智能變電站一體化電源監(jiān)控系統(tǒng)

吳 博，呂曉平，盧澤光，張曉花（.青島供電公司，山東 青島 66600； .濟(jì)南供電公司，濟(jì)南5000； .德州供電公司，山東 德州 500；.魯能智能技術(shù)有限公司，濟(jì)南 5000）

智能變電站一體化電源監(jiān)控系統(tǒng)

吳 博1，呂曉平2，盧澤光3，張曉花4
（1.青島供電公司，山東 青島 266600； 2.濟(jì)南供電公司，濟(jì)南250001； 3.德州供電公司，山東 德州 251100；4.魯能智能技術(shù)有限公司，濟(jì)南 250001）

針對常規(guī)變電站站用電源系統(tǒng)的自動化、信息化水平低，經(jīng)濟(jì)性差，維護(hù)技術(shù)要求高，維護(hù)成本高等問題，設(shè)計并實現(xiàn)了一種結(jié)構(gòu)簡單、配置靈活方便的智能變電站一體化電源監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用分層式結(jié)構(gòu)設(shè)計和基于認(rèn)知的自適應(yīng)的通信方法，將全站交流、直流、UPS、通信電源裝置統(tǒng)一管理，實現(xiàn)一體化配置、一體化監(jiān)控，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，對上對下的接口豐富，將各類站用電源裝置通信網(wǎng)絡(luò)化，實時監(jiān)測一體化電源系統(tǒng)與上位機(jī)/下位機(jī)的是否匹配，無需人為手動修改配置，使用靈活方便，減少了操作人員的技術(shù)要求，降低了維護(hù)成本，提高了運(yùn)營效率。本系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于國內(nèi)多個智能變電站，運(yùn)行情況表明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

一體化電源；變電站；認(rèn)知；自適應(yīng)

0　引言

常規(guī)的變電站站用電源分為交流電源監(jiān)控、直流電源監(jiān)控、電力用交流不間斷電源監(jiān)控、通信電源監(jiān)控等，各個子系統(tǒng)采用分散設(shè)計，獨(dú)立組屏，設(shè)備由不同的供應(yīng)商生產(chǎn)、安裝、調(diào)試，供電系統(tǒng)也分配不同的專業(yè)人員進(jìn)行維護(hù)管理。這種設(shè)計方式會帶來很多局限性例如：自動化、信息化程度不高；經(jīng)濟(jì)性差；安裝、服務(wù)協(xié)調(diào)較難；運(yùn)行維護(hù)不方便等。

由于不同廠家的電源裝置存在技術(shù)上的脫節(jié)不協(xié)調(diào)，在運(yùn)行調(diào)試時遇到很多問題，有時甚至影響設(shè)備的正常運(yùn)行，特別是對于智能變電站和無人值班電站，影響更大。如果系統(tǒng)軟件的需求增加、數(shù)據(jù)的增減，可能會導(dǎo)致一體化電源系統(tǒng)的與直流、交流等電源系統(tǒng)軟件版本不匹配，設(shè)備無法正常運(yùn)行。

基于此我們將按照層次化、模塊化的設(shè)計方式，采用基于認(rèn)知的自適應(yīng)匹配的通信機(jī)制，涉及了一套智能變電站一體化電源系統(tǒng)。本系統(tǒng)將全站交流、直流、UPS、通信電源裝置統(tǒng)一管理，實現(xiàn)一體化配置、一體化監(jiān)控，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，對上對下的接口豐富，將各子站用電源裝置通信網(wǎng)絡(luò)化，實時監(jiān)測一體化電源系統(tǒng)與上位機(jī)的軟件版本是否匹配，無需手動修改配置，使用時靈活方便，提高了配置維護(hù)效率。

此系統(tǒng)投運(yùn)后，可以對整個電源系統(tǒng)的信息采集、狀態(tài)檢測、故障預(yù)警、過程控制進(jìn)行統(tǒng)一的集中管理。從技術(shù)上保證了系統(tǒng)的準(zhǔn)確及時預(yù)警、故障的及時發(fā)現(xiàn)和處理。一體化電源總監(jiān)控裝置，可以作為變電站電源系統(tǒng)的集中控制平臺，實現(xiàn)對整個變電站電源系統(tǒng)的集中監(jiān)控，由專門的一體化電源運(yùn)行人員來監(jiān)測和維護(hù)。

1　智能變電站一體化電源監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

圖1　一體化電源監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)框圖

一體化電源監(jiān)控系統(tǒng)采用分層次設(shè)計，每個電源子系統(tǒng)可以有獨(dú)立的分監(jiān)控，保證了電源運(yùn)行的獨(dú)立性，不會因為某一部分電源故障導(dǎo)致整個一體化電源系統(tǒng)癱瘓。同時，設(shè)置一體化電源總監(jiān)控裝置對各子監(jiān)控進(jìn)行統(tǒng)一、集中管理，使整個一體化電源系統(tǒng)形成一個有機(jī)的整體。

系統(tǒng)采用分層分布式設(shè)計共分三層，分別為總監(jiān)控、分監(jiān)控層、采集模塊層。具體系統(tǒng)架構(gòu)如下圖1所示。

一體化電源總監(jiān)控系統(tǒng)為總監(jiān)控，相當(dāng)于數(shù)據(jù)采集裝置，負(fù)責(zé)對下采集各個分監(jiān)控的數(shù)據(jù)，并負(fù)責(zé)對上轉(zhuǎn)發(fā)采集數(shù)據(jù)，處理上級數(shù)據(jù)處理中心的控制命令并下發(fā)到裝置中。監(jiān)控裝置通信方式多樣，與后臺進(jìn)行通信時支持CAN，RS-232，RS-485，網(wǎng)線等通信方式；并且支持多種通信規(guī)約，通信電力常用的RTUMODBUS規(guī) 約，CDT規(guī) 約、IEC101規(guī) 約，IEC103規(guī) 約，IEC104規(guī)約，IEC61850等。

直流電源監(jiān)控、交流電源監(jiān)控、通信電源監(jiān)控、逆變電源監(jiān)控為分監(jiān)控，負(fù)責(zé)對下各個智能采集模塊的數(shù)據(jù)采集和控制操作，對上（總監(jiān)控）數(shù)據(jù)傳輸和命令響應(yīng)。同總監(jiān)控一樣可以支持多種接線方式和規(guī)約?？梢愿鶕?jù)各個變電站的實際應(yīng)用靈活配置。

采集模塊層主要負(fù)責(zé)變電站各個基礎(chǔ)單元的數(shù)據(jù)采集與控制執(zhí)行。采集模塊的數(shù)量、有無可以通過在各個分監(jiān)控裝置內(nèi)靈活配置。因為總監(jiān)控可以適應(yīng)多種通信方式和規(guī)約。所以無需重新添購裝置和設(shè)備，直接將現(xiàn)有變電站的各種模塊接入分監(jiān)控即可。對于新建站，可以采用圖1一體化電源監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)框圖種列出的各種模塊。其中，采樣模塊主要采集各個系統(tǒng)的母線電壓、電流等重要信息。開入模塊主要采集各個系統(tǒng)的開關(guān)狀態(tài)、饋線狀態(tài)、饋線接地報警等信息。開出模塊實現(xiàn)控制開關(guān)的實時控制和報警動作的開出等。絕緣檢測裝置、電池巡檢模塊、充電機(jī)、UPS、ATS等模塊可以根據(jù)各變電站的實際需求接入相應(yīng)的設(shè)備。

2　智能變電站一體化電源監(jiān)控系統(tǒng)

2.1分層式設(shè)計

現(xiàn)有的電源監(jiān)控裝置，多使用工控機(jī)（電腦）或者插板式（多個模塊集合式）裝置。這種一體化電源監(jiān)控裝置存在以下缺陷：

（1）造價高、成本投入大；

（2）體積大、安裝配置不方便；

（3）一體化裝置顯示形式單一、界面不夠豐富。

（4）功能比較固定，配置不夠靈活。

鑒于以上情況，將一體化電源監(jiān)控系統(tǒng)采用分體式電源監(jiān)控設(shè)計。電源監(jiān)控由三部分組成，包括信息管理模塊、人機(jī)交互裝置、電源模塊。如圖2所示。

圖2　一體化電源監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電源模塊負(fù)責(zé)給信息管理模塊和人機(jī)交互模塊供電。信息管理模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)信息的采集、保存、處理、傳輸?shù)裙ぷ?。人機(jī)交互模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)展示和與人交互等工作，與信息管理模塊通過串口進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)的交互。

2.1.1信息管理模塊

通信管理模塊為以高性能的32位ARM芯片為核心使用linux系統(tǒng)的信息綜合處理平臺，提供了多種接口（16路串口、2路CAN通訊口、2路USB口、2路網(wǎng)口、1路B碼對時口等），支持多種規(guī)約。

通信管理模塊應(yīng)用軟件采用模塊化、層次化的設(shè)計方式，方便以后代碼的移植以及升級維護(hù)。本軟件設(shè)計可分為三層，數(shù)據(jù)采集層、通訊控制層、業(yè)務(wù)邏輯層。數(shù)據(jù)采集層主要負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)的采集功能，與智能采集模塊進(jìn)行通信；通訊控制層是本系統(tǒng)的基礎(chǔ)層，它銜接數(shù)據(jù)采集層與業(yè)務(wù)邏輯層，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理及信息的上傳下達(dá)。邏輯業(yè)務(wù)層是針對一體化監(jiān)控的邏輯控制功能整合，其中包括充放電管理、開出管理、報警管理、事件管理、自動硅鏈控制等。

圖3　信息管理模塊軟件結(jié)構(gòu)圖

2.1.2人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊采用MCGS觸摸屏。該觸摸屏造型小巧，結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝。具有耐高低溫、防電磁干擾，運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，能夠適應(yīng)變電站對設(shè)備的工業(yè)級要求。

人機(jī)交互模塊的軟件采用圖形化設(shè)計，可直觀展示變電站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖、系統(tǒng)接線圖，并且可以顯示各個單元的實時開關(guān)狀態(tài)，電壓電流等模擬量數(shù)據(jù)和報警提示。根據(jù)需要可以產(chǎn)生充放電曲線，電池電壓電流等數(shù)據(jù)的報表。

2.1.3電源模塊

電源模塊使用AC220V/110V轉(zhuǎn)DC24V開關(guān)電源作為監(jiān)控電源模塊給監(jiān)控信息管理模塊和監(jiān)控人機(jī)交互模塊供電。

2.2基于認(rèn)知的自適應(yīng)的通信方法

圖4　基于認(rèn)知的自適應(yīng)的通信系統(tǒng)

智能電網(wǎng)是電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。通訊、計算機(jī)、自動化等技術(shù)在電網(wǎng)中得到廣泛深入的應(yīng)用，并與傳統(tǒng)電力技術(shù)有機(jī)融合，極大地提升了電網(wǎng)的智能化水平。目前電力設(shè)備的通信機(jī)制是先人工手動配置端口信息，然后保存參數(shù)重啟生效。如果下位機(jī)更換其他類型的設(shè)備需要重新修改配置，然后保存參數(shù)重啟生效。這種配置修改-保存-重啟的機(jī)制對操作人員的技術(shù)要求高，靈活性、兼容性差。

基于上述問題我們將認(rèn)知的自適應(yīng)的通信機(jī)制應(yīng)用到一體化電源監(jiān)控系統(tǒng)中。從通信系統(tǒng)的角度認(rèn)知包含的基本功能：觀察、學(xué)習(xí)、記憶、決策，即對獲取的信息以及當(dāng)前觀察結(jié)果做出響應(yīng)。本方法滿足了用戶需求的靈活可靠通信。

基于認(rèn)知的自適應(yīng)的通信系統(tǒng)，包括：智能系統(tǒng)和外部環(huán)境。智能系統(tǒng)通過接口與外部環(huán)境通信；外部環(huán)境包括下位機(jī)模塊和后臺。

智能系統(tǒng)包括觀察模塊、自學(xué)習(xí)模塊和行為模塊。觀察模塊與自學(xué)習(xí)模塊通信，自學(xué)習(xí)模塊與行為模塊通信。

觀察模塊包括消息單元和系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)單元，根據(jù)系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)從自學(xué)習(xí)模塊獲取信息向下位機(jī)發(fā)送消息，并將收到的消息給自學(xué)習(xí)模塊。消息單元指系統(tǒng)與下位機(jī)通信的數(shù)據(jù)，模塊之間交互的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)單元包括端口未配置、配置中、配置完成和啟動異常。

自學(xué)習(xí)模塊包括依次連接的推理單元、信息庫、學(xué)習(xí)單元和策略庫。自學(xué)習(xí)模塊接收觀察模塊的消息，通過學(xué)習(xí)和推理制定發(fā)送策略，在信息庫中查找相應(yīng)的發(fā)送信息。對收發(fā)的信息進(jìn)行學(xué)習(xí)和推理，制定相應(yīng)的配置策略。推理單元指對接收到的已知消息進(jìn)行處理，推斷出下位機(jī)的類型。信息庫指所有系統(tǒng)支持的下位機(jī)的消息集合。學(xué)習(xí)單元指對消息的觀察、推理。策略庫包含未配置的發(fā)送策略、配置成功后的發(fā)送策略、配置策略、轉(zhuǎn)發(fā)策略、分組策略。

行為模塊包括自適應(yīng)配置單元、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)單元和分組調(diào)度單元。根據(jù)學(xué)習(xí)模塊的配置策略對設(shè)備進(jìn)行配置，系統(tǒng)將接收到的測點(diǎn)數(shù)據(jù)根據(jù)不同類型分組向后臺轉(zhuǎn)發(fā)。自適應(yīng)配置單元根據(jù)系統(tǒng)端口下接設(shè)備的不同自動匹配，無需用戶手動修改配置文件。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)單元用于將測點(diǎn)數(shù)據(jù)對后臺轉(zhuǎn)發(fā)。分組調(diào)度單元根據(jù)數(shù)據(jù)類型的不同、測點(diǎn)數(shù)據(jù)的個數(shù)分類型分組的發(fā)送。

本方法具有自動識別下位機(jī)，方便操作，靈活性、兼容性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

3　現(xiàn)場應(yīng)用及優(yōu)勢

本項目開發(fā)完成的智能變電站一體化電源系統(tǒng)，已通過了電力工業(yè)電力系統(tǒng)自動化設(shè)備質(zhì)量檢驗測試中心的型式試驗；目前，本項目已通過有關(guān)專家的鑒定，并在全國多個省市供電公司推廣應(yīng)用，得到一致好評。

與我公司及行業(yè)內(nèi)現(xiàn)有產(chǎn)品相比具有以下優(yōu)勢：

（1）整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、智能化、數(shù)字化水平更高；一體化設(shè)計，多套系統(tǒng)可共用蓄電池組，經(jīng)濟(jì)性更好；一體化設(shè)計，分布式實現(xiàn)，更注重故障隔離；

（2）一體化電源對內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計，對外統(tǒng)一通信接口，依據(jù)行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行模型及通信接口，兼容性更好；

（3）整個系統(tǒng)安裝裝配方便，不占用單獨(dú)的屏體。布局方便，節(jié)省成本；

（4）本系統(tǒng)自動識別下位機(jī)，降低了維護(hù)人員的技術(shù)要求，操作方便，靈活性、兼容性強(qiáng) 提高了施工效率，減少了維護(hù)成本。

4　結(jié)論

本系統(tǒng)基于認(rèn)知的自適應(yīng)匹配的通信機(jī)制，將全站交流、直流、UPS、通信電源裝置統(tǒng)一管理，實現(xiàn)一體化配置、一體化監(jiān)控，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，對上對下的接口豐富，將各子站用電源裝置通信網(wǎng)絡(luò)化，實時監(jiān)測一體化電源系統(tǒng)與上位機(jī)的軟件版本是否匹配，無需手動修改配置，使用時靈活方便，提高了配置維護(hù)效率。通過監(jiān)控裝置分體式模塊化設(shè)計，減少了監(jiān)控占用空間，節(jié)省了成本?；谛袠I(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的模型及通訊接口，在進(jìn)行一致性測試時有明顯優(yōu)勢。綜合所述，該系統(tǒng)是一套技術(shù)先進(jìn)、性能可靠、節(jié)能環(huán)保、符合智能化變電站設(shè)計規(guī)范的智能變電站一體化站用電源系統(tǒng)，目前，國內(nèi)已開始推廣使用。

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.14.142