高速公路电力监控自动化系统整体解决方案

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设计。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)分中心主站系统充分利用网络及计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)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，4－20mA,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RS-485通讯接口，CANBUS通讯接口；ModBusRTU/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：NSGeodeTMGXI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线电阻触摸屏。平台软件:在软件方面WindowsCE.net硬实时(Hard-realtime)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-criticalanddeterministiccontrol）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,以监视通讯状态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