分體式變電站一體化電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉珍，刁守斌，陳曰印，徐苗，曹淑英

（1.國(guó)網(wǎng)山東濟(jì)南市歷城區(qū)供電公司，濟(jì)南250100；2.山東魯能智能技術(shù)有限公司，濟(jì)南250101）

分體式變電站一體化電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉珍1，刁守斌1，陳曰印1，徐苗1，曹淑英2

（1.國(guó)網(wǎng)山東濟(jì)南市歷城區(qū)供電公司，濟(jì)南250100；2.山東魯能智能技術(shù)有限公司，濟(jì)南250101）

常規(guī)變電站電源系統(tǒng)存在自動(dòng)化信息化水平低，經(jīng)濟(jì)性差，維護(hù)困難等問題。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝配靈活的智能變電站一體化電源系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用人機(jī)交互模塊和信息管理模塊相分離的方式，實(shí)現(xiàn)了一體化電源監(jiān)控的智能化、模塊化。采用層次化、模塊化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)電源系統(tǒng)和模塊的統(tǒng)一配置管理。系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于多個(gè)智能變電站，運(yùn)行結(jié)果表明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

一體化電源；變電站；監(jiān)控系統(tǒng)；變電站自動(dòng)化

0 引言

常規(guī)的變電站站用電源分為交流系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、UPS系統(tǒng)、通信電源系統(tǒng)等。一直以來變電站內(nèi)各子系統(tǒng)采用分散設(shè)計(jì)，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(jì)方式帶來很多局限性，如自動(dòng)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。近年來智能變電站站用一體化電源，已經(jīng)從局部試點(diǎn)成為一種常規(guī)的變電站站用電源設(shè)計(jì)方式。國(guó)家或行業(yè)也陸續(xù)出臺(tái)了推薦標(biāo)準(zhǔn)，但業(yè)內(nèi)仍少有能完全滿足變電站所有設(shè)備統(tǒng)一監(jiān)控管理的產(chǎn)品。

基于此按照層次化、模塊化的設(shè)計(jì)方式，設(shè)計(jì)一套滿足智能化變電站的一體化電源監(jiān)控系統(tǒng)。使變電站4種電源子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)資源、信息共享，并能統(tǒng)一管理、集中監(jiān)控，以降低站用電源系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)成本，提高變電站電源系統(tǒng)的管理水平，提高變電站電源系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和維護(hù)效率。

此一體化電源監(jiān)控系統(tǒng)投運(yùn)后，可以對(duì)整個(gè)電源系統(tǒng)的信息采集、狀態(tài)檢測(cè)、故障預(yù)警、過程控制進(jìn)行統(tǒng)一的集中管理，能準(zhǔn)確及時(shí)預(yù)警，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理故障。一體化電源監(jiān)控系統(tǒng)，可以作為變電站電源系統(tǒng)的集中控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)變電站電源系統(tǒng)的集中監(jiān)控。

1 分層分布式一體化電源監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

整個(gè)一體化電源監(jiān)控系統(tǒng)采用分層設(shè)計(jì)，每個(gè)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(huì)因?yàn)槟骋徊糠蛛娫垂收蠈?dǎo)致整個(gè)一

體化電源系統(tǒng)癱瘓。同時(shí)，設(shè)置一體化電源總監(jiān)控裝置對(duì)各子監(jiān)控進(jìn)行統(tǒng)一、集中管理，使整個(gè)電源系統(tǒng)形成一個(gè)整體。

系統(tǒng)采用分層分布式設(shè)計(jì)共分3層，分別為總監(jiān)控層、分監(jiān)控層、智能采集模塊層，具體系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 一體化電源監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

一體化電源總監(jiān)控裝置為總監(jiān)控，負(fù)責(zé)對(duì)下層各個(gè)分監(jiān)控的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理，并發(fā)出控制命令。對(duì)上級(jí)（總控后臺(tái)、調(diào)度等）信息管理采集單元進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送和響應(yīng)控制命令。監(jiān)控模塊通信方式多樣，可以有多種方式與后臺(tái)進(jìn)行通信，支持CAN，RS-232，RS-485，網(wǎng)線，無線等通信方式。同時(shí)支持多種規(guī)約，如通信電力常用的RTU-MODBUS規(guī)約、CDT規(guī)約、IEC101規(guī)約、IEC103規(guī)約、IEC104規(guī)約、IEC61850規(guī)約等。

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(duì)下（各個(gè)智能采集模塊）的數(shù)據(jù)采集和控制操作，對(duì)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。可以根據(jù)各個(gè)變電站的實(shí)際應(yīng)用靈活配置。

智能采集模塊層主要負(fù)責(zé)變電站各個(gè)基礎(chǔ)單元的數(shù)據(jù)采集與控制執(zhí)行。因?yàn)榉直O(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(gòu)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(duì)于新建站，可以采用圖1中列出的各種模塊。其中，采樣模塊主要采集各個(gè)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(gè)系統(tǒng)的開關(guān)狀態(tài)、饋線狀態(tài)、報(bào)警輸入等信息。開出模塊接各種報(bào)警設(shè)備和控制開關(guān)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制和報(bào)警動(dòng)作等。其余絕緣檢測(cè)裝置、電池巡檢模塊、充電機(jī)、UPS、ATS等均為各個(gè)子系統(tǒng)的配置，可以根據(jù)各變電站的實(shí)際需求接入相應(yīng)的設(shè)備。

2 分體式一體化電源監(jiān)控設(shè)計(jì)

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(gè)模塊集合式）裝置。這種一體化電源監(jiān)控裝置存在部分缺陷，如：造價(jià)高、成本投入大；體積大、安裝配置不方便；一體化裝置顯示形式單一、界面不夠豐富；功能比較固定，配置不夠靈活。

鑒于以上情況，采用分體式電源監(jiān)控設(shè)計(jì)，電源監(jiān)控由3部分組成，包括信息管理模塊、人機(jī)交互模塊、電源模塊，如圖2所示。

圖2 分體式一體化電源結(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 信息管理模塊設(shè)計(jì)

信息管理模塊為一種基于ARM系統(tǒng)的信息綜合處理平臺(tái)，可以提供多種接口，支持多種規(guī)約。帶有2個(gè)網(wǎng)口，11個(gè)串口（RS232、RS485可配置），2個(gè)CAN口。

硬件平臺(tái)采用核心板加底板的開發(fā)方式，這種設(shè)計(jì)的好處是：模塊化設(shè)計(jì)，配置靈活，易于擴(kuò)展，底板的資源可以根據(jù)設(shè)計(jì)需求進(jìn)行裁剪、擴(kuò)充；便于形成公共技術(shù)單元，與其他項(xiàng)目復(fù)用；核心板可以作為一個(gè)基本的公共技術(shù)單元，配置不同的底板形成不同產(chǎn)品的硬件平臺(tái)；有利于集中力量解決關(guān)鍵問題，CPU核心板的設(shè)計(jì)密度較大，難度較高，外圍擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)密度較小，難度較低，模塊化設(shè)計(jì)有利于集中優(yōu)勢(shì)力量進(jìn)行核心板的設(shè)計(jì)。信息管理模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 信息管理模塊硬件平臺(tái)

信息管理模塊應(yīng)用軟件運(yùn)行于高性能的嵌入式Linux系統(tǒng)下?？紤]到系統(tǒng)的可移植性以及后續(xù)升級(jí)維護(hù)，采用模塊化、層次化的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)方式。本部分軟件可劃分為3層，分別為數(shù)據(jù)采集層、通信控制層、業(yè)務(wù)邏輯層，如圖4所示。數(shù)據(jù)采集層具體負(fù)責(zé)對(duì)下規(guī)約的實(shí)現(xiàn)，與各種智能采集模塊進(jìn)行通信；通信控制層是本系統(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(shí)現(xiàn)整個(gè)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(duì)一體化監(jiān)控的邏輯控制功能整合，包括充放電管理、開出管理、報(bào)警管理、事件管理等。

圖4 信息管理模塊軟件結(jié)構(gòu)

2.2 人機(jī)交互模塊設(shè)計(jì)

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(jiǎn)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(duì)設(shè)備的工業(yè)級(jí)要求。

軟件采用圖形化設(shè)計(jì)可直觀展示變電站的電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（總監(jiān)控層）（圖5）、系統(tǒng)接線、各個(gè)設(shè)備配置等變電站整體狀態(tài)數(shù)據(jù)，同時(shí)可以顯示各個(gè)單元（分監(jiān)控層）的實(shí)時(shí)開關(guān)狀態(tài)（圖6），電壓、電流等模擬量數(shù)據(jù)和報(bào)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(bào)表。

圖5 變電站電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖6 直流電源監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)

2.3 電源模塊設(shè)計(jì)

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。如圖7所示，該電源模塊按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)定制，能夠提供穩(wěn)定的DC24V電源，方便配電柜設(shè)計(jì)和安裝。

圖7 電源模塊

3 分層監(jiān)控和智能采集模塊

目前變電站監(jiān)控設(shè)備多是分監(jiān)控下帶部分智能采集模塊，或者直接是智能模塊接入上級(jí)數(shù)據(jù)處理中心，甚至智能模塊獨(dú)立運(yùn)行。接線和數(shù)據(jù)采集方式比較隨意，沒有形成統(tǒng)一管理和規(guī)范布置。

本系統(tǒng)采用分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，接線方式靈

活多樣。監(jiān)控層監(jiān)控模塊（總監(jiān)控層模塊、分監(jiān)控層模塊）要求可以接入網(wǎng)線、串口線等多種通信線纜，并且支持電力上常用的CDT、MODBUS、IEC103、IEC61850等規(guī)約。

分層結(jié)構(gòu)，各個(gè)層的任務(wù)獨(dú)立且明確。對(duì)于已經(jīng)有分監(jiān)控設(shè)備的變電站，可以直接接入總監(jiān)控裝置進(jìn)行統(tǒng)一管理改造。對(duì)于分監(jiān)控布局不規(guī)范的變電站，也可以加入分監(jiān)控裝置進(jìn)行升級(jí)改造，對(duì)已有的智能采集模塊進(jìn)行統(tǒng)一管理。

在新的變電站建設(shè)中，由于分監(jiān)控裝置可以兼容多種通信線纜和規(guī)約，因此可以方便接入不同廠家的模塊設(shè)備，滿足不同用戶對(duì)于設(shè)備的特殊需求。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

開發(fā)完成的分體式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(dòng)化設(shè)備質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心的型式試驗(yàn)，并在全國(guó)多個(gè)省市供電公司推廣應(yīng)用。

與行業(yè)內(nèi)現(xiàn)有產(chǎn)品相比具有以下優(yōu)勢(shì)：整個(gè)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(jì)，多套系統(tǒng)可共用蓄電池組，經(jīng)濟(jì)性更好；分布式實(shí)現(xiàn)，更注重故障隔離；一體化電源對(duì)內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計(jì)，對(duì)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；利用一體化電源的二次配電饋線開關(guān)采集及管理單元，將變電站輔助設(shè)備納入站用電源的管理，實(shí)現(xiàn)站用一體化電源系統(tǒng)與輔助設(shè)備系統(tǒng)的有效綜合控制；將智能站用電源與服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行無縫銜接后，能夠?qū)崿F(xiàn)照明、配電、空調(diào)、風(fēng)機(jī)、消防、門禁、周界保護(hù)系統(tǒng)、生活水泵等職能監(jiān)控本地化，并最終實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)智能化；分體式監(jiān)控設(shè)計(jì)，安裝裝配方便，不占用單獨(dú)的屏體；布局方便，節(jié)省成本。

5 結(jié)語(yǔ)

將變電站內(nèi)使用的交流電源、直流電源、UPS電源、通信電源等電源系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)通信、一體化監(jiān)控、系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)等方法整合為一套系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)分離式電源系統(tǒng)的弊端，提高了變電站智能化水平及站用電源管理水平，提高了電源系統(tǒng)的可靠性和靈敏性。通過監(jiān)控裝置分體式模塊化設(shè)計(jì)，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(jì)的模型及通信接口，在進(jìn)行一致性測(cè)試時(shí)有明顯優(yōu)勢(shì)。目前，經(jīng)過推廣使用，證明該系統(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(jì)規(guī)范的智能變電站一體化站用電源系統(tǒng)。

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作者簡(jiǎn)歷：

劉珍（1979），女，工程師，從事繼電保護(hù)管理及變電工程大修技改項(xiàng)目管理工作。

Design of Integrated Power Monitoring and Control System in Split Substations

LIU Zhen1，DIAO Shoubin1，CHEN Yueyin1，XU Miao1，CAO Shuying2
（1.State Grid Licheng Electric Power Company，Jinan 250100，China；2.Shandong Luneng Intelligent Technology Co.，Ltd.，Jinan 250101，China）

In view of the low level of automation and informatization，the poor economic performance and the difficulty of maintenance of the conventional substation station-service power system，a type of integrated power system，which has a simple structure and is flexible to assemble，is designed.This system adopts the mode of segregated man-machine interactive module and information management module，which achieved intelligent and modular design.Adopting the design of stratification and modularization，the unified configuration management of different power systems and modules is achieved. This system has been successfully applied in several intelligent substations.Operation results show that this system runs stably and reliably.

integrated power supply；substation；monitoring system；substation automation

TM63

A

1007－9904（2016）10－0048－04

2016-04-12