基于3G网络数据传输的DT2型电压质量监测系统可行性分析报告.docx
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基于3G网络数据传输的DT2型电压质量监测系统可行性分析报告
基于3G网络数据传输的DT2型电压质量监测系统
可行性分析报告
1项目实施的背景和意义
1.1项目对深圳市经济、社会和科技发展等有效需求。
1992年，电力工业部颁布了行业标准《DL/T500-92电压监测仪订货技术条件》，电压监测仪作为考核供电质量的主要手段，被大量地应用于供电系统，各地供电局都采购了此类产品，通过对电压监测仪记录的数据进行分析，供电局改善了供电的电压质量，电压监测仪产品经过十几年的发展已经达到了一定的水平，电压监测仪经历了几个发展阶段：
第一代读数式：
由人工对记录的数据进行抄录，形成手工报表。
第二代：
IC卡式，由人工持有一张存储数据的IC卡，到现场对记录的数据进行抄取；第三代：
电话线MODEN式，每一台电压监测仪装一部电话线，利用电话线进行数据远程传输；第四代：
GSM短信式，利用中国移动提供的短信平台发送一条短信，将记录的数据远程传输；第五代：
GPRS/CDMA网络式，利用中国移动或中国联通的GPRS/CDMA网络，实现了实时数据传输。
目前，国内主流的电压监测仪为第四代和第五代产品。
从九十年代末期开始的大规模电网改造，国家对电网的改造与建设投入了大量的资金，以满足中国高速发展的经济和人民生活水平日益提高的需求，对供电质量也提出了更高的要求，对电压合格率、供电可靠率等指标有了明确规定；2005年01月19日，国家电网公司颁布了新的《电力系统电压和无功管理条例》，作为电网的法规与标准，进一步明确了电压监测仪的监测点布局要求，中国电监会代表中国政府对供电企业的监督考核中，电压质量是一个重要的考核指标，电压监测系统也被提升到非常重要的地位。
随着通讯技术的不断发展，3G牌照的发放，无线通信网络的建设进入了一个新的阶段，3G网络为电压质量数据的传输提供了更可靠更稳定的平台，有了3G的平台，可以进一步扩展电压监测仪的功能，更好地实现“四遥”通讯。
特别是为图像传输提供了很好的途径，也为电压监测仪扩展新的功能奠定了基础。
因此，新一代基于3G网络数据传输的电压监测系统，势必取代现有的产品，成为下一代电压监测系统的主流产品。
另外，我司拟开发的新一代电压监测系统，不仅是通信方式升级，而且在功能上，由现行的监测缓慢变化的电压升级为监测电压谐波、电压闪变、电压骤升，电压骤降等动态电压质量。
预留了摄像头接口，在有需求的场合，可以将图像通过3G网络传输，以扩展产品的应用范围（根据市场反馈，有的供电公司需求在电压监测仪上安装红外摄像头监视户外变压器，以解决变压被盗严重的现象）。
图像传输功能还可以用于在无人值守变电站的遥视，将无人值守变电站的情况通过视频监测传输到调度中心。
我司拟开发的新一代电压监测系统，由两部分组成：
（1）DT2型电压监测仪：
作为测量点的数据采集与存储终端，具备3G通讯模块和以太网接口，进行数据传输。
（2）《DT2—S01型电压质量数据处理软件V1.05》：
作为数据处理的后台软件，将监测仪传输来的数据进行处理，形成报表、曲线等，提供WEB浏览。
根据《电力系统电压和无功管理条例》的规定，平均一个县级供电公司需装配各个电压等级的电压监测仪约250台，全国有2861个行政县，全国的供电公司新增或更新的总需求量将达到70余万台，以XX省为例，08全省统一招标采购的电压监测仪为8000台，09年为9000台，预计每年全国的采购量将超过12万台，我司作为电压监测仪生产的主流厂家之一，深圳地区最早也是目前生产销售规模最大的厂家，预期销售量占全国份额的8%计算，每年预期可以获得的订单数将达到1万台左右，参照目前GPSR功能的单价2000元/台计算（今后基于3G网络的单价应当稍高），预期实现销售收2000万元/年，实现利税480万元/年。
具有一定的经济和社会效益。
1.2项目的先进性、重要性、必要性、可行性。
1.2.1先进性
由于3G牌照是09年才正式发放，3G网络的建设也是刚刚兴起，但是可以预见，随着3G网络的建设，3G逐步取代现行的2.5G网络是必然的趋势，而基于3G网络进行数据传输的电压监测系统，国内未发现有厂家推出。
因此，我司进行此项目的研发在国内将是领先的。
⏹产品先进性
电压监测仪是基于ARM9核心，嵌入linux操作系统，高精度A/D转换，由32位DSP数据采样运算，计算电压闪变、骤升、骤降、谐波等动态电压变化，具有3G通讯模块，配备10/100M以太网接口，标配RS485，RS232接口，红外接口进行参数设置。
在符合现有的《DL/T500-92电压监测仪订货技术条件》基础上，进一步提升监测项目符合以下标准：
GB12325-1990电能质量供电电压允许偏差
GB/T14549-1993电能质量公用电网谐波
GB/T15543-1995电能质量三电压允许不平衡度
GB/T15945-1995电能质量电力系统频率允许偏差
GB12326-2000电能质量电压波动和闪变
GB/T18481-2001电能质量暂时过电压和瞬态过电压
将现有的针对缓慢变化的电压监测仪，升级为包括谐波和电压瞬态变化的新一代电压监测系统。
⏹硬件平台先进性
主处理器采用ATMEL公司的高性能工业级ARM9，即AT91SAM9260，数据采集及谐波瞬态运算处理器采用TI公司的32位DSP，即TMS320F2806，A/D转换采用ADI公司16位数模转芯片ADS7805，达到或高于0.1%准确度。
配置1个光纤以太网口，一个3G通讯模块，一个RS232和一个RS485接口，配置红外接口用于参数设置，GPS时钟接口，摄像头接口。
⏹软件平台先进性
《DT2—S01型电压质量数据处理软件V1.05》后台软件，由前置机程序，路由器桥程序，主服务器程序，工程师工作站程序，WEB服务器程序等组成，支持SQL数据库，支持Oracle数据库。
用户可以将电压监测仪的数据处理成各种报表和曲线，进行各种条件的数据查询，可通过WEB服务器进行网页浏览。
程序构架为BS与CS混合方式。
⏹技术先进性
a）高精度测量，大容量存储，多任务处理，实时在线监测
b）电压谐波总畸变率及2~63次谐波含量测量，间谐波和次谐波监测
c）电压瞬态测量与记录，包括电压闪变，骤升与骤降等事件记录
d）多种通讯接口：
支持3G网络通信，10/100M以太网口，RS232，RS485，红外接口等
e）GPS时钟接口，与变电站的GPS时钟设备对时
f）CMOS摄像头接口，在必要地场合进行图像传输
g）支持多种通讯协议：
包括101，103，《电力负荷管理系统数据传输规约O/GDW130-2005》，《广东省大客户电力负荷管理系统通信规约》等
1.2.2重要性
随着3G网络的发展，今后，利用3G网络进行数据传输的电力设备将普遍使用，电压监测仪也不例外，由于电压监测仪用于监测220V和380V监测点的现场，按国网公司的规定，是安装在10KV/0.4KV变压器的首端与末端，由于投资与施工的限制不可能针对每一个监测点铺设一条光纤，所以，采用无线传输将是主要的通信方式，利用3G网络数据传输链路稳定，运行可靠，不受自然条件的影响等优势，是理想的传输通道，尽管须向运营商交纳一定的资费，但费用是可接受的范围，现行的GPRS/CDMA就是采用付费使用的方式（每台每月的通信费10～12元），因些，发展基于3G网络通信的电压监测仪是必然的出路，推进支持3G网络的电压监测仪技术发展具有非常重要的意义.
1.2.3必要性
我司现行生产的电压监测仪，以采用GSM短信与GPRS/CDMA为主流，尽管目前阶段是可以满足供电公司的要求，但是，随着3G网络的发展，新的支持3G的电压监测仪，必将取代现行的通讯模式，成为今后的主流产品，所以，着手开发基于3G的电压监测仪非常迫切，非常有必要。
现行的电压监测仪是用于监测缓慢变化的电压，对于瞬态的电压变化无法进行监测与记录，随着今后对电网质量越来越高的要求，对于发生的电压闪变，骤升，骤降，谐波等，都将是新一代电压监测仪应具备的功能，因为，新一代电压监测系统在性能上有了质的提升，功能也更加完备，所以，着手开发新一代的电压监测仪是非常有必要的。
1.2.4可行性
⏹市场可行性
新一代电压监测系统，主要应用于各供电局、电厂等领域。
在今后的5年内每个市县供电局均应该配置完善的电压监测系统。
按照全国2861个市县计算，每个县平均配置250台，5年内的总需求量将超过70万，每年的需求量也将达12万台，我司按市场占有率8%计算，年订单量可达1万台左右，单价按2000元/台计算，销售额可预期达到2000万元/年，实现利税480万元，因此我们认为市场上是可行的。
⏹技术可行性
目前己解决了相关核心技术，并且己研制了部分核心产品，其中，基于linux操作系统的ARM9处理器已经在ARM9开发板上调通，基于32位DSP的数据采集计算程序，已经在我司其它产品上成功应用，因此我们认为技术上是可行的。
并且，通过研发新一代的电压监测仪，为我司今后开发电能质量分析仪打下良好的基础。
⏹政策可行性
作为中国电监会监督考核的项目，作为每个供电公司每月必须上报电压合格率和供电可靠率的报表，电压质量的监测系统，在各个供电公司都将逐步完善，配套相应的资金新增或更新测量点，加强对电压合格率、供电可靠率的管理，提高供电质量，更好的为用户服务，也可以说，电压监测仪系统是一个必须完善的项目，甚至是强制要达标的项目，因此，研发新一代的电压监测仪是完全符合国家相关政策的，符合电力发展的需求的。
因此我们认政策上是可行的。
没有政策上的风险。
1.3项目在行业发展中的地位和作用；
我司自从2002年研发出电压监测仪产品以来，产品也经历了从第二代到第五代的过程。
每一次技术的进步，都带来了一轮新的销售高潮，因此，我司拟开发的新一代（第六代）电压监测系统，以全新的通讯模式，全新的瞬态监测功能，能在行业发展中起到领头羊的地位，新一代电压监测仪如果研发成功，将带动整个行业将产品提升到一个新的高度，对于整个行业产生深远的影响，
新一代电压监测仪研发成功，将行业发展将产生深远的影响，主要表现在以下几方面：
⏹解决了在3G网络中数据传输的问题，使链路更稳定，传输的速度更快。
系统的实时性更好。
⏹解决了电压瞬态变化的监测问题，目前已经有的供电公司提出希望电压监测仪能够测量瞬态的电压变化，说明市场是有这方面需求的。
综上所述，本系统的成功研发，将是电压监测仪行业发展道路中的一个里程碑。
并有可能参与国家有关新的电压监测仪的标准制定工作。
1.4项目预期实现的经济和社会效益。
1.4.1社会经济意义
电力工业是国民经济发展中最重要的基础能源产业，是国民经济的第一基础产业，是关系国计民生的基础产业，国家出台了一系列内需投资政策，其中4万亿投资计划中，未来2～3年电网投资将达到1.2万亿的规模，作为国民经济的基础产业，电力工业行业能有效的拉动国民经济的增长。
而且市场空间是巨大的。
供电公司把提高电压合格率和供电可靠率作为一项重要的工作来完成，每个供电公司都配备了电压与无功的专职人员，电压监测仪的数据，对于供电公司改善服务，提高供电质量，提供了科学的依据。
对于维护用户的合法权益也能起到一定的作用。
1.4.2预计经济效益
新一代电压监测系统，主要应用于各供电局、电厂等领域。
在今后的5年内每个市县供电局均应该配置完善的电压监测系统。
按照全国2861个市县计算，每个县平均配置250台，5年内的总需求量将超过70万，每年的需求量也将达12万台，我司按市场占有率8%计算，年订单量可达1万台左右，单价按2000元/台计算，销售额可预期达到2000万元/年，实现利税480万元/年。
综上所述，本项目产品未来5年的市场前景广阔。
具有良好的经济效益
1.4.3预计社会效益
新一代电压监测仪应用了最新的电子技术，网络技术，可以实现单台仪表测量电压瞬态的功能，将以前在高压侧应用昂贵的电能质量分析仪才能达到的监测效果，只需要价格低廉的电压监测仪，就能实现，并且从高压侧延伸到低压侧。
为供电公司带来了全新的监测模式，能够更加全面地监测电网的电压质量。
因此，我们认为这个项目将产生良好的社会效益。
2电压监测系统技术发展趋势及国内外发展现状
2.1电压监测系统相关技术的发展趋势；
随着DSP技术应用的日益成熟，基于DSP与ARM9组合功能的新一代电压监测仪，必将成为供电公司的新宠产品，由于有厂家推出了新产品，在实际应用效果达到预期后，有可能促成国家电网公司制定出新的电压监测仪的标准，现行标准《DL/T500-92电压监测仪订货技术条件》是1992年制定的，毕竟已经不适合技术发展的要求，也不能满足日益增涨的用电要求，在新的标准出台之前，新一代电压监测仪仍然可以作为功能升级的产品，扩大市场销售，在市场竞争中处于技术上的优势地位。
2.2国外发展现状
目前国外暂无相关产品进入中国市场。
2.3国内发展现状
国内对于电压瞬态的监测，一般采用电能质量分析仪，其价格一般在3.5万元以上，当然，电能质量分析仪还具备其它的功能。
我司预期新一代电压监测仪的单价在0.30万元以下。
目前用电压监测仪来实现包括电压稳态和电压瞬态的监测，还没有厂家推出这种产品。
但是，从我司市场反馈的信息来看，已经有贵州省供电公司提出了电压瞬态的监测要求（2008年我司供货贵州省电力公司的电压监测仪936台），但目前我司不能提供满足贵州电力公司要求的产品。
因此，尽快研发出升级功能的产品是当务之急。
2.4我司目前状况
我司从2002年5月起，开始生产电压监测仪，在2006年以前，广东省基本只有我司一家生产此类产品，我司对电压监测仪的发展方向，供电公司对产品的需求等，都做了详细的市场调研、项目可行性论证、对关键技术如高精度A/D转换、32位DSP运算处理，ARM9加linux操作系统满足复杂的通讯要求及数据加密等，我司都做了大量的前期工作，事实上，我司在无功补偿控制，电力负荷监测，谐波治理等多个领域，拥有了六个系列二十几个规格品种的产品，全部都是自主研发的，涉及的技术包括AVR高性能单片机，TMS320F2806的32位DSP，LPC2214的ARM7，linux操作系统在ARM7上的应用。
基于BS和CS构架的电压监测数据管理后台软件等，因此，我们认为，研发出新一代的电压监测系统包括电压监测仪和电压监测数据管理软件，是有良好的技术基础的。
2.5深圳市相关行业技术与国内外先进水平的差距；
深圳的电压监测系统产品的生产厂家中，我司是深圳这个行业中的排头兵，目前未发现有新一代电压监测仪的相关产品上市，但在相关的电能质量分析仪厂家中，深圳有领步科技，奇辉电器等厂家，作为电能质量分析仪国外的主流厂家主要有fluke福禄克、美国电力士，以色列Elspec等厂家。
目前国内的电能质量分析仪与国外的同类产品相比，技术上仍存在一定的差距。
国外没有电压监测仪产品进入中国。
2.6相关技术在知识产权、市场需求方面的情况。
目前，国内的电压监测仪仍然是采用《DL/T500-92电压监测仪订货技术条件》，这个标准已经不能满足供电公司对电压瞬态进行监测的要求，也不具备谐波监测功能，因此，业内都新标准的出台呼声很高，相信在未来不远的时间国家电网公司将制定新的标准。
我司拟开发的新一代电压监测仪，在没有新的标准出台之前，我们将参照其它标准：
GB12326-2000电能质量电压波动和闪变；
GB/T18481-2001电能质量暂时过电压和瞬态过电压等；
在产品验收方面，仍然可以按照其它标准与现行的电压监测仪的标准相结合，达到用户的要求。
由于同类产品中，目前国内在这方面尚属空白。
新一代电压监测仪，我司拥有独立的自主知识产权。
3项目主要研究内容
3.1项目涉及的技术领域，拟解决的关键技术问题；
本项目涉及到一个电压质量监测领域，但是很多技术原理和实现方法可以参照相关的标准。
拟解决的技术问题如下
⏹高精度的模拟量采集
我们产品的整体精度为0.1%,这要求我们的交流AD采集模块精度要到达0.05%级，我们通过如下方法解决这个问题，使用2ppm的电子分压器，0.01%的高精度电压互感器、以及OPA1632带差分输入输出的高性能运算放大器作为信号调理和高达100KSPS16Bit的6路高精度的AD采集芯片ADS7805，采用准同步算法，来到达这个指标
⏹DSP采样与运算
采用每周期256点的采样率，进行FFT分析，采用闪变计算数学模型，获得谐波、电压闪变，电压骤升与骤降等瞬态的数据。
⏹ARM9嵌入linux操作系统
解决多任务处理，网络通讯，3G通讯链路的稳定，数据存储，显示与键盘，图像传输，解决复杂的数据加密算法，以保证数据在3G网络中传输的安全性。
3.2拟采用的技术原理、技术方法、技术路线以工艺流程；
3.2.1技术原理及关键技术内容
3.2.1.1电压质量监测系统构成
1）电压质量监测系统示意图
2）硬件结构原理框图
原理介绍
输入被测的电压信号，经过2ppm的电子分压器，由0.01%的高精度互感器，将信号输入给OPA1632带差分输入输出的高性能运算放大器作为信号调理，之后将信号送至100KSPS16Bit的6路高精度的AD采集芯片ADS7805，经过A/D转换的数字量由TMS320F2806进行运算处理。
运算结果送AT91SAM9260进行存储，显示，传输。
3）后台软件界面示意图
后台软件构架介绍：
后台软件的开发工具采用VisalStudio2008开发环境，主要程序用C#.net和C++.net编写，数据库采用SQL，同时支持Oracle，程序构成包括：
（1）前置机程序：
负责3G链路连接，接收与发送数据，心跳维持，协议解析等
（2）主服务器程序：
负责数据处理，入库，数据查询
（3）操作员工作站程序：
负责对各个环节的参数设置，客户端的权限分配，数据库维护。
（4）WEB服务器程序：
提供客户端浏览数据，与主服务器数据库交换数据。
3.2.2技术路线
1）为提高产品的测量长期稳定性，电压分压器采用2ppm的金属氧化膜电阻分压，使用高精度互感器，测量AD使用16Bit100LKSPS6个通道AD
2）为了提高设备在现场使用的可靠性采用如下措施
⏹对采集前端和电源前端采取多重抗干扰措施
采用压敏电阻、TVS确保传导性干扰信号（脉冲群和浪涌）不会通过电源或者采集前端侵入敏感脆弱器件
⏹ARM采用多层布板方案，提高CPU自身抗干扰能力，
⏹多重WatchDog技术
⏹IO保护
对于容易损坏的IO口全部用高集成化的贴片TVS统一保护，
3）为提高设备无故障工作时间MTBF，要研究元件老化的规律，对设备的密封方式，温度与湿度交互作用方式进行试验研究，并进行如下的高可靠性设计：
⏹元器件选择
对于IC、插座等器件尽可能使用工业芯片软件
DEBUG技术用于故障诊断，远程下载用于程序更新。
⏹防尘防潮
PCB最后均要防尘防潮处理
⏹冗余设计
无论对于PCB布线还是间距，以及热设计，耐压设计，要留于充分的余量，对于一些关键地方使用双重硬件作为冗余
⏹数据可靠性
块数据存储全部使用CRC16校验。
采用大容量的铁电存储器与flash双重存储器，保证数据的安全存储。
4）算法验证
大部分的算法我们通过Matlab来验证后，再在DSP和ARM平台上运行，可以节约反复调试的时间
5）测试验证
通过中国电科院的相关试验。
3.2.3主要创新点
3G通讯中的图像压缩技术，数据加密算法。
闪变测量方法的数学模型
间谐波和次谐波测量算法
3.3项目相关技术参照行业标准：
GB/T2423.1-2001电工电子产品环境试验第2部分:
试验方法试验A:
低温（IDTIEC68-2-1-1990 ）
GB/T2423.2-2001电工电子产品环境试验第2部分:
试验方法试验B:
高温（IEC60068-2-2-1974,IDT ）
GB2423.3-2006电工电子产品环境试验第2部分：
试验方法试验Cab：
恒定湿热试验（IEC60068-2-78-2001,IDT）
GB2423.10-2008电工电子产品环境试验第2部分:
试验方法试验Fc:
振动（正弦）
GB/T4208-2008外壳防护等级（IP代码）
GB/T5169.11电工电子产品着火危险试验第11部分：
灼热丝/热丝基本试验方法成品的灼热丝可燃性试验方法（IEC60695-11-2000,IDT ）
GB/T16935.1-2008低压系统内设备的绝缘配合第1部分：
原理、要求和试验
GB/T17626.2-1998电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验（ IEC61000-4-2-2001,IDT ）
GB/T17626.3-2006电磁兼容试验和测量技术射频电磁场辐射抗扰度试验（IEC61000-4-3-2002,IDT ）
GB/T17626.4-1998电磁兼容试验和测量技术电快速瞬变脉冲群抗扰度试验（ IEC61000-4-4-95,IDT ）
GB/T17626.5-1999电磁兼容试验和测量技术浪涌（冲击）抗扰度试验（IEC61000-4-5-95,IDT ）
GB/T17626.11-1999电磁兼容试验和测量技术电压暂降、短时中断和电压变化的抗扰度试验（ IEC61000-4-11-94,IDT ）
GB/T17626.12-1998电磁兼容试验和测量技术振荡波抗扰度试验（IEC61000-4-12-95,IDT ）
DL500-92电压监测仪订货技术条件
DL/T614-2007多功能电能表（NEQ.IEC61038-1990）
DL/T645-2007多功能电能表通信协议
DL/T698.31-2008电能信息采集与管理系统第3－1部分电能信息采集终端技术规范－通用要求
DL/T698.35-2008电能信息采集与管理系统第3－5部分电能信息采集终端技术规范－低压集中抄表监测仪特殊要求
DL/T698.41-2008电能信息采集与管理系统第4－1部分通信协议－主站与电能信息采集终端通信
DL/T790.31-2001采用配电线载波的配电自动化第3部分：
配电线载波信号传输要求第1篇：
频带和输出电平（IEC61334-3-1-1998,IDT ）
JB/T6214-1992仪器仪表：
可靠性验证试验及测定试验（指数分布）导则
YD/T1028800MHzCDMA数字蜂窝移动通信系统设备总技术规范:
移动台部分
YD/T1050800MHzCDMA数字蜂窝移动通信网设备总测试规范：
移动台部分
YD/T1214900/1800MHzTDMA数字蜂窝移动通信网通用分组无线业务（GPRS）设备技术要求：
移动台
YD/T1215900/1800MHzTDMA数字蜂窝移动通信网通用分组无线业务（GPRS）设备测试方法：
移动台
《国家电网公司电力系统电压质量和无功电力管理规定》（国家电网生[2004]203号文）
《XX省电力公司城市电网电压质量监测管理规定》（苏电生[2006]108号文）
《XX电网配变监测计量终端数据传输规约》（苏电生[2006]1184号
GB12325-1990电能质量供电电压允许偏差
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