110 kV變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)研究

許洎筠

（福州維思電力勘察設(shè)計(jì)有限公司，福建福州 350109）

0 引言

110 kV變電站作為電網(wǎng)中的重要節(jié)點(diǎn)，承擔(dān)著電能傳輸和配送的關(guān)鍵任務(wù)，其能否穩(wěn)定運(yùn)行直接影響整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為保證110 kV變電站穩(wěn)定運(yùn)行，需要采取必要的監(jiān)控、管理措施，及時(shí)識(shí)別與解決其潛在問題。但傳統(tǒng)的變電站監(jiān)控系統(tǒng)存在數(shù)據(jù)孤立、信息不共享等問題，限制了運(yùn)維人員對(duì)設(shè)備狀態(tài)的及時(shí)監(jiān)測(cè)和處理[1]。為推動(dòng)變電站的智能化、自動(dòng)化和信息化發(fā)展，提高供電設(shè)施的可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性，有必要對(duì)110 kV變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行深入研究。因此，本文從系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度，對(duì)110 kV變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行研究，旨在集成各個(gè)子系統(tǒng)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享與聯(lián)動(dòng)，提高供電設(shè)施的運(yùn)行質(zhì)量。

1 110 kV變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)的提出

隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大和技術(shù)的進(jìn)步，變電站作為電能傳輸和配送的重要環(huán)節(jié)，其穩(wěn)定運(yùn)行和可靠性變得尤為關(guān)鍵。傳統(tǒng)的110 kV變電站監(jiān)控系統(tǒng)通常由多個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)組成，例如電氣監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)、安防監(jiān)控等[2]。這些子系統(tǒng)通常采用獨(dú)立的硬件設(shè)備和軟件平臺(tái)，數(shù)據(jù)信息孤立，導(dǎo)致監(jiān)控信息無法集成和共享，管理和維護(hù)成本較高，同時(shí)也存在安全風(fēng)險(xiǎn)和響應(yīng)效率低下的問題。為突破傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的局限性，提高變電站的管理水平和運(yùn)行效率，110 kV變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)被提出。該系統(tǒng)利用現(xiàn)代信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)部各個(gè)子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互、信息共享和協(xié)同工作。通過將各個(gè)子系統(tǒng)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和信號(hào)集成到一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站設(shè)備狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)、安全風(fēng)險(xiǎn)等的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，提高故障診斷和處理的效率，減少人為操作失誤。總體而言，110 kV變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)的提出背景是推動(dòng)變電站的智能化、自動(dòng)化和信息化發(fā)展，提高供電設(shè)施的可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性，通過實(shí)現(xiàn)集成管理和綜合監(jiān)控，及時(shí)捕捉異常情況并采取相應(yīng)措施，提前預(yù)警和防止?jié)撛诠收习l(fā)生，確保電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和連續(xù)性。

2 110 kV變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 功能設(shè)計(jì)

110 kV變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)是用于對(duì)變電站進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理的系統(tǒng)，能夠集成多種監(jiān)控設(shè)備和傳感器，以獲取變電站各個(gè)方面的數(shù)據(jù)，并提供實(shí)時(shí)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、告警和操作控制功能[3]。在實(shí)際運(yùn)行中，110 kV變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)可以擴(kuò)展多種特色服務(wù)類型，如智慧用可視化系統(tǒng)等。結(jié)合110 kV變電站實(shí)際運(yùn)行需求，設(shè)計(jì)110 kV變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)功能具體如下：

第一，遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制。操作人員可以通過網(wǎng)絡(luò)連接訪問變電站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和狀態(tài)，并進(jìn)行遠(yuǎn)程操作控制。

第二，可視化界面。以圖形化方式展示變電站狀態(tài)和參數(shù)，通過聲音、短信、郵件等方式及時(shí)通知相關(guān)人員發(fā)生的告警事件。

第三，故障診斷與告警處理。根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史記錄，輔助運(yùn)維人員快速定位故障原因，提供相應(yīng)的維修和保養(yǎng)指導(dǎo)；及時(shí)檢測(cè)并報(bào)警處理發(fā)生的異常情況，如過載、短路、漏電等[4]；通過設(shè)定合理的閾值和告警規(guī)則，確保及時(shí)采取措施以避免潛在風(fēng)險(xiǎn)。

第四，數(shù)據(jù)分析。對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、趨勢(shì)分析和故障診斷，為運(yùn)維人員提供決策依據(jù)。同時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)能夠生成報(bào)表和圖表，以便于數(shù)據(jù)的展示和管理。

第五，可拓展功能。滿足變電站區(qū)域內(nèi)其他分布式能源等接入需求，滿足配電網(wǎng)及其他設(shè)備接入需求，為能效分析評(píng)估及設(shè)備運(yùn)維提供支持服務(wù)等。

第六，數(shù)據(jù)采集。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變電站各個(gè)部分的狀態(tài)和參數(shù)，如電流、電壓、溫度、濕度等。通過傳感器和監(jiān)測(cè)設(shè)備采集數(shù)據(jù)，并確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于上述功能設(shè)計(jì)分析，確定一體化監(jiān)控系統(tǒng)采用三層式架構(gòu)，具體如圖1所示。

圖1 一體化監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的一體化監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)中，間隔層裝置采用了IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，能夠與監(jiān)控機(jī)等進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。同時(shí)，采用就地安裝的方式安裝智能終端開關(guān)場(chǎng)，以實(shí)現(xiàn)開關(guān)燈信號(hào)的及時(shí)反饋。另外，為有效傳輸變電站內(nèi)IED之間的實(shí)時(shí)信號(hào)，系統(tǒng)應(yīng)用了GOOSE傳輸機(jī)制。

3 110 kV變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)置

110 kV變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)通過監(jiān)控系統(tǒng)、分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、規(guī)約設(shè)計(jì)，將各系統(tǒng)模塊融合為一，實(shí)現(xiàn)了各模塊的精準(zhǔn)接入、數(shù)據(jù)共享、專業(yè)融合、能源轉(zhuǎn)換、信息交互等[5]。同時(shí)，110 kV變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)以融合網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)的深度挖掘與整合為核心，以信息的安全傳輸為保障，為變電站運(yùn)行效益最大化奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。基于變電站運(yùn)行需求分析，將監(jiān)控主機(jī)與相關(guān)服務(wù)器安裝在變電站二次設(shè)備室內(nèi)。

3.2 安全分區(qū)

110 kV變電站對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)可靠性、實(shí)時(shí)性的要求較高，為保證系統(tǒng)安全可靠，變電站與光伏電站等數(shù)據(jù)獨(dú)立，對(duì)110 kV變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行安全分區(qū)設(shè)計(jì)，具體如下：

第一，安全分區(qū)1。該區(qū)內(nèi)配置的設(shè)備包括保護(hù)裝置、測(cè)控裝置。其中，監(jiān)控平臺(tái)的防火墻可以與安全分區(qū)2中的監(jiān)控平臺(tái)通信，形成安全數(shù)據(jù)互聯(lián)與共享，提升系統(tǒng)安全性。

第二，安全分區(qū)2。該區(qū)內(nèi)配置網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測(cè)裝置、故障濾波器、一體化電源等。同時(shí)將監(jiān)控系統(tǒng)的接口設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)接口，與站控層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聯(lián)通，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息互聯(lián)與共享[6]。

第三，安全分區(qū)3。該區(qū)內(nèi)配置視頻系統(tǒng)、在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等，并將數(shù)據(jù)模塊、通信基站模塊接口設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)接口，與本區(qū)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聯(lián)通，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)界面共享、數(shù)據(jù)信息共享。

3.3 配置方案

本研究設(shè)計(jì)的110 kV變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)采用集中式配置方案。

站控層中，配置數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器等設(shè)備，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與共享奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，在站控層中設(shè)置工作站、遠(yuǎn)動(dòng)工作站等，以支持分布式結(jié)構(gòu)。另外，在站控層內(nèi)設(shè)置集成中心、控制中心等，保證系統(tǒng)外部多元化設(shè)備能夠接入系統(tǒng)。

間隔層中，配置測(cè)控裝置、保護(hù)測(cè)控裝置、安全監(jiān)測(cè)裝置、視頻系統(tǒng)等，確保在線監(jiān)測(cè)、輔助設(shè)備有效運(yùn)行與應(yīng)用。

過程層中，配置站內(nèi)合并單元、智能終端等，使系統(tǒng)能夠全面收集相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并提供測(cè)量保護(hù)機(jī)制。需要指出的是，在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，保護(hù)裝置所需的合并單元采樣密度≥80點(diǎn)/周波，導(dǎo)致合并單元報(bào)文的網(wǎng)絡(luò)流量巨大，對(duì)交換機(jī)提出了較高要求[7]。交換機(jī)配置具體如下文3.6所示。

3.4 網(wǎng)絡(luò)通信

本研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，站控層采用可擴(kuò)展性、開放性良好的以太網(wǎng)組網(wǎng)，以滿足系統(tǒng)擴(kuò)展的相關(guān)要求。同時(shí)，采用DL/T 860規(guī)約，提升站控層的抗干擾能力及系統(tǒng)的可靠性；采用IEC 61850 MMS協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了變電站內(nèi)調(diào)度自動(dòng)化等信息數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。特別需要指出的是，在本研究系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用模塊化設(shè)計(jì)方式，技術(shù)人員可以根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置。

3.5 數(shù)據(jù)控制流

數(shù)據(jù)控制流是一個(gè)循環(huán)過程，不斷地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)、處理、展示和指令傳遞，以保持對(duì)變電站運(yùn)行狀態(tài)的持續(xù)監(jiān)控和管理[8]。本研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)控制流包括儲(chǔ)能控制流、充電控制流、變電站控制流等，可以根據(jù)分區(qū)網(wǎng)絡(luò)接入數(shù)據(jù)控制流，以保證控制命令的傳輸具有高效性。同時(shí)，經(jīng)過處理和分析的數(shù)據(jù)可以通過可視化工具展示給操作人員和管理人員，以直觀地查看變電站的運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備健康狀況、報(bào)警信息等，便于及時(shí)做出決策和采取相應(yīng)措施。另外，基于對(duì)數(shù)據(jù)的分析和判斷，系統(tǒng)可以生成相應(yīng)的控制指令，并通過通信網(wǎng)絡(luò)將指令傳輸?shù)阶冸娬緝?nèi)部的執(zhí)行設(shè)備。這些指令可用于調(diào)節(jié)設(shè)備參數(shù)、啟動(dòng)或停止設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站運(yùn)行的控制和調(diào)度。

3.6 交換機(jī)配置

本研究系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循了集成化、分布式的組網(wǎng)原則，即各子站分別配置間隔交換機(jī)采集間隔信息。當(dāng)交換機(jī)接收到報(bào)文后，可以從中獲取信息來源地址，并將地址添加到地址列表中，建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過分析地址列表中是否存在地址的其他端口，判斷報(bào)文的保留和丟棄。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，交換機(jī)會(huì)周期性地向各端口發(fā)送查詢報(bào)文，若端口中的報(bào)文繼續(xù)保存在地址列表中，則對(duì)報(bào)文進(jìn)行應(yīng)答，并保存相應(yīng)報(bào)文；若端口中的報(bào)文不繼續(xù)保存在地址列表中，則不響應(yīng)查詢報(bào)文[9]。另外，在系統(tǒng)運(yùn)行中，若交換機(jī)超時(shí)未收到查詢報(bào)文的應(yīng)答，則在地址列表中將對(duì)應(yīng)的端口、地址信息刪除。除此之外，基于大數(shù)據(jù)鏈分析及未來能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)量分析，在系統(tǒng)的站控層配置千兆以上的交換機(jī)。

4 結(jié)束語

綜上所述，為推動(dòng)變電站自動(dòng)化、信息化發(fā)展，提升變電站供電設(shè)備運(yùn)行可靠性，本文提出了110 kV變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)，通過整合各子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、遠(yuǎn)程監(jiān)控，提高變電站運(yùn)行效率與可靠性。整體而言，本研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有兼容性，適用于多種環(huán)境、運(yùn)行需求條件下的變電站監(jiān)控實(shí)踐。但在未來發(fā)展中，該系統(tǒng)仍面臨技術(shù)難題，且需要深化拓展系統(tǒng)功能，以進(jìn)一步推動(dòng)變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)在電力領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。