基于以太網(wǎng)的火車站變配電監(jiān)控系統(tǒng)

楊　光，楊志杰

(1．南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院通信學(xué)院，江蘇南京　210023；2．沈陽鐵路局吉林車務(wù)段吉林站設(shè)備車間，吉林吉林　132011)

0　引言

變配電系統(tǒng)包括變電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)兩部分，主要作用是通過變壓器來改變電壓并通過配電設(shè)備向終端用戶分配電能。變配電系統(tǒng)是否能正常運轉(zhuǎn)直接影響整個火車站用電的穩(wěn)定和安全，因此對變配電系統(tǒng)的工作情況進行實時監(jiān)控和管理具有非常重要的意義?，F(xiàn)在被廣泛應(yīng)用的智能監(jiān)控系統(tǒng)就是利用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和遠(yuǎn)程通信技術(shù)，采用遙信、遙控、遙測的方式對變配電系統(tǒng)運行情況進行數(shù)據(jù)采集、傳輸、交換，完成保護、監(jiān)視、報警及診斷記錄等功能，使工作人員不親臨現(xiàn)場就能全面掌握整個車站變配電系統(tǒng)工作狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備故障，快速制定解決方案，縮短停電時間，減少經(jīng)濟損失，并可實現(xiàn)變配電室的無人值守，提高系統(tǒng)可靠性和適應(yīng)性，達到電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化管理的目的。

1　吉林火車站電力系統(tǒng)概況

吉林火車站，屬于大型旅客車站，建筑等級為二級，主要包括東、西兩站房。供電負(fù)荷分三級，一級負(fù)荷為信號、通信、售檢票和安檢設(shè)備、變電所用電、公共區(qū)照明、應(yīng)急照明、公安監(jiān)控、消防設(shè)備用電等。二級負(fù)荷為站房區(qū)照明、自動扶梯、垂直電梯、靜態(tài)標(biāo)識、排水泵、新風(fēng)系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)等。三級負(fù)荷為廣告照明、景觀照明及其它不屬于一二級負(fù)荷的用電設(shè)備。全站負(fù)荷容量東站房為3 242 kW，西站房為3 206 kW，總用電負(fù)荷容量6 448 kW．東、西站房各建一座變電所，分別選用2臺1 600 kVA變壓器，兩站各設(shè)一個10/0．4 kV變配電室。每個變電所由站場10 kV開閉站引兩路相互獨立的10 kV電源，共計4路。各變電所2路10 kV電源的運行方式為正常時，2路電源分列運行，當(dāng)任一路電源故障時，另一路均能承擔(dān)全部一、二級負(fù)荷。

2　變配電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

2．1融合以太網(wǎng)/現(xiàn)場總線的監(jiān)控系統(tǒng)基本設(shè)計思想

該工程設(shè)計的是10/0．4KV電力變配電監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計采用的是分層分布式結(jié)構(gòu)，采用以太網(wǎng)/現(xiàn)場總線方式實現(xiàn)變配電系統(tǒng)信息的傳輸、交換和管理。

2.1.1單純基于現(xiàn)場總線的變配電監(jiān)控系統(tǒng)的不足

現(xiàn)場總線是一種比較流行的工業(yè)數(shù)據(jù)總線，它主要采用標(biāo)準(zhǔn)化的全數(shù)字式通信鏈路在現(xiàn)場設(shè)備之間以及現(xiàn)場設(shè)備與自動化系統(tǒng)之間實行雙向、串行、多結(jié)點的數(shù)字通信技術(shù)。單純基于現(xiàn)場總線的變配電監(jiān)控系統(tǒng)存在著各自動化儀表公司總線標(biāo)準(zhǔn)不一，種類繁多，難以實現(xiàn)現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的有效集成并且監(jiān)控軟件開放度不高等不足，為此決定將以太網(wǎng)引入變配電監(jiān)控系統(tǒng)來解決這一問題。

2.1.2以太網(wǎng)的發(fā)展為在監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了可能性

以太網(wǎng)是當(dāng)前應(yīng)用最普遍的局域網(wǎng)技術(shù)，它具有應(yīng)用廣泛、共享資源能力強、軟硬件資源豐富以及低成本等優(yōu)點。隨著通信技術(shù)的迅速發(fā)展，高速以太網(wǎng)的速率已達到或超過100 Mb/s，并且交換技術(shù)的引入，使信息在傳輸時可以獨占傳輸媒體帶寬，保證了從源端到目的端快速的點到點連接，從而避免了網(wǎng)絡(luò)沖突。由于變配電監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控信息信息量不大，最多幾十個字節(jié)，因此對網(wǎng)絡(luò)傳輸吞吐量要求不高。

2.1.3融合以太網(wǎng)/現(xiàn)場總線的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案

盡管現(xiàn)場總線數(shù)量多，標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，但由于現(xiàn)場需要監(jiān)控的電力設(shè)備數(shù)量大，實時性強，因此采用現(xiàn)場總線作為底層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議會更加節(jié)約工程投資，然后在其上層通過相應(yīng)網(wǎng)關(guān)，將現(xiàn)場總線連到以太網(wǎng)上，從而實現(xiàn)多種現(xiàn)場總線的集成，并能很好的與因特網(wǎng)結(jié)合，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。該監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理是電力調(diào)度員通過以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議將信息指令發(fā)給相應(yīng)網(wǎng)關(guān)，然后由網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場總線協(xié)議后發(fā)給相應(yīng)的監(jiān)控儀表。反之，現(xiàn)場監(jiān)控儀表有消息要發(fā)給監(jiān)控終端時，也要由網(wǎng)關(guān)做協(xié)議轉(zhuǎn)換，通過以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)上傳。

2.2監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)以上設(shè)計思想，對吉林火車站變配電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　吉林火車站變配電監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由圖可知該變配電監(jiān)控系統(tǒng)共分3層，即系統(tǒng)管理層、通訊管理層和現(xiàn)場監(jiān)控層。

(1)現(xiàn)場監(jiān)控層位于車站現(xiàn)場，主要對安裝在車站現(xiàn)場的各種高壓線路保護單元、各類低壓饋線以及直流屏、信號屏、變壓器溫控器及功率因數(shù)控制器等的工作信息進行數(shù)據(jù)采集和控制，并將采集的數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場總線協(xié)議傳給上一層。該現(xiàn)場總線所采用的傳輸線為12芯光纜。

(2)通訊管理層主要由放置于東、西站房變配電室的通訊機柜和放置在供電段的工業(yè)以太網(wǎng)交換機組成，它提供了系統(tǒng)管理層到現(xiàn)場監(jiān)控層之間的連接。其中通信機柜里面放置有H3C S3100百兆以太網(wǎng)交換機、通訊管理機、環(huán)網(wǎng)交換機和路由器及協(xié)議轉(zhuǎn)換器，主要完成的功能一是收集下層數(shù)據(jù)、協(xié)議轉(zhuǎn)換、上傳數(shù)據(jù)、主備用通道自動切換，以及接收系統(tǒng)管理層的指令下達給終端設(shè)備完成工作；二是診斷所管范圍設(shè)備故障并將故障區(qū)域隔離。

經(jīng)調(diào)研在整個吉林站除了設(shè)有變配電監(jiān)控系統(tǒng)以外，還有如建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)和其他控制系統(tǒng)等，都需要與各自監(jiān)控終端進行實時通信。由于通信數(shù)據(jù)量大，監(jiān)控設(shè)備所處環(huán)境復(fù)雜，因此在二層通訊管理層與上層監(jiān)控層之間加入工業(yè)以太網(wǎng)交換機，型號選為H3C S5500千兆三層以太網(wǎng)交換機，以保證高速可靠的信息傳遞，并可實現(xiàn)資源共享。設(shè)計中在工業(yè)以太網(wǎng)交換機和變配電監(jiān)控系統(tǒng)的管理層之間的連接線選用超五類非屏蔽雙絞線，傳輸速率可達100 Mb/s．

(3)系統(tǒng)管理層位于監(jiān)控系統(tǒng)最高層，由監(jiān)控計算機、打印機等組成，具有遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)存儲、報警顯示、故障記錄、圖形顯示以及報表打印等功能。該層設(shè)備放置在供電段的監(jiān)控室，監(jiān)控軟件為利用組態(tài)王開發(fā)的變配電監(jiān)控系統(tǒng)軟件。

2．3通信協(xié)議

Modbus是目前工業(yè)控制領(lǐng)域中廣泛使用的一種協(xié)議，該協(xié)議定義了控制器能識別并使用的消息結(jié)構(gòu)，而并不關(guān)心它們之間采用哪種通信網(wǎng)絡(luò)，它可以實現(xiàn)控制器間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其它設(shè)備之間的通信。Modbus協(xié)議有ASCII和RTU兩種模式。和Modbus—ASCII相比，Modbus—RTU模式協(xié)議更簡單，傳輸數(shù)據(jù)量大，效率高且傳輸距離長。

經(jīng)調(diào)研吉林火車站變配電監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控面積廣，現(xiàn)場監(jiān)控儀表種類多，用途各異，安裝分散，因此為了能更可靠的把分布于車站各處的不同廠商生產(chǎn)的監(jiān)控設(shè)備連入監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)集中監(jiān)控，設(shè)計決定采用基于RS-485通信接口傳輸?shù)腗odbus—RTU通信協(xié)議，傳輸速率不得小于38400bps．

2．4主要實現(xiàn)監(jiān)控功能

設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)最終實現(xiàn)以下監(jiān)控功能：

(1)對于高、低壓設(shè)備通過保護繼電器完成保護、監(jiān)視和控制功能。

(2)檢測運行參數(shù)，采集每個回路的電壓、電流、功率、功率因數(shù)、頻率、電度量，變壓器運行狀態(tài)和各種告警信息等，為正常運行時的計量管理、事故發(fā)生時的故障原因分析提供數(shù)據(jù)。

(3)監(jiān)視電氣設(shè)備運行狀態(tài)，如高、低壓進線斷路器等各種類型開關(guān)當(dāng)前分、合，測試、投入狀態(tài)，斷路器小車位置，人工操作標(biāo)志，保護故障信息，如發(fā)現(xiàn)故障自動報警。

(4)對建筑物內(nèi)所有設(shè)備的用電量進線記錄和統(tǒng)計，包括動力用電和照明用電，對高峰負(fù)荷、日用電量、平均用電量等指標(biāo)進行分析和管理。

(5)對各種電氣設(shè)備的檢修、保養(yǎng)、維護進行管理。

3　結(jié)束語

吉林站變配電監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)了監(jiān)控主機在供電段監(jiān)控室內(nèi)對吉林站東、西站房管轄的所有變配電設(shè)備的監(jiān)控，并可以實現(xiàn)與現(xiàn)場高、低壓配電設(shè)備以及整流配電設(shè)備之間的遙測、遙信。該系統(tǒng)集保護、控制、測量、信號采集、故障告警、諧波分析、電能質(zhì)量管理、負(fù)荷控制和運行管理于一體，實現(xiàn)了變配電系統(tǒng)高、低壓電氣設(shè)備分散監(jiān)控、集中管理功能。

按照該方案設(shè)計的吉林站變配電監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過一年的試運行后，整個系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定，安全可靠，達到了預(yù)期的使用目的。目前已通過驗收，正式投入使用。

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