高速公路电力监控系统的设计与应用

高速公路电力监控系统的设计与应用

高速公路电力系统运行的稳定是高速公路通信系统、收费系统、监控系统正常运行的重要因素，为了解决收费站配电房采用电工值守维护管理模式效率低、成本高的问题，通过论证和比较，中江高速公路全线7个收费站配电房采用通用公司最新的电力监控模块和应用软件，组成了电力遥测、遥信、遥控的自动监控系统，下面详细的介绍该系统的体系结构、硬件设备及其功能和功能模块的划分。

系统的体系结构

高速公路电力监控系统采用分层分布式系统结构，整个监控系统按照功能划分为站控层网络和间隔层网络，采用10/100 BASE-T以太网组成骨干网，以充分保证系统通信时的实时性和抗干扰性。其结构示意图如下图1所示。

图1 高速公路电力监控系统体系结构示意图

其中RTU为远程智能通信控制器，RTU各单元之间采用现场总线组成底层通信网络。由于采用了现场总线组网，使得网络具备了数据传输效率高、传输速率快。即使某个智能测控节点出现故障也不会影响整个网络的正常运行。

现场数据采集和控制设备为ICU，电流变送器、电压变送器等传感器信号送至ICU。由于ICU单元自带CPU，信号采集周期短、实时性强、系统冗余度高，通信时为短祯传送，减少了通信时的误码率。ICU通过智能通信控制器RTU相连，实现数据的双向传送。

站控层网络主要通过通信管理主机与远程监控中心相连，实现数据的远程交换。

系统主要硬件设备及其功能

按照硬件设备成熟可靠,软件技术先进的原则,在实际运用中采用GE D25多功能智能装置作为监控系统通信管理机，GE MIF微机保护测控装置作为10kV间隔保护装置，GE PLC实现低压系统三遥功能，提供一整套高速公路变电站监控系统解决方案。

——监控系统通信管理机
监控系统中通信管理机的是采用GE公司的生产的D25多功能智能设备。D25采用了高速、低功耗、低噪音、高可靠性、超大规模CMOS控制器件和可编程阵列技术，具有更高的灵活性，并减少了逻辑线路。D25采用了标准的开放式的软件平台。从整个系统性能和功能来看，配置D25是优于使用工控机作为通信管理机的系统方案。

D25还具有GE 公司最新研制开发出来的智能交流I/O单元，它综合了全世界不同厂家I/O单元的特点，以及GE公司生产的设备自身设备的优点。在与保护设备通讯，就地操作闭锁，数据采集控制上都有独特之处，其中CPU采用32位Motorola 68360，而且还有专门的数字信号处理器DSP芯片，交流信号每个周波采样为64次，精度为0.2%，并可测量最高21次的谐波。D25另外还有两个IED通信口，可直接同其他IED设备接口，完成对其他IED设备I/O数据采集和控制功能。

D25具有测量、状态监视、控制和通讯等功能集于一身的装置。D25作为一个智能测控装置已被用作开关站、发电厂站间隔层测控及配电网的通信管理测控单元。D25能适用各种分离的输入点，如状态/数字量输入，SOE，脉冲累加器，AC或DC模拟量输入以及控制/数字量输出，通讯灵活，具有两个RS232串行口，和两个以太网LAN （DNP/UDP/IP）通讯接口，两个同其他IED的通信接口。

D25装置可支持直接上网功能，这样就很好地解决了变电站监控系统前端数据采集量大，当通过串行口与后台机通讯时，因数据量大，通信任务重，实时性差等缺点。D25直接上网的传送速率已达到了10MB/s，从而可靠地保证本系统实时性能。

—— 10kV间隔层保护测控装置
10kV间隔层进线、变压器配置的GE MIF数字型间隔管理装置，提供10kV各间隔所需的保护、测控及通信功能。在与监控系统通信方面，采用现场总线网络方式，通过网络适配器经光纤接入站控层网络。MIF是M系列的一种基于微处理器的保护继电器。用于任何电压等级配电网络馈电线路的主保护，也可以作为变压器、发电机和电动机的后备或辅助保护。基本保护功能包括三相延时过流，相瞬时过流，接地延时过流，接地瞬时过流和模拟发热保护。每个保护元件可以通过面板或通讯选择为enabled（可用）。灵活的整定，可选的ANSI或IEC曲线，再加上用户可配置的过流曲线，保证了与其他智能设备的精确配合。

——低压部分测控系统配置
在低压配电系统中，我们采用美国GE Fanuc PLC集成的LCU自动化系统，实现低压系统遥控、遥信和遥测功能。根据低压测控系统三遥功能要求，配电柜的每个回路要进行测控的情况如下：每个回路的单相或三相电流，每个回路的4个遥信、2个遥控。这样，GE PLC 相应灵活地可以配置模拟量输入模块、开关量输入模块及开关量输出模块，实现高速公路配电站的具体要求。

系统设计的功能模块的划分

在电力系统中，控制系统有如下功能：数据的采集、信息显示、监控、报警处理、信息数据报表和数据的处理计算。通过将系统功能模块进行划分，使得各个模块之间相互独立，以提高系统的可靠性。

——数据采集
数据采集过程其实是一些专用及高度相关子过程的过程集。这些子过程为:
（1） 对RTU内部数据库的查询及快速修改;
（2） 通信管理主机周期性地对RTU进行查询;
（3） 把控制中心所需的RTU数据传送给控制中心;
（4） 校核因传送所引起的数据错误;
（5） 把数据换算为工程单位;
（6） 通过写入来覆盖数据库中的原有状态或数据。

——信息显示
信息显示信息显示是有选择地检索数据库中固定数据及实时数据,并将其组合、提供给运行人员的过程。固定数据包括变电站、配电接线图的信息及其他不随时间变化可显示信息。实时数据包括二态或三态设备的状态和数量变化并可能带有符号的模拟量，主要有：测量电流、母线和线路的线电压、有功功率、有功电度、功率因数、频率等数据。

——监控模块
监控是指在远方操纵设备运行的过程。这个过程包括:变电站的选择,被控设备的选择以及执行断开或闭合这样的命令。正确的选择和操作是保障人身安全及电力系统安全的关键。用此需采用选择确认选择操作的操作顺序(简称为“操作前校核”)。必须避免未被选中设备的操作,或未发命令就进行错误操作的情况发生,这是监控及数据采集系统中一个重要的设计环节。这种控制形式需要运行人员从计算机输入设定数值,作为对外部设备及控制回路按比例整定的模拟量输出,或一个RTU的限量。这种控制方式一般常用于负荷监控。

——报警处理
报警处理警告运行人员发生了异常事件并报告发生的时间、站号、设备和事件的实质。处理方法的细节大都作为监控及数据采集系统设计制造该系统中的一个功能块。最常用的报警处理输出是按时间先后排列显示在CRT报警表中,打印机硬拷贝输出和语言报警。运行人员确认报警之后,并把运行状态直接转到与其相关的运行位置,实现重要的人工干预。

——信息数据报表和数据的处理计算
信息存储及报告记录保存运行过程中的状态、数据是电力系统运行中的一个重要任务。需要精确记录满足各种统计要求,支持和预测系统未来运行情况及用电规划方面的需求。记录保存的一般实现方法是按一定的周期间隔获取预先选定的数据集,并把它们保存在一个滚动文件中。存储周期常被设定为1h,但有些特殊的配电系统要更频繁地获取和保存信息。监控及数据采集系统中的历史文件为产生各种报表、报告提供了一个极为有效的数据、状态信息流。可在保存历史数据文件的基础上设置各种报表格式,如日、月、年报表,以满足用户最终需求。

数据计算处理需要不断利用所采集的数据进行各种计算。其中包括工程量转换,在给定时间间隔内最大或最小值的计算,以及对时间的积分。对大变压器组进行负荷监控,就是一个计算过程实例,通过数据处理的这一过程，能确定高速公路供电系统中某些部分的特殊状态,如断路器的通断状态。

结论

实现整个高速公路供电网络实时、可靠、灵活、高效是广大用户和设计者所追求的目标。本文所设计的电力自动监控系统。能在无人管理的情况下工作，模拟量测量综合误差小于0.5%，事件顺序记录分辨率(SOE)小于2ms，遥控动作成功率大于99.99%，系统平均无故障间隔时间(MTBF)大于20000h，完全满足当前高速公路供配电的需求。在处理远程通信任务时，一方面现场控制系统向远程控制中心发送遥信及报警数据和遥测及控制数据，另一方面本地监控系统也接受远程中心发送的遥控命令，根据发送来的命令执行相应的操作，为了保证数据的可靠和安全，在设计中采CRC（循环冗余效验）系统来保证通信的准确率。设计的同时还考虑到系统的冗余，以备将来系统的扩展。

该系统是一套融合现代电网最新控制技术、计算机网络通信技术、计算机图形处理技术、嵌入型实时操作系统和数据库系统技术、专家系统技术的电力控制系统，中江高速公路通过采用这套电力监控系统实现了对收费站配电房供电系统运行情况的远程监控和无人值守，为高速公路的收费系统、监控系统和通信系统提供了安全、稳定的电力保障。