高速公路電力監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

高速公路電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定是高速公路通信系統(tǒng)、收費(fèi)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要因素，為了解決收費(fèi)站配電房采用電工值守維護(hù)管理模式效率低、成本高的問題，通過論證和比較，中江高速公路全線7個(gè)收費(fèi)站配電房采用通用公司最新的電力監(jiān)控模塊和應(yīng)用軟件，組成了電力遙測、遙信、遙控的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，下面詳細(xì)的介紹該系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)備及其功能和功能模塊的劃分。

系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

高速公路電力監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)按照功能劃分為站控層網(wǎng)絡(luò)和間隔層網(wǎng)絡(luò)，采用10/100 BASE-T以太網(wǎng)組成骨干網(wǎng)，以充分保證系統(tǒng)通信時(shí)的實(shí)時(shí)性和抗干擾性。其結(jié)構(gòu)示意圖如下圖1所示。

圖1 高速公路電力監(jiān)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)示意圖

其中RTU為遠(yuǎn)程智能通信控制器，RTU各單元之間采用現(xiàn)場總線組成底層通信網(wǎng)絡(luò)。由于采用了現(xiàn)場總線組網(wǎng)，使得網(wǎng)絡(luò)具備了數(shù)據(jù)傳輸效率高、傳輸速率快。即使某個(gè)智能測控節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障也不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和控制設(shè)備為ICU，電流變送器、電壓變送器等傳感器信號(hào)送至ICU。由于ICU單元自帶CPU，信號(hào)采集周期短、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、系統(tǒng)冗余度高，通信時(shí)為短禎傳送，減少了通信時(shí)的誤碼率。ICU通過智能通信控制器RTU相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳送。

站控層網(wǎng)絡(luò)主要通過通信管理主機(jī)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程交換。

系統(tǒng)主要硬件設(shè)備及其功能

按照硬件設(shè)備成熟可靠,軟件技術(shù)先進(jìn)的原則,在實(shí)際運(yùn)用中采用GE D25多功能智能裝置作為監(jiān)控系統(tǒng)通信管理機(jī)，GE MIF微機(jī)保護(hù)測控裝置作為10kV間隔保護(hù)裝置，GE PLC實(shí)現(xiàn)低壓系統(tǒng)三遙功能，提供一整套高速公路變電站監(jiān)控系統(tǒng)解決方案。

——監(jiān)控系統(tǒng)通信管理機(jī)
監(jiān)控系統(tǒng)中通信管理機(jī)的是采用GE公司的生產(chǎn)的D25多功能智能設(shè)備。D25采用了高速、低功耗、低噪音、高可靠性、超大規(guī)模CMOS控制器件和可編程陣列技術(shù)，具有更高的靈活性，并減少了邏輯線路。D25采用了標(biāo)準(zhǔn)的開放式的軟件平臺(tái)。從整個(gè)系統(tǒng)性能和功能來看，配置D25是優(yōu)于使用工控機(jī)作為通信管理機(jī)的系統(tǒng)方案。

D25還具有GE 公司最新研制開發(fā)出來的智能交流I/O單元，它綜合了全世界不同廠家I/O單元的特點(diǎn)，以及GE公司生產(chǎn)的設(shè)備自身設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)。在與保護(hù)設(shè)備通訊，就地操作閉鎖，數(shù)據(jù)采集控制上都有獨(dú)特之處，其中CPU采用32位Motorola 68360，而且還有專門的數(shù)字信號(hào)處理器DSP芯片，交流信號(hào)每個(gè)周波采樣為64次，精度為0.2%，并可測量最高21次的諧波。D25另外還有兩個(gè)IED通信口，可直接同其他IED設(shè)備接口，完成對其他IED設(shè)備I/O數(shù)據(jù)采集和控制功能。

D25具有測量、狀態(tài)監(jiān)視、控制和通訊等功能集于一身的裝置。D25作為一個(gè)智能測控裝置已被用作開關(guān)站、發(fā)電廠站間隔層測控及配電網(wǎng)的通信管理測控單元。D25能適用各種分離的輸入點(diǎn)，如狀態(tài)/數(shù)字量輸入，SOE，脈沖累加器，AC或DC模擬量輸入以及控制/數(shù)字量輸出，通訊靈活，具有兩個(gè)RS232串行口，和兩個(gè)以太網(wǎng)LAN （DNP/UDP/IP）通訊接口，兩個(gè)同其他IED的通信接口。

D25裝置可支持直接上網(wǎng)功能，這樣就很好地解決了變電站監(jiān)控系統(tǒng)前端數(shù)據(jù)采集量大，當(dāng)通過串行口與后臺(tái)機(jī)通訊時(shí)，因數(shù)據(jù)量大，通信任務(wù)重，實(shí)時(shí)性差等缺點(diǎn)。D25直接上網(wǎng)的傳送速率已達(dá)到了10MB/s，從而可靠地保證本系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能。

—— 10kV間隔層保護(hù)測控裝置
10kV間隔層進(jìn)線、變壓器配置的GE MIF數(shù)字型間隔管理裝置，提供10kV各間隔所需的保護(hù)、測控及通信功能。在與監(jiān)控系統(tǒng)通信方面，采用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)方式，通過網(wǎng)絡(luò)適配器經(jīng)光纖接入站控層網(wǎng)絡(luò)。MIF是M系列的一種基于微處理器的保護(hù)繼電器。用于任何電壓等級配電網(wǎng)絡(luò)饋電線路的主保護(hù)，也可以作為變壓器、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的后備或輔助保護(hù)。基本保護(hù)功能包括三相延時(shí)過流，相瞬時(shí)過流，接地延時(shí)過流，接地瞬時(shí)過流和模擬發(fā)熱保護(hù)。每個(gè)保護(hù)元件可以通過面板或通訊選擇為enabled（可用）。靈活的整定，可選的ANSI或IEC曲線，再加上用戶可配置的過流曲線，保證了與其他智能設(shè)備的精確配合。

——低壓部分測控系統(tǒng)配置
在低壓配電系統(tǒng)中，我們采用美國GE Fanuc PLC集成的LCU自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)低壓系統(tǒng)遙控、遙信和遙測功能。根據(jù)低壓測控系統(tǒng)三遙功能要求，配電柜的每個(gè)回路要進(jìn)行測控的情況如下：每個(gè)回路的單相或三相電流，每個(gè)回路的4個(gè)遙信、2個(gè)遙控。這樣，GE PLC 相應(yīng)靈活地可以配置模擬量輸入模塊、開關(guān)量輸入模塊及開關(guān)量輸出模塊，實(shí)現(xiàn)高速公路配電站的具體要求。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能模塊的劃分

在電力系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)有如下功能：數(shù)據(jù)的采集、信息顯示、監(jiān)控、報(bào)警處理、信息數(shù)據(jù)報(bào)表和數(shù)據(jù)的處理計(jì)算。通過將系統(tǒng)功能模塊進(jìn)行劃分，使得各個(gè)模塊之間相互獨(dú)立，以提高系統(tǒng)的可靠性。

——數(shù)據(jù)采集
數(shù)據(jù)采集過程其實(shí)是一些專用及高度相關(guān)子過程的過程集。這些子過程為:
（1） 對RTU內(nèi)部數(shù)據(jù)庫的查詢及快速修改;
（2） 通信管理主機(jī)周期性地對RTU進(jìn)行查詢;
（3） 把控制中心所需的RTU數(shù)據(jù)傳送給控制中心;
（4） 校核因傳送所引起的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤;
（5） 把數(shù)據(jù)換算為工程單位;
（6） 通過寫入來覆蓋數(shù)據(jù)庫中的原有狀態(tài)或數(shù)據(jù)。

——信息顯示
信息顯示信息顯示是有選擇地檢索數(shù)據(jù)庫中固定數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),并將其組合、提供給運(yùn)行人員的過程。固定數(shù)據(jù)包括變電站、配電接線圖的信息及其他不隨時(shí)間變化可顯示信息。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包括二態(tài)或三態(tài)設(shè)備的狀態(tài)和數(shù)量變化并可能帶有符號(hào)的模擬量，主要有：測量電流、母線和線路的線電壓、有功功率、有功電度、功率因數(shù)、頻率等數(shù)據(jù)。

——監(jiān)控模塊
監(jiān)控是指在遠(yuǎn)方操縱設(shè)備運(yùn)行的過程。這個(gè)過程包括:變電站的選擇,被控設(shè)備的選擇以及執(zhí)行斷開或閉合這樣的命令。正確的選擇和操作是保障人身安全及電力系統(tǒng)安全的關(guān)鍵。用此需采用選擇確認(rèn)選擇操作的操作順序(簡稱為“操作前校核”)。必須避免未被選中設(shè)備的操作,或未發(fā)命令就進(jìn)行錯(cuò)誤操作的情況發(fā)生,這是監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中一個(gè)重要的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。這種控制形式需要運(yùn)行人員從計(jì)算機(jī)輸入設(shè)定數(shù)值,作為對外部設(shè)備及控制回路按比例整定的模擬量輸出,或一個(gè)RTU的限量。這種控制方式一般常用于負(fù)荷監(jiān)控。

——報(bào)警處理
報(bào)警處理警告運(yùn)行人員發(fā)生了異常事件并報(bào)告發(fā)生的時(shí)間、站號(hào)、設(shè)備和事件的實(shí)質(zhì)。處理方法的細(xì)節(jié)大都作為監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造該系統(tǒng)中的一個(gè)功能塊。最常用的報(bào)警處理輸出是按時(shí)間先后排列顯示在CRT報(bào)警表中,打印機(jī)硬拷貝輸出和語言報(bào)警。運(yùn)行人員確認(rèn)報(bào)警之后,并把運(yùn)行狀態(tài)直接轉(zhuǎn)到與其相關(guān)的運(yùn)行位置,實(shí)現(xiàn)重要的人工干預(yù)。

——信息數(shù)據(jù)報(bào)表和數(shù)據(jù)的處理計(jì)算
信息存儲(chǔ)及報(bào)告記錄保存運(yùn)行過程中的狀態(tài)、數(shù)據(jù)是電力系統(tǒng)運(yùn)行中的一個(gè)重要任務(wù)。需要精確記錄滿足各種統(tǒng)計(jì)要求,支持和預(yù)測系統(tǒng)未來運(yùn)行情況及用電規(guī)劃方面的需求。記錄保存的一般實(shí)現(xiàn)方法是按一定的周期間隔獲取預(yù)先選定的數(shù)據(jù)集,并把它們保存在一個(gè)滾動(dòng)文件中。存儲(chǔ)周期常被設(shè)定為1h,但有些特殊的配電系統(tǒng)要更頻繁地獲取和保存信息。監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的歷史文件為產(chǎn)生各種報(bào)表、報(bào)告提供了一個(gè)極為有效的數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息流?？稍诒４鏆v史數(shù)據(jù)文件的基礎(chǔ)上設(shè)置各種報(bào)表格式,如日、月、年報(bào)表,以滿足用戶最終需求。

數(shù)據(jù)計(jì)算處理需要不斷利用所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種計(jì)算。其中包括工程量轉(zhuǎn)換,在給定時(shí)間間隔內(nèi)最大或最小值的計(jì)算,以及對時(shí)間的積分。對大變壓器組進(jìn)行負(fù)荷監(jiān)控,就是一個(gè)計(jì)算過程實(shí)例,通過數(shù)據(jù)處理的這一過程，能確定高速公路供電系統(tǒng)中某些部分的特殊狀態(tài),如斷路器的通斷狀態(tài)。

結(jié)論

實(shí)現(xiàn)整個(gè)高速公路供電網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)、可靠、靈活、高效是廣大用戶和設(shè)計(jì)者所追求的目標(biāo)。本文所設(shè)計(jì)的電力自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。能在無人管理的情況下工作，模擬量測量綜合誤差小于0.5%，事件順序記錄分辨率(SOE)小于2ms，遙控動(dòng)作成功率大于99.99%，系統(tǒng)平均無故障間隔時(shí)間(MTBF)大于20000h，完全滿足當(dāng)前高速公路供配電的需求。在處理遠(yuǎn)程通信任務(wù)時(shí)，一方面現(xiàn)場控制系統(tǒng)向遠(yuǎn)程控制中心發(fā)送遙信及報(bào)警數(shù)據(jù)和遙測及控制數(shù)據(jù)，另一方面本地監(jiān)控系統(tǒng)也接受遠(yuǎn)程中心發(fā)送的遙控命令，根據(jù)發(fā)送來的命令執(zhí)行相應(yīng)的操作，為了保證數(shù)據(jù)的可靠和安全，在設(shè)計(jì)中采CRC（循環(huán)冗余效驗(yàn)）系統(tǒng)來保證通信的準(zhǔn)確率。設(shè)計(jì)的同時(shí)還考慮到系統(tǒng)的冗余，以備將來系統(tǒng)的擴(kuò)展。

該系統(tǒng)是一套融合現(xiàn)代電網(wǎng)最新控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)、嵌入型實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)的電力控制系統(tǒng)，中江高速公路通過采用這套電力監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對收費(fèi)站配電房供電系統(tǒng)運(yùn)行情況的遠(yuǎn)程監(jiān)控和無人值守，為高速公路的收費(fèi)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和通信系統(tǒng)提供了安全、穩(wěn)定的電力保障。