湖北大廣南高速公路電力監控系統的設計與應用

摘要：

本文介紹G45大慶至廣州高速公路湖北黃石至通山段高速公路電力監控系統，系統采集400V多功能電力儀表、400V進出線開關狀態、變壓器溫控儀、10kV微機保護裝置、EPS、發電機等各類設備參數、開關信號并可進行遠程控制。系統采用光纖環網的方式，通過QDLPort通信機、QDL9000組態軟件實現配電室配電回路用電的實時監控和管理。

概述

G45大慶至廣州高速公路湖北黃石至通山段高速公路（簡稱“湖北大廣南高速”）是國家高速公路“7918”網南北向的縱5線大慶至廣州公路在湖北境內的最南段，也是湖北省“六縱五橫一環”公路主骨架的重要組成部分。它的建設，標志著大廣通道在湖北省267公里即將全部建成，完善了湖北省高速公路主骨架，可以使已建成的各路段充分發揮效益，對進一步改善鄂東南的投資環境，帶動貧困地區脫貧，促進促進武漢城市圈“兩型社會改革試驗區”的建設和沿線地區經濟發展等具有重要意義。

湖北大廣南高速共有9條隧道，設置了8個變電所、4臺箱變。全線共部署了兩套QDL9000電力監控系統，于2012年6月順利驗收。

東方山隧道：10kV高壓柜13臺、變壓器1臺、低壓配電柜4臺、發電機1臺、EPS2套、隧道地埋變16臺。電力監控系統共部署了14臺QDLPort通信機，接入了53臺各類測控設備。

長樂山隧道：10kV高壓柜4臺、變壓器1臺、低壓配電柜9臺、發電機1臺、EPS1套。電力監控系統共部署了1臺QDLPort通信機，接入了56臺各類測控設備。

馬鞍山隧道：10kV環網柜2臺、變壓器1臺、低壓配電柜6臺、發電機1臺。電力監控系統共部署了1臺QDLPort通信機，接入了9臺各類測控設備。

丁家山隧道：變電所2座，10kV高壓柜8臺、變壓器2臺、低壓配電柜16臺、發電機2臺、EPS2套。電力監控系統共部署了2臺QDLPort通信機，接入了66臺各類測控設備。

張海灣隧道：10kV環網柜2臺、變壓器1臺、低壓配電柜5臺、發電機1臺。電力監控系統共部署了1臺QDLPort通信機，接入了6臺各類測控設備。

白人巖隧道：10kV環網柜3臺、變壓器1臺、低壓配電柜5臺、發電機1臺。電力監控系統共部署了1臺QDLPort通信機，接入了6臺各類測控設備。

紫荊山隧道：變電所2座，10kV高壓柜17臺、變壓器2臺、低壓配電柜8臺、發電機2臺、EPS3套、隧道地埋變14臺。電力監控系統共部署了12臺QDLPort通信機，接入了53臺各類測控設備。

盤田隧道：10kV環網柜2臺、變壓器1臺、低壓配電柜5臺、發電機1臺。電力監控系統共部署了1臺QDLPort通信機，接入了6臺各類測控設備。

鄂贛隧道：10kV高壓柜14臺、變壓器1臺、低壓配電柜4臺、發電機1臺、EPS2套、隧道地埋變15臺。電力監控系統共部署了14臺QDLPort通信機，接入了50臺各類測控設備。

軸流風機房：10kV高壓柜4臺、變壓器1臺、低壓配電柜11臺。電力監控系統共部署了1臺QDLPort通信機，接入了22臺各類測控設備。

設計說明

電力監控系統對各隧道室內變電所變配電系統（包括10kV進線回路、10kV饋出回路、0.4kV進線回路、0.4kV雙電源切換柜、低壓母聯斷路器柜、無功功率補償柜、射流風機回路、EPS、UPS、變壓器及其它智能電氣設備運行狀態）進行保護和監控。

1.系統說明

電力監控系統應采用設備分散設置、高速光纖通訊、隧道管理站控制和管理的模式。各變電所均設智能通信管理機1套，現場的保護和監控裝置與智能通信管理機之間采用屏蔽雙絞線連接，并通過RS232/RS485口通訊；智能通信管理機與隧道管理站內電力監控工作站通過隧道內以太網交換機構成的以太網冗余光纖環網通訊。

（1）分層分布式體系結構

系統結構基于冗余、分散、分層分布式設計思想，系統分為主控層、通信管理層、設備層。微機保護測控裝置依據保護對象分布在開關柜上，獨立完成保護功能；系統網絡或通訊發生故障不影響現場微機保護測控裝置的保護功能。現場的遙信量、遙測量、控制、保護動作等信息均通過現場保護或測控單元采集處理，并以數字式信息上傳前端機和后臺機。前端機完成現場監視和控制，并實現通信規約轉換和故障診斷功能。后臺主機完成全系統監控和各種管理功能，并能夠實現與其它智能系統通信。

（2）系統模塊化的設計理念

后臺系統監控管理功能采用模塊化的設計思想，各功能管理模塊如柜圖監控環境、圖形監控環境、動態趨勢環境、告警查詢、動態報表、邏輯關系、負荷管理等均可獨立運行于不同的工作站上，也可同時運行于一臺主機上，各部分之間不相互影響。模塊化的設計思想提高了系統的可靠性。

（3）保護、測控設備

系統應采用智能型保護設備就地完成保護功能，減少二次接線，減少安裝工作量，從而提高系統可靠性。測控設備應采用智能型，具有數據采集的高度精確性。采集的數據包括：模擬量（電壓、電流、有功、無功、功率等），數字量（電能電度量等）、頻率、溫度量和狀態量（開關分合狀態以及事故信號等）。智能保護、測控裝置應采用屏蔽雙絞電纜與前端機通訊，抗干擾能力強。

2.系統平臺

系統應以Windows NT或Windows 2000/2003/XP作為操作系統平臺，以大型商用數據庫SQL_SERVER為基礎，采用客戶/服務器模式及分布式處理等技術實現。應兼容TCP/IP網絡通訊規約和MODBUS等通訊規約。系統應采用專用電力監控組態軟件，全漢化的操作監視界面。系統功能應嚴格遵循電力系統行業標準，支持特殊的功能模塊，實現正常測量和監視、事故過程記錄與分析、開關操作、數據存儲、處理、共享等全部功能。

3.電力監控系統主要功能

（1）數據采集與處理

實時采集模擬量、開關量、數字量、溫度量、脈沖量以及各類事件信息。對實時數據進行統計、分析及計算。包括以下功能：

·實時計算各線路的功率因數；

·實時計算各線路的有功、無功功率值；

·實時計算每日、每月各條線路的有功、無功最大、最小及平均值；

·計算每日、每月母線電壓最高、最低與平均值。

（2）報警處理

置預告信號和事故信號，并產生不同的音響報警及閃光，自動推出相應畫面，對應事故、故障設備的圖形發生閃動變位，窗口提示事件內容及處理指導。報警信號可在監控主機上人工確認復歸。報警同時啟動事件打印輸出功能。

·預告信號：包括線路過負荷、系統自診斷故障、母線電壓越限、電流越限、變壓器溫度越限等。

·事故信號：包括保護裝置動作、開關變位。

（3）事故追憶顯示畫面

保護動作發生時，系統自動啟動相關的測量數據記錄，供系統進行事故追憶，可任意選擇想要查看的事故追憶數據。

·接線圖：包括開關位置和各實時電量信息。圖形包括一次接線圖、二次接線圖、所用電系統圖、直流系統圖、保護監控配置圖、通訊結構圖、報警信號圖、地理位置信息圖等圖形，可根據業主需要繪制各種圖形；

·工況圖：包括日常數據、電度顯示、選點召喚等畫面；可顯示整個系統各計算機的工作狀態圖；可顯示系統中保護監控裝置的工作狀態；

·棒圖：包括電流棒、負荷棒圖等實時刷新顯示圖形；

·曲線畫面：包括電壓曲線、電流曲線、負荷曲線等；

·一覽表：包括事故信號一覽表、故障信號一覽表、操作信號一覽表、保護定值一覽表等。

（4）遙測、遙信、遙控、遙調四遙遠動功能

·支持CDT、Polling等多種遠動規約，按照電力部門的運行要求與電力調度中心通信；

·通過鍵盤、鼠標即可執行對站內斷路器的控制調節；

·多級口令，各項操作均有確認信息，經確認方能動作；

·控制優先權級別為：就地操作，遠方監控主機操作，遠方調度操作。

（5）歷史數據存儲。

系統主站設有歷史數據庫，記錄周期可設定，保留全部監測量：一日24小時、一月內每日和一年內每月的統計數據；以及重要事故、操作記錄保存的時間，各歷史數據及在線查詢、顯示，保存時間可在線修改。全站的數據至少保存兩年。

（6）報表功能

提供功能強大、靈活自如的報表編輯工具；所見即所得并可自動生成；提供典型報表模板；支持定時和隨機兩種打印方式，隨機打印是自動記錄故障、事故情況下操作時的事件，并響應手動選擇的各打印功能，定時打印是專用于定時報表的打印。主要功能有：

·現場工況打印；

·事故、故障及操作控制項目的自動打印，成組或選擇打印；

·負荷曲線、趨勢曲線打印；

·歷史數據選擇打印；

·運行日志，包括日報表、月報表打印；

·各種隨機選擇打印；

·屏幕拷貝打印；

·可根據實際需要制定各種復雜的報表。

（7）生成與修改

·開關量輸入、遙控量輸出的定義及修改；

·人工參數的置入、模擬圖及相關圖的生成修改；

·打印報表自動生成及修改。

（8）運行及配電管理功能

系統具有交接班記錄、運行記錄、操作票管理記錄、檢修維護記錄、技術資料管理記錄、設備管理記錄、繼電保護定值管理記錄等功能。

（9）系統自診斷及自恢復

系統具有自診斷及自恢復功能

（10）故障錄波和諧波分析系統

（11）權限管理

·調度操作權限管理；

·調度員操作密碼管理；

·調度操作過程再現。

4.電力監控系統技術指標

（1）可用性

系統的設計充分考慮了在整個工程環境中的不同因素，以保證在現場安裝調試后立即適用并進入穩定可靠運行，系統年可用率大于99.99%。

（2）可維護性

系統的硬件、軟件設備便于維護，各部件均具有自檢和聯機診斷校驗的能力。軟件有備份，便于工程師安裝啟動，應用程序易于擴充。

（3）可靠性

系統在工程現場運行具有很高的可靠性，其平均無故障時間MTBF≥50000h。

（4）容錯能力

軟、硬件設備具有良好的容錯能力，當各軟、硬件功能與數據采集處理系統的通訊出錯，以及當運行人員或工程師在操作過程中發生一般性錯誤時，均不影響系統的正常運行。對意外情況引起的故障，系統具備恢復能力。

（5）安全性

正常情況下，硬件和軟件設備的運行均不會危及變電所的安全穩定運行和工作人員的安全。

（6）抗電磁干擾能力

系統具有足夠的抗電磁干擾能力，符合IEC標準，確保在變電所中的穩定運行。

（7）主要技術參數

·主要模擬量測量精度誤差 ≤0.2%

·主要模擬量測量數值在數據庫中的更新時間 ≤1s

·狀態量變位在數據庫中的反映時間 ≤1s

·SOE分辨率 ≤1ms

·畫面實時調用響應時間 ≤2s

·畫面實時數據刷新周期 ≤1s

·告警產生時間 ≤1s

·控制命令回答響應時間 ≤1s

·控制命令執行響應時間 ≤1s

·系統平均無故障時間(MTBF) ≥50000h

·系統抗電磁干擾能力 符合IEC標準

·系統主要控制設備容錯能力 環網

·系統可維護性 優,設備帶自檢功能

·系統網絡層可擴展性 以太網無限擴展

5.網絡結構

下陸監控中心

鄂贛監控中心

系統方案

慶德隆QDL9000系統根據湖北大廣南高速電力監控系統現場實際情況，網絡結構采用屏蔽雙絞線將變電所智能儀表接至QDLPort通信機，通過以太網將數據上至配電室的監控主機，確保電力監控系統傳輸的穩定性與實時性。

1.站控管理層

站控管理層針對電力監控系統的管理人員，是人機交互的直接窗口。在湖北省食品質量安全監督檢驗研究院電力監控系統工程中主要指位于地下一層配電室的監控主機。

2.網絡通訊層

通訊層主要是由光纖收發器、視頻光端機、單模光纖、QDLPort通信機、以太網交換機設備及485總線網絡組成。QDLPort通信機主要功能是接入變電所內各類智能儀表，并解析上傳數據或下發通信數據，；以太網設備及485總線網絡的主要功能是實現分站與主站之間的數據交互，使配電系統管理集中化、信息化、智能化，提高了配電系統的安全性、可靠性和穩定性，真正達到了無人值守的目的。

3.現場設備層

現場設備層是數據采集終端，主要由智能儀表組成，智能儀表通過屏蔽雙絞線RS485接口，采用MODBUS通訊協議總線型連接接入QDLPort通信機，與監控主機進行組網，實現遠程監控的功能。

系統功能

1.網絡結構圖

2.系統界面

慶德隆QDL9000電力監控系統人機界面友好，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態。系統實時監測各回路電壓、電流、功率、功率因數、電能等電參數信息，動態監視各配電回路斷路器、隔離開關、地刀等合、分狀態，以及有關故障、告警等信號。

主要功能：一次圖顯示各回路對應回路名稱、電流、電壓、總有功功率、總功率因數，斷路器、地刀、隔離開關等合分位狀態，彈簧儲能狀態、手車位置狀態。

系統界面如下圖所。

3.報表功能

慶德隆QDL9000電力監控系統對電力參數進行存儲和管理，電力參數分為實時顯示參數和歷史參數。所有實時采集的數據、順序事件記錄等均可保存到數據庫，在查詢界面中能夠自定義需要查詢的參數、指定時間或選擇查詢近更新的記錄數據等，并通過報表方式顯示出來。

主要功能：查詢各回路或者設備指定時間的運行參數，報表中顯示電參量信息包括三相電流、三相電壓、總功率因數、總有功功率、總無功功率、四象限電能等。電參量報表支持導出Excel格式文件，還可以根據用戶要求導出PDF格式文件。

報表功能如下圖所示。

4.曲線功能

慶德隆QDL9000電力監控系統對支持電參量曲線功能，曲線分為實時曲線及歷史曲線，支持同一界面顯示多條曲線并以不同顏色進行區分。曲線記錄最大值、最小值及平均值，以及極值發生的時間。

曲線功能如下圖所示。

5.報警及事件

實時報警

實時報警窗口監測系統所采集的遙測量。報警窗口會在系統運行時自動打開，并一直隱藏在后臺。

當有電流或者電壓越限，并且觸及報警界限時，“相應實時報警”窗口就會自動彈出，并以紅色字體顯示具體的報警信息：回路名、越限的電參量、報警值等。

歷史報警

通過設置開始時間和結束時間，即可查詢到過去任意時間段內的系統報警信息，包括遙測報警和遙信報警，還包括具體的報警時間，報警類型，報警內容等。

6.遙控功能

慶德隆QDL9000電力監控系統支持遠程控制功能，在監控主機上通過管理員權限對變電所內的開關進行遠程分合閘操作。

遙控功能界面如下圖所示。

7.用戶管理

慶德隆QDL9000電力監控系統有完善的用戶管理功能，避免越權操作。

每一級權限對應相應的控制權限，最多可設置多級不同權限，并記錄權限用戶的操作。

管理員具有最高的權限，并可以對其他用戶或者計算機的權限進行設置；

用戶或者計算機被設置了權限之后只能在權限規定的范圍內操作或者瀏覽，權限范圍以外的功能都將被禁止；

所有用戶的操作都將被系統日志記錄下來，包括操作時間、操作類型、操作對象、操作結果等等信息。

用戶管理界面如下圖所示。

結束語

隨著社會經濟的發展，用電需求劇增，供配電安全至關重要，供配電智能化管理的需求日益增大。

本文介紹的QDL9000電力監控系統在湖北大廣南高速的應用，可以實現對配電室供配電回路用電的實時監控。通過智能儀表、QDLPort通信機、計算機等組成電力監控系統不僅能顯示回路用電狀況，還具有實時告警、故障分析、事件追憶等實用功能。在日常運維過程中，為解決用電問題提供了真實可靠的依據，取得了較好的經濟效益及安全保障。

審核編輯：符乾江