電力監(jiān)控系統(tǒng)在城市軌道交通變電所自動化中的應用

任運業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司   上海嘉定   201801

摘  要 ：在城市軌道交通的運行過程中，電力監(jiān)控系統(tǒng)很好地監(jiān)控了各個配電所、電力設備以及接觸網(wǎng)等的運行情況，這對于城市軌道交通的安全穩(wěn)定運行有著關鍵性的作用。因此，隨著當今城市軌道交通事業(yè)的不斷發(fā)展，城市軌道交通的電力監(jiān)控系統(tǒng)越來越受到人們的重視。該文對城市軌道交通的電力監(jiān)控系統(tǒng)進行了分析，首先對城市軌道交通的電子監(jiān)控中心調(diào)度系統(tǒng)進行了研究，然后對城市軌道交通電力監(jiān)控變電所的綜合自動化系統(tǒng)進行了研究，希望可以給當今城市軌道交通的良好運行與發(fā)展提供幫助。

關鍵詞 ：城市軌道交通 ；電力監(jiān)控系統(tǒng) ；變電所

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，城市化進程的加快使得城市的各項基礎設施逐漸完善。尤其是城市軌道交通技術的發(fā)展，讓城市居民的生活變得更加便捷。將電力監(jiān)控系統(tǒng)應用到城市軌道交通的運行過程中，可以進一步提升城市軌道交通的供電質(zhì)量，保障城市軌道交通安全穩(wěn)定的運行，這對于當今城市軌道交通的發(fā)展以及城市經(jīng)濟的發(fā)展都有著深遠的影響。

1.1 系統(tǒng)的構成

城市軌道交通電力控制中主要應用的控制系統(tǒng)是 PSCADA電力控制系統(tǒng)，這是一個基于計算機局域網(wǎng)結構的分層分布式系統(tǒng)。該系統(tǒng)的硬件部分主要由 3 個部分組成。（1）電力調(diào)度系統(tǒng)。（2）供電復示系統(tǒng)。（3）通信通道。在系統(tǒng)的配置過程中，主要是通過現(xiàn)有的設備來進行網(wǎng)絡單元的配置，系統(tǒng)包括服務器、雙局域網(wǎng)絡、交換機、工作站、UPS 以及打印機等設備。表 1 是對其主要設備和功能總結表。

表 1 城市軌道交通電力監(jiān)控中心調(diào)度系統(tǒng)的主要設備和功能

1.2 電力調(diào)度系統(tǒng)

1.2.1 局域網(wǎng)絡

在電力調(diào)度系統(tǒng)之中，局域網(wǎng)絡的結構是互為備用的雙以太網(wǎng)，在系統(tǒng)正常運行的過程中，雙網(wǎng)的工作同時進行，可以分攤不同數(shù)據(jù)的傳輸工作，使網(wǎng)絡負荷達到平衡。如果其中一個網(wǎng)絡發(fā)生故障，系統(tǒng)會及時發(fā)出警報，而無事故的網(wǎng)絡就會在一定的時間內(nèi)承擔全部的數(shù)據(jù)傳輸工作，保證系統(tǒng)的正常運行。系統(tǒng)會根據(jù)數(shù)據(jù)的不同功能要求對其進行劃分，這樣就可以進一步提升系統(tǒng)的網(wǎng)絡傳輸效率，同時提升網(wǎng)絡的可靠性與安全性。網(wǎng)絡采用的是開環(huán)總線型的結構，并進行了以太網(wǎng)交換機的配置，將 TCP/IP 作為通信協(xié)議，以光纖作為傳輸?shù)拿浇?，通信速率可以達到 100 mbps 以上，系統(tǒng)網(wǎng)絡的擴展性很好，在增加網(wǎng)絡節(jié)點的時候也不會對網(wǎng)絡性能造成不利影響。

表 2 是局域網(wǎng)網(wǎng)絡性能指標要求表。

1.2.2 服務器

服務器分為實時服務器和歷史服務器。實時服務器共有2 套，其功能與性能都十分接近，可以對數(shù)據(jù)流進行管理和控制，同時也可以校驗數(shù)據(jù)，以此來保證數(shù)據(jù)庫的一致性，同時可以在雙機工作狀態(tài)中進行在線檢測。另外，實時服務器也可以對后臺的數(shù)據(jù)進行處理，并實現(xiàn)網(wǎng)上的節(jié)點資源分配管理。在其中的一套服務器出現(xiàn)故障時，另一套服務器會代替其工作，并通過打印機打印出故障信息，使其顯示在另一臺服務器的畫面上。歷史服務器也有 2 套，并且有著相同的功能，可以對系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)進行處理和管理，并提供歷史數(shù)據(jù)查詢功能。

表 3 是服務器各項指標要求表。

1.2.3 工作站

工作站分為操作員工作站、數(shù)據(jù)文檔工作站以及系統(tǒng)維護工作站。操作員工作站可以對相關人員的監(jiān)視、控制以及調(diào)度管理工作進行協(xié)調(diào)，操作員工作站也有2個，可以對各種信息同時進行監(jiān)視，但是同一時刻只允許其中一臺下達控制指令。數(shù)據(jù)文檔工作站可以對各種報表以及實時數(shù)據(jù)進行選擇、積累、統(tǒng)計、組合等加工，并生成各種報表。系統(tǒng)維護工作站可以對系統(tǒng)中的軟件進行維護，對運行參數(shù)進行定義，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的定義、編輯以及修改等功能。

表 4 是工作站處理器和內(nèi)存的指標要求表。

1.2.4 中心 UPS 電源

在控制中心的機房中，所有設備的電源都是由集中供電系統(tǒng) UPS 來提供的，而在這個綜合管理系統(tǒng)中，所有的 UPS接口都在配電柜端子外側。

表 5 是其各項參數(shù)的具體要求表。

1.3 供電復示系統(tǒng)

供電復示系統(tǒng)主要的功能是為運營人員提供一個全線監(jiān)控平臺，進而靈活地監(jiān)視接觸網(wǎng)運行情況以及全線散雜電流的情況，可以及時了解事故信息，進一步提高事故的處理效率。另外，供電復示系統(tǒng)也可以和控制中心進行遠程通信，發(fā)送或接收維修調(diào)度計劃，進而讓檢修人員可以獲得第一手資料。

2.1 系統(tǒng)的構成

城市軌道交通電力監(jiān)控變電所綜合自動化系統(tǒng)主要可以分為3層。第1層是站級的管理層，第2層是網(wǎng)絡通信層，第3層是間隔設備層。站級管理層的主要的裝置有站控主單元、交換機、報警系統(tǒng)以及電源等。網(wǎng)絡通信層的主要設備是通信網(wǎng)絡以及接口。間隔設備層的主要設備有控制單元、智能測控單元以及信息采集單元等。

2.2 站級管理層

2.2.1 控制信號盤

在系統(tǒng)中，控制信號盤應該在變電所的控制室里進行安裝，其防護等級應該在 IP40 及以上，控制信號盤的主要設備有人機接口單元、站控主單元以及測控裝置等，同時也應該給打印機以及便攜式計算機預留出足夠的位置，以便設備的活動支架可以自由拉出。同時，在控制信號盤上也應該進行報警裝置的設置，報警裝置應該設置預警以及報警 2 種不同的音響，并使控制信號盤的開關可以實現(xiàn)投入和排除 2 種模式的轉換，報警裝置的音響應該可以自動復歸，并可以對報警的時間進行調(diào)整。另外，在控制信號盤上也應該對有關的試驗繼電器、控制信號繼電器、報警信號燈以及軌電位變送器等裝置進行設置。在控制信號盤上也應該安裝兩插頭以及三插頭的 220 V 交變電流插座，插座的容量都應該在 10 A 以上，這樣才可以為測試設備提供足夠的電能。

2.2.2 站控主單元

在整個變電所中，站控主單元是其信息的中心，其組成部分有主處理器模塊、電源模塊以及各類的接口模塊等。通過站控主單元，可以在所有的系統(tǒng)、設備以及工作站之間傳輸信息，同時也可以對來自于電力調(diào)度中心的指令或變電所的指令進行接收，并將其發(fā)送給各個基礎設備。另外，站控主單元也會對基礎設備中的各類信息進行采集和處理，它有著強大的處理功能和良好的恢復功能，其輸入接口和輸出接口都可以擴充。

2.2.3 通用控制單元

通用控制單元的主要組成部分有半機箱和標準的 I/O 模塊。在通用控制單元中，采用模塊化的方式對控制裝置進行設計，其配置有著靈活的特點，在總插槽數(shù)量一定的情況下，可以對其中的各個系統(tǒng)進行任意形式的組合，可實現(xiàn)直流測量、控制以及開關量采集等功能，在實際的應用過程中，雙CAN 接口可以使其與通信控制器之間形成良好的連接，進而形成一個分布式的、面向用戶的變電站自動化系統(tǒng)。

2.2.4 一體化監(jiān)控計算機

在系統(tǒng)的控制信號盤的前面板上，會配置工業(yè)一體化工作站以及鍵盤等設備，利用瀏覽器中的操作功能鍵，采用數(shù)據(jù)輸入的形式或者是菜單檢索的形式可以對系統(tǒng)中所有的事件信息、測量信息等進行查看，并以漢字的方式將這些信息數(shù)據(jù)顯示在人機對話界面中，進而實現(xiàn)系統(tǒng)的一體化集中監(jiān)控。

3.1 所內(nèi)監(jiān)控網(wǎng)絡

所內(nèi)監(jiān)控網(wǎng)絡的組成部分有網(wǎng)絡接口設備以及通信網(wǎng)絡，可對單網(wǎng)結構、光纖以太網(wǎng)以及網(wǎng)絡拓撲結構進行星型連接，如果一個節(jié)點出現(xiàn)故障，其他的網(wǎng)絡節(jié)點不會受到影響，很容易找到故障，并將故障隔離。在監(jiān)控網(wǎng)絡的通信速率是10/100 M，通信協(xié)議是 TCP/IP 通信協(xié)議，在聯(lián)網(wǎng)設計的過程中對應用層的通信協(xié)議進行確定。

3.2 交換機

交換機包括所內(nèi)的組網(wǎng)交換機以及遠程通道擴展的交換機。前者可以避免所內(nèi)的通信網(wǎng)絡受到電磁信號的干擾，滿足變電所通信技術的綜合性、自動化測量要求，并對變電所進行控制與保護，后者可以對通信通道進行遠程擴展。

在間隔設備層中，變電所綜合自動化系統(tǒng)要接入各個機電設備中分散安裝的微機保護測控單元、智能測控單元以及信息采集單元等單元，現(xiàn)場設備通過硬點輸出的形式進行設置。在變電所的綜合自動化系統(tǒng)中，所有間隔單元的組網(wǎng)形式都應該和變電所內(nèi)的通信組網(wǎng)形式一致，然后再納入系統(tǒng)中。

5.1概述

針對用戶變電站（一般為35kV及以下電壓等級），通過微機保護裝置、開關柜綜合測控裝置、電氣接點無線測溫產(chǎn)品、電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置、配電室環(huán)境監(jiān)控設備、弧光保護裝置等設備組成綜合自動化的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了變電、配電、用電的安全運行和全面管理。監(jiān)控范圍包括用戶變電站、開閉所、變電所及配電室等。

Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)是安科瑞電氣股份有限公司根據(jù)電力系統(tǒng)自動化及無人值守的要求，針對35kV及以下電壓等級研發(fā)出的一套分層分布式變電站監(jiān)控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)是應用電力自動化技術、計算機技術、網(wǎng)絡技術和信息傳輸技術，集保護、監(jiān)測、控制、通信等功能于一體的開放式、網(wǎng)絡化、單元化、組態(tài)化的系統(tǒng)，適用于35kV及以下電壓等級的城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)變電站和用戶變電站，可實現(xiàn)對變電站的控制和管理，滿足變電站無人或少人值守的需求，為變電站安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行提供了堅實的保障。

5.2應用場所

適用于軌道交通，工業(yè)，建筑，學校，商業(yè)綜合體等35kV及以下用戶端供配電自動化系統(tǒng)工程設計、施工和運行維護。

5.3系統(tǒng)架構

Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式設計，可分為三層：站控管理層、網(wǎng)絡通信層和現(xiàn)場設備層，組網(wǎng)方式可為標準網(wǎng)絡結構、光纖星型網(wǎng)絡結構、光纖環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡結構，根據(jù)用戶用電規(guī)模、用電設備分布和占地面積等多方面的信息綜合考慮組網(wǎng)方式。

5.4系統(tǒng)功能

5.4.1 實時監(jiān)測：直觀顯示配電網(wǎng)的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路有關故障、告警等信號。

5.4.2 電參量查詢：在配電一次圖中，可以直接查看該回路詳細電參量。

5.4.3 曲線查詢：可以直接查看各電參量曲線。

5.4.4 運行報表：查詢各回路或設備某一時間的運行參數(shù)。

5.4.5 實時告警：具有實時告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娀芈愤b信變位，保護動作、事故跳閘等事件發(fā)出告警。

5.4.6 歷史事件查詢：對事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

5.4.7 電能統(tǒng)計報表：系統(tǒng)具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內(nèi)各配電節(jié)點的用電情況。

5.4.8 用戶權限管理：設置了用戶權限管理功能，可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限。

5.4.9 網(wǎng)絡拓撲圖：支持實時監(jiān)視并診斷各設備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡結構。

5.4.10 電能質(zhì)量監(jiān)測：可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量和電能可靠性狀況進行持續(xù)性的監(jiān)測。

5.4.11 遙控功能：可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的設備進行遠程遙控操作。

5.4.12 故障錄波：可在系統(tǒng)發(fā)生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各種電氣量的變化情況。

5.4.13 事故追憶：可自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時穩(wěn)態(tài)信息。

5.4.14 Web訪問：展示頁面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測點位數(shù)量等概況信息，設備通信狀態(tài)，用電分析和事件記錄。

5.4.15 APP訪問：設備數(shù)據(jù)頁面顯示各設備的電參量數(shù)據(jù)以及曲線。

5.5系統(tǒng)硬件配置

綜上所述，城市軌道交通的發(fā)展不僅方便了當今城市居民的生活，同時也有效促進了城市的經(jīng)濟發(fā)展，城市軌道交通的安全穩(wěn)定運行也越來越受到社會各界的關注。基于這一情況，我們應該將電力監(jiān)控系統(tǒng)合理應用到城市軌道交通的運行監(jiān)控與管理中，通過先進的技術與設備，對城市軌道交通的各種運行情況進行實時監(jiān)控。這樣才可以保證城市軌道交通的穩(wěn)定運行，提升其運行的安全性，這對于城市居民交通需求的滿足以及城市經(jīng)濟的良好發(fā)展都有著重要意義。

[1]姚永高 .城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)研究

[2] 陶旭東 . 城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)的設計及發(fā)展 [J]. 科技風，2018（18）：163.

[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05版本

作者簡介：

任運業(yè)，男，安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電力監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)與應用。