高速公路电力监控自动化系统整体解决方案.pdf

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1、高速公路电力监控自动化系统整体解决方案初探 上海合力网数字技术有限公司 一、概述 高速公路电力监控自动化系统以 10KV 供电系统、收费站变配电系统、隧道照明通风配电系统为对象，是高速公路营运的重要组成部分；对多隧道山区建设的高速公路，涉及面更广，要求精心规划、设计、选型、实施；电力监控自动化系统以地区职能管理机构为建设主体，与机电/三大系统密不可分，要求处理好电力监控与各相关系系统的接口与实施界面。高速公路电力监控自动化系统主要包括设置于分中心的主站系统与安装于外场的各类测控保护装置；通过分中心主站系统的远程集中监控功能,外场测控装置的自动控制及就地监控主机的自动控制功能以达到全线路电力供配

2、电及隧道通风照明的自动化管理，解放人力资源，实现全系统各站/所及隧道通风照明的无人值班。通过设于外场的各类测控保护装置实时采集供用电系统、收费站、隧道照明通风等供电设备的运行状态及对进线、出线(含空开)、变压器等状态的监视，对故障动作信号的采集，将加快对故障的响应和处理速度，缩短故障的停电时间；通过分中心监控主站还可以远程遥控分合相应开关及接触器回路（尤其是隧道照明通风及环网点，双电源切换开关等），提高供电及隧道运营的可靠性；通过对各段母线电压实时采集，调节电压合格率的提升，为电气设备稳定运行打下坚实的基础；对电度的采集可以全面了解负荷变化及耗电成本。高速公路电力监控自动化系统的建立将充分保证

3、高速公路营运的稳定安全可靠运转。本文是对多个项目的整体设计经验的总结，供开展同类项目的规划，设计，建设单位参考。二、系统对象 1)区域,中压开关站,环网供电:高速公路以长隧道/特长隧道或短隧道群为一个供电区域,20KM 以内距离为优，形成双电源环网供电为主体。图 1:该区域 K181-K195,包括特长隧道 3785,长隧道 1417,1 个短隧道,三个中隧道;共设计了三个 10KV 开关站,特长与长隧道之间形成了环网,特长两侧形成双电源.2)短隧道集中供电分布控制的照明配电结构 图 2:400 米内的短隧道选择了一侧建立组合变电站集中供电分布控制的配电结构;该图洞口的配电柜一回 380V 向

4、左洞供电,一回向右洞供电,备用一路;左/右洞三个照明配电箱.3)长/特长隧道中压分布供电分布控制的照明风机配电结构 图 3:该图是特长隧道的右洞配电结构图,洞口设置一台箱,分五路独立向洞内风机供电;隧道内设置了五台照明变,洞口带两个照明箱,洞内带四个照明箱;隧道内还设置了四台风机变,各带一面风机箱.三、系统总体设计 3.1 三层架构,突出浏览与远程参数设置的系统设计 面对距离长，隧道多的高速公路，我们提出三层架构,突出浏览与远程参数设置的系统架构架构设计。三层架构指三层架构指：第一层：分中心主站层；第二层：区域就地监控主机；第三：外场各类(保护)测控装置。第一层与第二层通过主干光纤以太网结合一

5、体；第二层与第三层通过区域内部光纤数据网或总线数据网结合一体。我们将长隧道建有配电房及 10KV 开关站为一种区域类型(配置一体化工作站),短隧道及箱式变电站为另一区域类型(配置通信集中器)。区域就地监控主机我们也简称”中间层”短隧道 图 4:该图表达分中心与中间层的远程结合,中间层与隧道配电监控器的结合.尤其表达出光纤以太网上的主机的类型与位置.突出浏览与远程参数设置的系统设计是指：区域就地监控主机与分中心主机都是(通信系统提供的)光纤以太局域网的主机，分配了固定的 IP，每台主机兼具 Server/Client 双重身份，中间层应将上行数据信息及参数表达为 WEB 的动态网页，而分中心只要

6、运行浏览器通用工具软件，就可以在工作站上监控外场电气设备/监控系统本身的实时运行状态并进行参数的设置。本系统总体架构具有:【主从关系 1：30 的适度比例，带来系统实时性能指标提高】分中心通信机为主，中间层为从，主从比例 1:30，主从循环一次时间毫秒级内，中间层为主：测控装置为从，主从比例 1:30，主从循环一次时间秒级内，完全能保证电力监控系统全面循环一次 I/O 点的时间在 3 秒之内。【利于项目的推进】高速公路机电设备项目是通车前的最后工程之一，时间短任务重，利用运行浏览器通用工具软件就能实现与试通车同步监控初步目标。【界面友好利于维护使用】(1)分(1)分中心主站系统充分利用网络及计

7、算机发展的成熟技术，利用了多媒体界面表达技术，为运行操作维护人员服务；(2)一体化工作站系统利用了触模屏人机界面技术，新潮美观大方，体现了重点项目的品质与形象；通 长/特 长 隧 道 分中心内子系统 高速公路通信系统提供的光纤以太网平台 通信管理机 数据库服务器 电力操作 维护站通信 集中器 一体化 工作站 一体化 工作站 1234567信集中器也具有汉显液晶菜单的人机界面。这为外场调试，处理与相关系统接口提供了巨大的便利友好。(3)照明/通风配电系统的测控装置选择了宽温液晶显示人机界面，面板上还带由调试用接口，给现场检修调试及设备维护提供了最为简捷的途径；3.2 高品质高性能光纤以太网平台

8、从系统架构可以看出，第一层与第二层才是真正的远程，是电力监控最为核心的部分。主干光纤网及光纤网络交换机构建的平台应满足：1）网络稳定，2）不失数据包，3）数据传输的速率；4）提供网管监控维护，5）适应电力监控数据传输的特点。3.3 强化中间层主机的控制功能 加将时序控制/光照度自动控制/风机自动控制/参数远程设置等功能，结合第三层的测控装置，实现九成以上的控制功能由外场自动化子系统完成。3.4 选择具备行业特点的综合监控装置 隧道照明风机配电箱测控装置的功能是：1)采集电流，电压;2)采集空开/接触器位置，其它状态信号;3)对电操开关及接触器的控制;4)简捷明了的 LED 及汉显人机界面;5)

9、通讯;经工程实践表明，我们认为还应该包括如下功能 6)利用电流电压计算出进线的有功电度量，为成本/线损变损分析提供支持；7)时序自控；8)节能器主路旁路启动运行自控；9)失电后保持来电后自动恢复继电器输出；10)将参数设置表达于汉显菜单的同时融合到数据通讯协议报文中。3.5 外光内铠缆的隧道数据通讯 洞内以铠装双绞屏蔽线为通信物理介质,出隧道洞口及洞内每间隔800m-1000m配置一台数据光端机,形成外光为主 铠装双绞屏蔽线为辅助的双重结构。3.6 直接或间接地为外场电气设备的防护提供监视 主要包括对开关站、箱式变电站，10KV/380V 回路电缆，埋地变,隧道照明/风机配电箱等机电设备的远程

10、运行监视与监护。如：隧道内洞室安装的埋地变可以通过低压出线所配接的照明风机箱的电压电流间接监视埋地变运行稳定良好性，如监视主空开的跳闸，接触器的分位，回路电流的突变等等数据进行综合分析，就可以给出 10KV/380V 电缆的远程监护报警功能，又如:隧道照明/风机箱外门内侧加装红外线接点传感器,向分中心传递配电箱关门或开门状态,开展直接或间接地为外场电气设备的防护提供监视的研究，对上佰公里路程无人在外场每时每分巡护的的情形下，具有重要意义，提示各方关注。四、隧道配电监控器(SPJQ)隧道照明配电箱的测控装置有选配 PLC，也有选配电力行业特点的 RTU，我们基于工程实施，认为应突出满足高速公路特

11、点的综合监控装置。4.1 技术要求 1)汉显人机界面，方便观测、设置与调试;2)多 CPU 结构，DSP 为核心，技术先进 3)工业级宽温环境设计，可靠性高 4)装置必定严格适应工作电压的上下偏超（175v-260VAC）之间 5)通信组网能力强 4.2 功能要求 基本功能(1)标准 PT、CT 输入，交流采样;以 I,U,等基础，计算出 P,Q,COS,F,有功电度量;测量精度：电流/电压 0.2，其它电量 0.5；(2)标准工业模拟量采集回路，420mA,1-5V 可设置；(3)32 路开关量光隔输入，均带 LED 状态指示；(4)16 路继电器控制输出，均带 LED 状态指示；(5)标准

12、 RS-485 通讯接口，CANBUS 通讯接口；ModBus RTU/ASCII 等通讯协议；自控功能:(1)时序自控:可以设置两段时序,24 个输出继电器在时间段内设“开”,“关”,(2)节能器自控:采集三相电压,设置启动值与返回值,指定输出继电器来接通旁路或主路;(3)回路自动恢复:保持并记录下照明配电箱接触器(电动空开)在电压消失时的状态,在来电后立即自动恢复到“失压时保持的”输出状态；远程维护功能:将参数设置必定要融合到数据通讯协议中：主要包括：时序控制参数，DO 输出类型参数，ID，BPS 等，这样就地监控主机/分中心就浏览或其它界面远程设置外场任何装置的参数了。4.3 性能:绝缘

13、耐压,耐湿,抗振动,抗冲击等性能符合 GB7261-87 中的规定;抗幅电磁场干扰性能:符合 GB/T14598 中的三级规定;抗高频电气干扰性能:符合 GB6162 中规定;抗静电干扰性能:符合 IEC-255-22-2 中的三级规定;抗快速变干扰性能:符合 GB/T14598.10-1996 中的规定.五、中间层监控主机系统 为了更好地认识并处理上佰公路的整体对象，我们提出区域的概念，将长隧道及 10KV 开关站归为一类型,选配一体化工作站为就地监控主机;将短隧道及箱式变电站归为另一类型;选配基于Zworld 的 OP7100 硬软平台控制器为通信集中器。5.1 通讯集中器基本设计 主要配

14、置:网络（RJ-45）端口，RS-485 端口，RS-232 端口；CANBUS 端口，液晶的人机界面/内部配置开关电源模块。基本功能:(1)通过 RS232，RS485 采集测控装置的通讯数据；(2)通过 RJ45 以太网口,采用 UDP 的方式将通讯数据转发到主站中心；(3)具有时序控制功能，时序组合方便灵活，可以满足多种时序控制模式的需求；(4)当地控制功能，对各个控制单元都可以在当地进行控制；(5)通讯故障判断功能，通讯发生故障，可以通过界面显示和语音报警；(6)参数配置功能，对装置自身的参数可以通过键盘操作进行配置，如：IP 地址,通讯端口号，时序配置模式等 动态数据网页功能：1）主

15、页，用户名称，密码等登录主项；2）各配电状态，电流电压列表显示；3）可控制对象列表选择合/分按钮；4）时序设置，动作对象的选择配置的参数设置页；5.2 一体化工作站基本设计 硬件环境:液晶平板电脑产品特性：NS GeodeTM GXI 到 300MHz,10.4TFT 液晶显示屏,800*600分辨率,64k 色,2 个扬声器，1 个麦克风，1 个 RS-485，1 个 RS 克风 232，1 个10/100Mbps 网口；1 个 PS 键盘/鼠标口，1 个电源输入输出口，1 个声音输出口，2 个 USB 口,8 个 IO 口强固型 1MM 镀锌板机壳，强化有机板防护，VGA 信号输入，4线电

16、阻触摸屏。平台软件:在软件方面 Windows CE.net 硬实时(Hard-real time)及多工(Multitasking)的特色提供使用者实现即时反应正确可靠控制（time-critical and deterministic control）的可能。基本功能:1）主画面：隧道左，右洞各洞室的照明风机柜分布(进入)的画面及系统运行工况指示；2）触摸热点:隧道照明通风配电一次主接线图，该图上实时显示模拟数据及位置信号；可控对象为热点，触摸可控热点将是操作界面；3)参数配置功能：IP，区域内测控装置的 ID，通讯速率；4)通讯监视功能：可以实时观看向下与测控装置的通讯正确数量,以监视通

17、讯状态 5)上传下达功能:5)上传下达功能:通过 CANBUS 端口实现对划定区域内的测控装置按照 CANBUD 协议采集数据与信息，并将数据通过网络（RJ-45）端口按照转发到远程监控中心,通过网络（RJ-45）端口接受远程监控中心下发的命令并将命令转发到对应的独立点装置执行；接受对时命令并实现各独立点装置的对时；6)时序控制功能：每个照明柜的每个接触器回路可以参与或不参与定时的动作行为（合，分）；7）环境气候参数闭环控制功能：由光照度等参数值来开灯或关灯，依据 CO 的浓度参数值来运行风机或关停风机；8)动态数据网页功能 A.主页，用户名称，密码等登录主项；B.各照明配电柜主接线图，电流电

18、压；C.可控制对象（电动空开，接触器）处 合 分按钮；D.时序设置，动作对象的选择配置的参数设置页；六、通讯子系统设计 10KV 分布供电的隧道照明通风系统,10KV 电缆与照明通风配电箱处于同一电缆沟内,选择铠装屏蔽双绞线为洞内局部通信的物理介质,隧道区域中间层与测控装置的通信主干则是多膜光纤数据通信,简称外光内铠缆通讯 通讯集中器(OP7200):通讯集中器(OP7200):测控装置；:数据光端机；:通信集中器；:光缆；:铠缆。图 5:该图表达了短隧道区域监控的组成.洞内铺设铠装双绞屏蔽线将左右洞的隧道配电监控器(SPJQ)联接到数据光端机的数据端口,由光缆出洞并形成自愈环与通信集中器连接

19、,同时表达了数据光端机的光口/数据口连接.隧 道 隧 道 左 洞 隧 道 右 洞 主干光纤网 七、分中心监控系统 分中心主站系统由通信管理机/数据库服务器/操作维护站等构成独立或与交通监控融合的单网系统,在操作维护站等监控人机界面上，以图形、表格、曲线、声音和动画的方式显示高速公路中低压电网及照明通风的各监控分站/点及系统本身的当前、历史数据信息和报警信息，并通过历史数据库建立各种统计报表信息，同时实现远程的维护与控制操作,主要功能以画面为单位组织。结合行业特点，具体体现如下几个要点：1)功能画面按照【操作员】，【电气工程师】，【系统工程师】三个部分来组织；2)监视，操作，故障响应及处理，记录

20、查询为各功能共同设计；3)画面与高速公路的外场路由及设备密切结合一体；4)界面风格依据岗位要求表述。【操作员监控功能设计】1）依据外场布设的隧道名称主画面（包括消防高位水池监控）；2）点击隧道名称后，是隧道左右两洞的照明灯模拟图，对隧道进行批控制的按键：加强 I,加强 II，加强 III，基本 I，基本 II，应急；如选择点击加强 II，则该隧道的加强 II 灯全部点灯，模拟灯也会一一变成亮色；3）操作员巡检画面：该画面只将一次主接线图的可控制对象接触器回路保留，操作员可以巡回检查照明回路，如果有误，就针对这个回路遥控。操作员巡检与遥控操作画面，简单清晰明了，符合了监控分中心对隧道照明风机控制

21、的操作流程。【电气工程师监控功能设计】1）电气工程师主画面：依次排列的一个一个供电区域；2）中压监视画面：将全面表达一个具体供电区的 10KV 开关站接线图（电压，电流，断路器分 合状态），变压器/埋地变与 10KV 馈线的结合，变压器低压 380V 电压；该类画面将给电气工程师一个对中压电网结构的整体监视图并展示 10KV 进馈回路，变压器等最重要电气设备运行。10KV 电压，380V 电压的消失或偏差（偏高，偏高）是将立即报警。3）以变压器（埋地变）为对象，全面给出该变压器供电的低压柜，隧道照明箱隧道风机箱的一次主接线图，电气工程师要关注一级二级空开的状态，正常（没有检修任务）所有的空开应

22、该是处于【合位】，一出现【跳位】将立即报警；【系统工程师监控功能设计】1）主干光纤网络上电力监控主机与外场一体化工作站/通讯集中器的【通讯状态】，主机 IP，接受发送端口等信息，2）各一体化工作站/通讯集中器管辖区域内部,一体化工作站/通讯集中器与智能测控器的【通讯状态】，包括区域内路由图，ID，数据光端机等结合的维护图,通讯的中断将立即报警。【关于报警】报警处理:声音报警功能,报警文字信息显示功能,报警打印功能,记录入库功能，指示位置图元闪烁功能；报警主要项：10KV 电压/380V 电压失压或偏差越限；空开从合位变跳位；10KV 进线馈线保护跳闸；通讯中断，自动化设备自检，指定回路电流越限

23、等。【关于运行记录报表】1）电力监控系统运行日报表；通讯状态报表；2）中压低压电网电压运行报表；开关，空开，接触器状态报表；3)主回路电流报表，电度量主从关系联合报表及成本核实；4）操作记录/报警记录等查询等。八、系统行业的特点 8.1 安装/接口特点 1)户外设备的运行环境考虑 箱变，隧道照明通风箱等都安装于户外,这就要求选择的测控装置，中间层监控主机具备良好的环境适应性，应选择工业型宽温设备。2)保护测控装置与一次电气设备的结合 保护测控装置都直接安装在中置柜，环网柜，配电柜，配电箱上(内)，一定要考虑便于可维护的安装方式;保证一次主接线二次原理接线端子排图的正确;保证保护测控装置在柜箱成

24、套厂预安装的品质完好保;3)电力监控与交通监控的结合 隧道照明通风可以是手动/遥控/时序自动/按照光照度（及 CO）自动控制等等，要求处理好与交通监控的结合；4)电力监控与通讯系统的结合 主干光纤网要利用通讯系统提供的光纤介质或是介质加光纤通讯设备来实现分中心与外场自动化设备的通讯；8.2 功能特点 1）隧道照明通风可操作的途径多(就地通过柜上分合按键手动，就地通过测控装置界面手动，测控装置时序自动，区域就地监控主机上遥控，区域就地监控主机的时序控制，区域就地监控主机的光照度自动控制，分中心操作),要制定操作规程。2）远程的参数配置及维护。3）应急灯维护:对自带电池的应急灯,主站系统还要给处远

25、程定期冲放电维护措施。4）环网的运行：开环点选择，故障的定位/隔离/非故障区域恢复供电等。5）UPS 运行监视:6)节能:8.3 实施特点 路由设计施工:隧道内部数据光纤环网形成，铠装总线环的形成都要引至洞口并跨越左右两洞，涉及到开挖，动土，破井，预埋等工程，通讯测试:光纤网涉及光路与数据，中间监控层与隧道区域内测控装置的通讯测试，在物理路由形成后要立即进行；变量字典与信息表编制:要求尽快形成并核实 照明风机配电柜现场级基础信息表，区域监控汇总信息表，分中心信息总信息表；必定尽快实现分中心对外场的信号与遥控的完全正确。文档的建立:重点项目要在业代，监理，总包商的领导下，项目实施（技术/工程）文档的建立，上交，归档是管理的基本。技术培训:联合设计起，就邀请业主的工程师参与，做好技术交流。