柱上开关系统的藕合，电力公司可以减少停电时间，随时巡检线路的运行情况，在提高供电可靠性、工作效率、客户满意度、运行管理水平和运行经济性的同时，更可加强线路运行的安全监视和预防事故。