高速公路電力監控系統的設計與應用

高速公路電力系統運行的穩定是高速公路通信系統、收費系統、監控系統正常運行的重要因素，為了解決收費站配電房采用電工值守維護管理模式效率低、成本高的問題，通過論證和比較，中江高速公路全線7個收費站配電房采用通用公司最新的電力監控模塊和應用軟件，組成了電力遙測、遙信、遙控的自動監控系統，下面詳細的介紹該系統的體系結構、硬件設備及其功能和功能模塊的劃分。

系統的體系結構

高速公路電力監控系統采用分層分布式系統結構，整個監控系統按照功能劃分為站控層網絡和間隔層網絡，采用10/100 BASE-T以太網組成骨干網，以充分保證系統通信時的實時性和抗干擾性。其結構示意圖如下圖1所示。

圖1 高速公路電力監控系統體系結構示意圖

其中RTU為遠程智能通信控制器，RTU各單元之間采用現場總線組成底層通信網絡。由于采用了現場總線組網，使得網絡具備了數據傳輸效率高、傳輸速率快。即使某個智能測控節點出現故障也不會影響整個網絡的正常運行。

現場數據采集和控制設備為ICU，電流變送器、電壓變送器等傳感器信號送至ICU。由于ICU單元自帶CPU，信號采集周期短、實時性強、系統冗余度高，通信時為短禎傳送，減少了通信時的誤碼率。ICU通過智能通信控制器RTU相連，實現數據的雙向傳送。

站控層網絡主要通過通信管理主機與遠程監控中心相連，實現數據的遠程交換。

系統主要硬件設備及其功能

按照硬件設備成熟可靠,軟件技術先進的原則,在實際運用中采用GE D25多功能智能裝置作為監控系統通信管理機，GE MIF微機保護測控裝置作為10kV間隔保護裝置，GE PLC實現低壓系統三遙功能，提供一整套高速公路變電站監控系統解決方案。

——監控系統通信管理機
監控系統中通信管理機的是采用GE公司的生產的D25多功能智能設備。D25采用了高速、低功耗、低噪音、高可靠性、超大規模CMOS控制器件和可編程陣列技術，具有更高的靈活性，并減少了邏輯線路。D25采用了標準的開放式的軟件平臺。從整個系統性能和功能來看，配置D25是優于使用工控機作為通信管理機的系統方案。

D25還具有GE 公司最新研制開發出來的智能交流I/O單元，它綜合了全世界不同廠家I/O單元的特點，以及GE公司生產的設備自身設備的優點。在與保護設備通訊，就地操作閉鎖，數據采集控制上都有獨特之處，其中CPU采用32位Motorola 68360，而且還有專門的數字信號處理器DSP芯片，交流信號每個周波采樣為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IED通信口，可直接同其他IED設備接口，完成對其他IED設備I/O數據采集和控制功能。

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

D25裝置可支持直接上網功能，這樣就很好地解決了變電站監控系統前端數據采集量大，當通過串行口與后臺機通訊時，因數據量大，通信任務重，實時性差等缺點。D25直接上網的傳送速率已達到了10MB/s，從而可靠地保證本系統實時性能。

—— 10kV間隔層保護測控裝置
10kV間隔層進線、變壓器配置的GE MIF數字型間隔管理裝置，提供10kV各間隔所需的保護、測控及通信功能。在與監控系統通信方面，采用現場總線網絡方式，通過網絡適配器經光纖接入站控層網絡。MIF是M系列的一種基于微處理器的保護繼電器。用于任何電壓等級配電網絡饋電線路的主保護，也可以作為變壓器、發電機和電動機的后備或輔助保護。基本保護功能包括三相延時過流，相瞬時過流，接地延時過流，接地瞬時過流和模擬發熱保護。每個保護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備的精確配合。

——低壓部分測控系統配置
在低壓配電系統中，我們采用美國GE Fanuc PLC集成的LCU自動化系統，實現低壓系統遙控、遙信和遙測功能。根據低壓測控系統三遙功能要求，配電柜的每個回路要進行測控的情況如下：每個回路的單相或三相電流，每個回路的4個遙信、2個遙控。這樣，GE PLC 相應靈活地可以配置模擬量輸入模塊、開關量輸入模塊及開關量輸出模塊，實現高速公路配電站的具體要求。

系統設計的功能模塊的劃分

在電力系統中，控制系統有如下功能：數據的采集、信息顯示、監控、報警處理、信息數據報表和數據的處理計算。通過將系統功能模塊進行劃分，使得各個模塊之間相互獨立，以提高系統的可靠性。

——數據采集
數據采集過程其實是一些專用及高度相關子過程的過程集。這些子過程為:
（1） 對RTU內部數據庫的查詢及快速修改;
（2） 通信管理主機周期性地對RTU進行查詢;
（3） 把控制中心所需的RTU數據傳送給控制中心;
（4） 校核因傳送所引起的數據錯誤;
（5） 把數據換算為工程單位;
（6） 通過寫入來覆蓋數據庫中的原有狀態或數據。

——信息顯示
信息顯示信息顯示是有選擇地檢索數據庫中固定數據及實時數據,并將其組合、提供給運行人員的過程。固定數據包括變電站、配電接線圖的信息及其他不隨時間變化可顯示信息。實時數據包括二態或三態設備的狀態和數量變化并可能帶有符號的模擬量，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、頻率等數據。

——監控模塊
監控是指在遠方操縱設備運行的過程。這個過程包括:變電站的選擇,被控設備的選擇以及執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安全的關鍵。用此需采用選擇確認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備的操作,或未發命令就進行錯誤操作的情況發生,這是監控及數據采集系統中一個重要的設計環節。這種控制形式需要運行人員從計算機輸入設定數值,作為對外部設備及控制回路按比例整定的模擬量輸出,或一個RTU的限量。這種控制方式一般常用于負荷監控。

——報警處理
報警處理警告運行人員發生了異常事件并報告發生的時間、站號、設備和事件的實質。處理方法的細節大都作為監控及數據采集系統設計制造該系統中的一個功能塊。最常用的報警處理輸出是按時間先后排列顯示在CRT報警表中,打印機硬拷貝輸出和語言報警。運行人員確認報警之后,并把運行狀態直接轉到與其相關的運行位置,實現重要的人工干預。

——信息數據報表和數據的處理計算
信息存儲及報告記錄保存運行過程中的狀態、數據是電力系統運行中的一個重要任務。需要精確記錄滿足各種統計要求,支持和預測系統未來運行情況及用電規劃方面的需求。記錄保存的一般實現方法是按一定的周期間隔獲取預先選定的數據集,并把它們保存在一個滾動文件中。存儲周期常被設定為1h,但有些特殊的配電系統要更頻繁地獲取和保存信息。監控及數據采集系統中的歷史文件為產生各種報表、報告提供了一個極為有效的數據、狀態信息流。可在保存歷史數據文件的基礎上設置各種報表格式,如日、月、年報表,以滿足用戶最終需求。

數據計算處理需要不斷利用所采集的數據進行各種計算。其中包括工程量轉換,在給定時間間隔內最大或最小值的計算,以及對時間的積分。對大變壓器組進行負荷監控,就是一個計算過程實例,通過數據處理的這一過程，能確定高速公路供電系統中某些部分的特殊狀態,如斷路器的通斷狀態。

結論

實現整個高速公路供電網絡實時、可靠、靈活、高效是廣大用戶和設計者所追求的目標。本文所設計的電力自動監控系統。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，遙控動作成功率大于99.99%，系統平均無故障間隔時間(MTBF)大于20000h，完全滿足當前高速公路供配電的需求。在處理遠程通信任務時，一方面現場控制系統向遠程控制中心發送遙信及報警數據和遙測及控制數據，另一方面本地監控系統也接受遠程中心發送的遙控命令，根據發送來的命令執行相應的操作，為了保證數據的可靠和安全，在設計中采CRC（循環冗余效驗）系統來保證通信的準確率。設計的同時還考慮到系統的冗余，以備將來系統的擴展。

該系統是一套融合現代電網最新控制技術、計算機網絡通信技術、計算機圖形處理技術、嵌入型實時操作系統和數據庫系統技術、專家系統技術的電力控制系統，中江高速公路通過采用這套電力監控系統實現了對收費站配電房供電系統運行情況的遠程監控和無人值守，為高速公路的收費系統、監控系統和通信系統提供了安全、穩定的電力保障。