淺談電力監(jiān)控系統(tǒng)在城市軌道交通的設(shè)計與應(yīng)用

王孟春

（安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801）

摘要：本文以呼和浩特市地鐵1號線電力監(jiān)控系統(tǒng)為例，介紹了軌道交通電力監(jiān)控的系統(tǒng)構(gòu)成和系統(tǒng)功能，系統(tǒng)主要由控制中心電力調(diào)度系統(tǒng)、系統(tǒng)骨干網(wǎng)絡(luò)、變電所綜合自動化系統(tǒng)組成。

關(guān)鍵詞：軌道交通；電力監(jiān)控；人機界面

0 引言

城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)主要是對城市軌道交通全線各類變配電所、接觸網(wǎng)等電力設(shè)備運行情況進行分層分布遠程實時監(jiān)視和控制，處理供變配電系統(tǒng)的各種異常事故及報警事件，保障系統(tǒng)的正常運行。以往的電力監(jiān)控系統(tǒng)單獨建設(shè)、集成度較低，每個變電所內(nèi)的接口方式、接口協(xié)議也不盡相同，造成使用困難、維護煩瑣等問題，不能滿足綜合調(diào)度管理與運營穩(wěn)定性的要求。本文所述的電力監(jiān)控系統(tǒng)有以下優(yōu)點：電力監(jiān)控軟件分散布置，主要安裝在控制中心和全線各個變電所中，每個變電所都有對所內(nèi)設(shè)備的監(jiān)視功能，中心具有對全線變電所設(shè)備集中監(jiān)視和統(tǒng)一調(diào)度控制功能；緊急狀況下，通過權(quán)限移交功能，控制中心遙控權(quán)限可以下放至變電所中，變電所具備對設(shè)備遠程控制功能；系統(tǒng)采用冗余的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性；采用豐富的人機界面，便于用戶的操作和維護，如報警推圖、故障統(tǒng)計報表、趨勢分析、電量報表等。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電力監(jiān)控系統(tǒng)主要分布于控制中心、車站、變電所，系統(tǒng)采用熱備冗余的方式，保證系統(tǒng)有高度的可用性通常是集成在綜合監(jiān)控（ISCS）系統(tǒng)之內(nèi)，由控制中心調(diào)度系統(tǒng)、各變電所綜合自動化系統(tǒng)、系統(tǒng)骨干網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)成全線完整的電力遠程監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)按照集中調(diào)度、分散后備的原則來設(shè)計，這種工作模式保證站級可以**獨立于級，并在降級模式下接管中心級的絕大部分功能。

1.1控制中心系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制中心電力監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備由服務(wù)器、存儲、三層工業(yè)級以太網(wǎng)核心交換機、工業(yè)級網(wǎng)絡(luò)拓展交換機、信息安全設(shè)備、調(diào)度員雙屏工作站、打印機及大屏幕系統(tǒng)（OPS）等組成?？刂浦行姆?wù)器部署全線電力監(jiān)控數(shù)據(jù)庫副本，通過系統(tǒng)骨干網(wǎng)絡(luò)與全線變電所通信控制器設(shè)備通信，然后將收到的信息加工處理后在工作站上顯示。

調(diào)度大廳設(shè)備：行調(diào)輔助工作站2套；環(huán)調(diào)工作站2套；電調(diào)工作站2套；維調(diào)工作站1套；總調(diào)工作站1套；交換機1套（冗余）；事件打印機3臺；報表打印機1臺；彩色打印機1臺；中心機房設(shè)備：區(qū)域?qū)崟r服務(wù)器7套（冗余）；中心歷史服務(wù)器1套（冗余）；區(qū)域?qū)崟r服務(wù)器2套（冗余）；可視化數(shù)據(jù)分析服務(wù)器1臺；中心FEP1套（冗余）；磁盤陣列2套。

1.2系統(tǒng)骨干網(wǎng)

控制中心與全線各個車站骨干網(wǎng)交換機組成電力監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部的域網(wǎng)，骨干網(wǎng)絡(luò)采用雙環(huán)型結(jié)構(gòu)，通過通信系統(tǒng)提供的1000Mbps單模光纖實現(xiàn)連接，交換機為工業(yè)級的以太網(wǎng)交換機。當(dāng)其中一條環(huán)路有一個斷點時，網(wǎng)絡(luò)仍可正常運行，當(dāng)一條環(huán)路中有2個斷點時，網(wǎng)絡(luò)自動切換到另一條熱備網(wǎng)絡(luò)。中心級域網(wǎng)：由2臺千兆工業(yè)以太網(wǎng)交換機搭建，兩臺交換機互為冗余，采用TCP/IP協(xié)議并，符合IEEE802.3標準；車站級域網(wǎng)。每個車站域網(wǎng)也由2臺千兆工業(yè)以太網(wǎng)交換機搭建，兩臺交換機互為冗余，采用TCP/IP協(xié)議并，符合IEEE802.3標準。

1.3變電所綜合自動化系統(tǒng)

變電所綜合自動化系統(tǒng)分布于全線各變電所，對本所電力設(shè)備進行的控制、監(jiān)視（可以監(jiān)視臨站環(huán)網(wǎng)設(shè)備）；可獨立運行，無人值守。系統(tǒng)由一個監(jiān)控工作站、2個冗余通信控制器、間隔層設(shè)備組成。監(jiān)控工作站部署本所數(shù)據(jù)庫正本，通過所內(nèi)管理層網(wǎng)絡(luò)與通信控制器通信，通信控制器通過變電所內(nèi)現(xiàn)場總線將所內(nèi)的間隔層設(shè)備連接起來。

圖1變電所綜自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)功能

2.1 控制及操作功能

電調(diào)可以在控制指揮中心調(diào)度工作站上，對全線變電所設(shè)備進行集中控制，包括單獨控制、程序控制、遠方復(fù)歸等。遙控權(quán)限默認在控制中心，變電所無控制權(quán)限，變電所可以向中心請求設(shè)備控制權(quán)限，經(jīng)中心電力調(diào)取確認后，移交到變電所。中心和變電所可以通過遙控權(quán)限移交功能實現(xiàn)遙控權(quán)移交管理，設(shè)備控制權(quán)限可通過權(quán)限移交和強制取回實現(xiàn)在中心調(diào)度員和其他級別操作員之間傳遞；另外，特殊情況時（中心服務(wù)器宕機、中心與變電所通訊中斷）中心的遙控權(quán)限自動下放至變電所，此時變電所也具備遙控功能，待故障恢復(fù)后，經(jīng)過中心調(diào)度人員確認，權(quán)限重新移交回控制中心。

2.2 數(shù)據(jù)采集與處理功能

遙信。電力監(jiān)控系統(tǒng)采集變電所內(nèi)各種裝置的遙信信息，包括位置遙信（雙位置）和保護遙信（單位置）。根據(jù)采用的通訊協(xié)議的不同，設(shè)備的狀態(tài)通過主動上送或是輪詢的方式發(fā)送給電力監(jiān)控系統(tǒng)，實時的顯示在人機界面。位置遙信包括各種開關(guān)的分位、合位，開關(guān)柜手車的工作位、試驗位、退出位，各個設(shè)備的啟動、停止?fàn)顟B(tài)、接觸網(wǎng)帶電狀態(tài)等。保護遙信包括過流保護、零序過流保護、過負荷報警、重合閘失敗報警、變壓器超溫跳閘、整流器超溫跳閘，以及系統(tǒng)過電壓、失壓報警、裝置異常報警信號。

遙測。電力監(jiān)控系統(tǒng)采集35kV系統(tǒng)、1500V系統(tǒng)、變壓器、400V系統(tǒng)、能饋逆變裝置等的三相電流、零序電流、三相電壓、線電壓、系統(tǒng)功率、頻率、功率因數(shù)、電度、設(shè)備溫度等遙測信息。遙測以周期掃描的方式進行采集，采集周期可設(shè)置，長不得小于60s，遙測數(shù)據(jù)以周期的方式保存在歷史服務(wù)器中。根據(jù)采集電度信息可以生成用電量日報表、周報表、月報表、年報表；根據(jù)采集的電壓、電流、溫度等可以棒圖、圖形列表的方式展現(xiàn)出來；根據(jù)保存的遙測信息可以在趨勢圖形中打開，了解設(shè)備在任何一段時間的工作狀態(tài)。

2.3 顯示及操作功能

中心電力調(diào)度、變電所值班人員通過監(jiān)控工作站的畫面對變電所設(shè)備進行監(jiān)視。監(jiān)控工作站實現(xiàn)的主要功能有：用戶登、錄注銷功能；對開關(guān)設(shè)備進行遙控、程控操作功能；對開關(guān)設(shè)備進行遙信、遙測監(jiān)視功能；對開關(guān)設(shè)備進行權(quán)限移交操作功能；歷史事件、報警查詢及打印功能；電量報表統(tǒng)計功能；定值組投退功能。

中心電力調(diào)度工作站圖形畫面。系統(tǒng)根據(jù)用戶權(quán)限的不同，為OCC操作員提供對PSCADA全線設(shè)備的不同監(jiān)視畫面。主要畫面有：全線一次系統(tǒng)圖；全線供電分區(qū)系統(tǒng)圖；全線35kV系統(tǒng)圖；全線1500V系統(tǒng)圖；全線35kV母線電壓柱形圖；全線1500V母線電壓柱形圖；全線1500V開關(guān)饋出電流柱形圖；全線1500V程控送電；全線1500V程控停電；全線1500V接觸網(wǎng)狀態(tài)圖；全線35KV系統(tǒng)、1500V系統(tǒng)、400V系統(tǒng)模擬量顯示圖；趨勢、報表顯示圖；控制權(quán)限移交圖。

變電所圖形畫面。變電所一次系統(tǒng)圖；10kV系統(tǒng)圖；1500V系統(tǒng)圖；400V系統(tǒng)圖；信號光字牌圖；通訊結(jié)構(gòu)圖；變電所平面布置圖；模擬量圖；電能表圖；有源濾波信息圖；交直流屏信息圖；溫控器信息圖；整流柜信息圖；負柜信息圖；接口柜信息圖；鋼軌電位信息圖；自動化屏圖；排流柜圖；雜散電流圖；控制權(quán)限移交圖；遙控組屏蔽。

2.4 報警功能

當(dāng)監(jiān)視到供電設(shè)備產(chǎn)生跳閘、故障等信號時，電力監(jiān)控系統(tǒng)自動推送報警畫面，并且產(chǎn)生報警聲音，以提示相關(guān)人員。

人機界面報警顯示：人機界面報警畫面主要有信號光字牌、報警列表、一次系統(tǒng)圖。報警等級通常設(shè)置為3級，0級為設(shè)備通訊狀態(tài)異常報警、灰色；1級為設(shè)備事故跳閘報警，紅色；2級為設(shè)備運行狀態(tài)異常報警，橙色。1級報警推送一次系統(tǒng)圖畫面，畫面中跳閘的開關(guān)閃爍，顯示設(shè)備故障跳閘；二級報警推送信號光字牌畫面，故障設(shè)備的光字牌閃爍為黃色；報警信息集中顯示在報警列表中，不同的報警顯示為不同的顏色，已復(fù)歸的報警顯示為綠色，未確認的報警狀態(tài)閃爍，已確認的報警不再閃爍，已確認且已復(fù)歸的報警信息不再顯示在報警列表中。

中心調(diào)度系統(tǒng)音響：中心調(diào)度工作站設(shè)置報警音響，當(dāng)報警發(fā)生時，系統(tǒng)根據(jù)報警級別發(fā)出不同的報警聲音來提示調(diào)度人員，當(dāng)調(diào)度人員點擊確認按鈕后報警聲音消失，即使報警已經(jīng)復(fù)歸但是調(diào)度人員仍未確認報警聲音也會一直存在。

變電所報警音響報警：自動化屏設(shè)置事故、預(yù)告音響報警裝置。當(dāng)報警發(fā)生時，安裝在自動化屏柜內(nèi)的報警裝置會發(fā)出報警聲音，當(dāng)事故報警時電笛響；當(dāng)預(yù)告報警時電鈴響，響鈴時間設(shè)置為1min。在自動化屏設(shè)置響鈴?fù)度?、退出轉(zhuǎn)換開關(guān)，當(dāng)達到退出位置時不響鈴；也設(shè)置了音響復(fù)歸按鈕，按下按鈕響鈴?fù)Ｖ埂?/span>

3系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 控制中心調(diào)度系統(tǒng)

呼和浩特市地鐵1號線共設(shè)置2座主變電所，全線共設(shè)22座變電所，其中牽引降壓混合變電所11座，降壓變電所11座，控制中心調(diào)度系統(tǒng)負責(zé)對全線各個變電所的監(jiān)視和控制、事故報警查詢、程控停送電、趨勢查詢等功能。

系統(tǒng)遙控功能，即在系統(tǒng)中心級對接入系統(tǒng)的任何一個可遙控的對象進行合、分遙控；遙控操作執(zhí)行嚴格的權(quán)限管理，執(zhí)行遙控是有操作權(quán)限或經(jīng)過授權(quán)的系統(tǒng)工作人員；遙控可分為單控、程控，并可根據(jù)用戶要求自定義被控制設(shè)備及其順序操作，上述控制方式可以根據(jù)調(diào)度人員的要求設(shè)置手動確認功能；在同一時間，當(dāng)多個工作站對同一設(shè)備進行遙控操作時，根據(jù)用戶的權(quán)限確定遙控的優(yōu)先級。系統(tǒng)具有控制閉鎖功能，當(dāng)現(xiàn)場供電設(shè)備故障時，引起相應(yīng)開關(guān)跳閘，則此開關(guān)控制命令的操作被自動閉鎖；當(dāng)現(xiàn)場供電開關(guān)設(shè)備接地刀閘接地時，操作員可在主接線畫面上開關(guān)符號處設(shè)置接地顯示，對有接地顯示的供電開關(guān)設(shè)備，系統(tǒng)自動閉鎖與之相關(guān)控制命令的操作?？刂崎]鎖功能可以人工投退，且可由用戶自定義。

中心操作員可以對35kV、1500V開關(guān)保護裝置的保護定值組進行統(tǒng)一管理，包括保護定值召喚、顯示、保存、切換、打印等?？梢赃x擇站名、裝置名稱、裝置種類進行召喚顯示、保存，保存后可以按照報表格式進行打印。具有操作權(quán)限的人員可以對35kV、1500V開關(guān)保護裝置的保護定值組進行遠程修改或切換。保護定值組預(yù)先根據(jù)供電系統(tǒng)各種運行模式來設(shè)定，當(dāng)系統(tǒng)運行方式改變時，中心操作員可以從定值組中直接提取保護定值。

3.2 變電所綜合自動化系統(tǒng)

變電所電力監(jiān)控系統(tǒng)采集變電所內(nèi)供電設(shè)備的遙信、遙測信息。信息在HMI界面上實時刷新，以便值班員及時了解現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)。主要監(jiān)控對象包括：35kV開關(guān)柜、1500V開關(guān)柜、0.4kV開關(guān)柜、牽引變壓器、整流器、配電變壓器、排流柜、鋼軌電位、再生逆變裝置等。當(dāng)控制中心失去與變電所內(nèi)的通訊時，中心的控制權(quán)限自動下放至變電所內(nèi)。此時，變電所系統(tǒng)管理員在監(jiān)控工作站上登錄賬戶可以對所內(nèi)設(shè)備實行緊急監(jiān)控。

變電所內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)有2層，分為管理層網(wǎng)絡(luò)和間隔層網(wǎng)絡(luò)，管理層網(wǎng)絡(luò)用于連接通訊控制器與中心服務(wù)器、變電所監(jiān)控工作站。間隔層網(wǎng)絡(luò)由光纖、超五類屏蔽網(wǎng)線、屏蔽雙絞線組成。與35kV保護裝置、1500V保護裝置、400V保護裝置采用光纖通訊，起到加快傳輸速率、避免電磁干擾的功能；與控制信號屏PLC、交直流屏、溫控器、整流器、排流柜、再生逆變裝置、儀表等設(shè)備的通訊采用RS485屏蔽雙絞線，這些設(shè)備需要監(jiān)控的信息量較少、傳輸距離較近，RS485屏蔽雙絞線已滿足電力監(jiān)控實時性要求。

4 安科瑞Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)解決方案

4.1 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(guān)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(shè)備、弧光保護裝置等設(shè)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、用電的安全運行和較全管理。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(yīng)用電力自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息傳輸技術(shù)，集保護、監(jiān)測、控制、通信等功能于一體的開放式、網(wǎng)絡(luò)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。

4.2 應(yīng)用場所

適用于軌道交通，工業(yè)，建筑，學(xué)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(shè)計、施工和運行維護。

4.3 系統(tǒng)架構(gòu)

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

4.4 系統(tǒng)功能

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(guān)故障、告警等信號。

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。

曲線查詢：可以直接查看各電參量曲線。

運行報表：查詢各回路或設(shè)備**時間的運行參數(shù)。

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。

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。

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。

用戶權(quán)限管理：設(shè)置了用戶權(quán)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(quán)限。

網(wǎng)絡(luò)拓撲圖：支持實時監(jiān)視并診斷各設(shè)備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

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。

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

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。

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。

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(shè)備通信狀態(tài)，用電分析和事件記錄。

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

5 系統(tǒng)硬件配置

5 結(jié)語

綜上所述，隨著科技的發(fā)展，電力監(jiān)控系統(tǒng)將對軌道交通的建設(shè)起著越來越重要的作用，如在我國的智能城軌建設(shè)中，還可以通過對所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)來即時生成相關(guān)的維修管理內(nèi)容，實現(xiàn)系統(tǒng)中信息的在線交流等，所以本系統(tǒng)仍需改進和提高以滿足現(xiàn)代化的設(shè)備運營需求。

參考文獻

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作者簡介：

李明君，男，安科瑞電氣股份有限公司，從事電力監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用