淺談ACREL-2000供配電監控系統在高速公路領域的應用
吳海英
上海安科瑞電氣股份有限公司，上海 嘉定 201801
摘要：安科瑞的ACREL-2000型電力監控系統軟件借助了計算機、通信設備、計量保護裝置等，為系統的實時數據采集、開關狀態檢測及遠程控制提供了基礎平臺。該電力監控系統可以為企業提供“監控一體化”的整體解決方案，在很多領域都有很好的應用，例如建筑、冶金、石化、煤炭、鐵道、環保、輕工、高速公路等行業以及工業企業等供配電系統中。本文主要介紹ACREL-2000型供配電監控系統在高速公路中的應用。高速公路供配電呈帶狀分布、點多且分散，利用光纖組網，吸收當前電力自動化、計算機通信組網、自動控制領域的先進技術，按分層分布式結構設計，并經實際運行使用，證明其性能可靠、功能適用，能有效地提高我國高速公路特別是隧道較多的山區高速公路供配電管理的安全可靠性。
關鍵詞：ACREL-2000、高速公路、供配電監控系統
0 概述
高速公路供配電系統給沿路各收費系統、通信系統、隧道通風、照明、運行監控及辦公、生活設施等提供可靠的電力保障，這些負荷從不同角度保證整個高速公路的安全可靠運行和運營單位的正常經營，任何電力中斷均有可能給交通安全和管理運營帶來不可估量的損失，而高速公路的供配電系統又隨著負荷點的分散呈現出沿著高速公路呈狹長的帶狀分布的特點，供配電所數量大，位置分散，按運營管理單位的不同可能面臨幾十公里和幾百公里不等的供電范圍，給整個供配電系統的管理提出了嚴峻的考驗，供配電管理部門常常不得不面臨人員少、維護勞動強度大的問題以及供配電網常期處于山區或鄉村所面臨的高風險、高技術、大責任的電力專業管理需求和人員素質之間的矛盾，設計一套能有效的減低工作人員的勞動強度、提高工作效率、避免人為事故發生的供配電遠程監控及其維護管理系統意義重大，為此，我們結合電力系統的自動化運行經驗，根據高速公路的供電運營實際，使ACREL-2000供配電監控系統更好的為高速公路供配電監控服務。
1 分層分布式結構
我們將具有從當地供配電系統直接引入電源的變電所（或開閉所）稱為中心變電所，一條高速公路往往由幾個中心變電所組成，各收費站、服務區、隧道或辦公樓從中心變電所取電源經變壓后給相應負荷供電。
根據供配電網絡架構和設備安裝的需要，我們設計了三層分布式供配電監控系統網絡模式，即在高速公路管理中心設立供配電監控中心，為分層設計的最高層，也是全網數據匯流中心，負責全段高速公路供配電系統的電網監視、遠程控制和設備維護管理，在各中心變電所設立監控分中心，負責本所轄區各配電所的電網運行狀態監視、遠程控制和設備維護管理，在各收費站、隧道、高速公路服務區等配電所設立第三層監控站，負責相應配電所的電網數據采集和當地設備維護。隨著網絡技術和計算機技術的發展，使得設備層的數據采集和遠程傳送成為現實，因此我們所有的數據采集裝置均隨著一次系統的布置就地安裝，各監控站、不同監控分中心之間功能分布、互不影響，構成了一套系統分層、功能分布、安裝分散的高速公路供配電監控系統，監控中心、監控分中心、監控站之間以及監控站各采集裝置間均采用高速工業以太網通信，并通過網絡式遠動傳輸規約IEC870-5-103規約進行數據交互。
2 組網設計
要真正實現系統的分層分布式運行，使得系統各單元間相互影響程度達到最小，還必須建立一個良好的通訊網絡。在高速公路的通信網絡中，可提供用于供配電監控的組網通常有電話專線組網和光纖直接組網。電話專線組網利用高速公路運營企業自身的電話交換網絡，在需要通信的監控中心和各監控分中心之間、監控分中心和各監控站之間申請設置若干對音頻專線（條件許可也可以租用地方音頻專線），通過音頻MODEM將采集來的數據信號調制成音頻信號在專線電話上傳播，并在數據接收時將音頻信號還原成數據信號通過串口服務器或計算機多串口卡送給監控中心或分中心的計算機處理。這種方式的特點是拓撲結構簡單，擴展方便，在目前數據量小的監控領域應用較為廣泛，但其缺點是數據的傳輸采用RS232接口模式，傳輸速率和傳輸可靠性較低，各站間采用點對點通信模式，占用通信資源大，維護也較為困難，特別是在底層監控站數量較多時，將占用大量的電話線路資源，且受串口服務器的數據處理能力限制，也很容易在監控中心點造成數據通信的瓶頸。
另外一種可以選擇的通信模式為直接利用光纖組建供配電監控局域網。由于通信需要，沿高速公路兩側往往鋪設數量不等的光纜，我們可以利用光纜中的少數光芯組建供配電系統專用的監控局域網。由于局域網通信可以很方便的達到10M或100M以上的通信速率，因此這種組網方式不存在供配電監控的任何瓶頸，且由于局域網通信可以方便的組建成總線結構，所以在未來的擴容和維護上能給用戶帶來很大的方便。在京珠高速粵境北段供配電監控系統中采用了光纖局域網通信模式，為了節省主干光纜，在網絡組建時可以大量使用網絡交換機級聯技術，如附圖。
由附圖可以看出，整個系統組網可最多占用兩對主干光纖完成。
3 ACREL-2000（高速公路）供配電系統實現的主要功能
以ACREL-2000供配電監控系統為基礎，結合ACREL-2000供配電監控系統在其他行業的應用經驗，綜合當今電力自動化研究新成果和高速公路供配電管理運營的實際情況，經多次設計、研討、改進，使得ACREL-2000供配電監控在高速公路供配電監控能夠實現以下功能：
3.1友好的人機交互界面（HMI）
標準的變配電系統具有CAD一次單線圖顯示中、低壓配電網絡的接線情況；龐大的系統具有多畫面切換及畫面導航的功能；分散的配電系統具有空間地理平面的系統主畫面。主畫面可直觀顯示各回路的運行狀態，并具有回路帶電、非帶電及故障著色的功能。主要電參量直接顯示于人機交互界面并實時刷新。
3.2用戶管理
本軟件可對不同級別的用戶賦予不同權限，從而保證系統在運行過程中的安全性和可靠性。如對某重要回路的合/分閘操作，需操作員級用戶輸入操作口令外，還需工程師級用戶輸入確認口令后方可完成該操作。
3.3數據采集處理
ACREL-2000型電力監控系統可實時和定時采集現場設備的各電參量及開關量狀態（包括三相電壓、電流、功率、功率因數、頻率、電能、溫度、開關位置、設備運行狀態等），將采集到的數據或直接顯示、或通過統計計算生成新的直觀的數據信息再顯示（總系統功率、負荷最大值、功率因數上下限等），并對重要的信息量進行數據庫存儲。
3.4趨勢曲線分析
系統提供了實時曲線和歷史趨勢兩種曲線分析界面，通過調用相關回路實時曲線界面分析該回路當前的負荷運行狀況。如通過調用某配出回路的實時曲線可分析該回路的電氣設備所引起的信號波動情況。系統的歷史趨勢即系統對所有已存儲數據均可查看其歷史趨勢，方便工程人員對監測的配電網絡進行質量分析。
3.5報表管理
系統具有標準的電能報表格式并可根據用戶需求設計符合其需要的報表格式，系統可自動統計。可自動生成各種類型的實時運行報表、歷史報表、事件故障及告警記錄報表、操作記錄報表等，可以查詢和打印系統記錄的所有數據值，自動生成電能的日、月、季、年度報表，根據復費率的時段及費率的設定值生成電能的費率報表，查詢打印的起點、間隔等參數可自行設置；系統設計還可根據用戶需求量身定制滿足不同要求的報表輸出功能。
3.6事件記錄和故障報警
系統對所有用戶操作、開關變位、參量越限及其它用戶實際需求的事件均具有詳細的記錄功能，包括事件發生的時間位置，當前值班人員事件是否確認等信息，對開關變位、參量越限等信息還具有聲音報警功能，同時自動對運行設備發送控制指令或提示值班人員迅速排除故障。
3.7四遙功能
ACREL-2000型電力監控系統不僅能實現常規的“遙信”、“遙控”、“遙測”、“遙調”功能，還可以實現“遙設”功能。
l 遙信：實時對開關運行狀態、保護工作等開關量進行監視。計算機實時顯示和自動報警。
l 遙控：通過計算機屏幕選擇相應的站號、開關號、合/分閘等信息，并在屏幕上將選擇的開關狀態反饋出來，確認后執行，實時記錄操作時間、類型、合開關號等。
l 遙測：通過計算機實時對系統電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、超限報警、頻率進行不斷地采集、分析、處理、記錄、顯示曲線、棒圖，自動生成報表。
l 遙設：用于遠方修改分散繼電保護裝置的定值、控制字；以及調整各種儀表的工作狀態。
3.8 GPS天文衛星時鐘對時，使得整個監控系統包括各數據采集裝置具有統一的時鐘，便于運行數據的管理和事件分析；
3.9電網分析和操作閉鎖功能，可根據電網的實時運行工況進行網絡拓撲分析和動態著色、潮流計算、短路電流計算等功能，還能根據電網開關、刀閘的實時狀態進行分析判斷，對危及電網安全的操作進行閉鎖；
3.10地理位置顯示，設備的屬性和地理位置關聯，以將設備的電氣位置與實際地理位置相對應，給設備的維護管理提供方便；
3.11系統運行工況監視，可自動監視供配電監控系統本身的運行狀況，及時發現系統自身隱患，保障監控系統的可靠運行。
基于上述設計思想，我們設計了京珠高速公路粵境北段供配電監控系統。整個供配電監控系統設立監控中心、監控分中心、監控現場三層結構，監控中心設立于東田管理中心，下屬4個監控分中心，監控分中心共下轄22個監控站，下級層從屬于上級層結構，又能獨立運行且功能協調，同一層結構中的任一部件故障均不影響同級層的其它功能和上級層的整體功能，監控站各數據采集裝置和協議轉換裝置相互獨立，互不干擾，既有利于提高系統可靠性，又極大的方便了系統的檢修維護。系統采用至下而上的全工業以太網通信組網模式，具有抗干擾能力強、接口方便可靠、傳輸速率快的特點。對10KV高壓進線、10KV高壓饋出線、6KV中壓開關柜、所轄各站低壓（380V）總配電柜均實現了電網運行參數和狀態的遠方監視控制，實現了低壓各分支路的電壓、電流等實時運行參數的監視，以判斷是否正常供電等。還實現了對干式變壓器、柴油發電機、消弧線圈等設備的運行監視以及微機繼電保護裝置的運行狀態監視、保護定值管理等功能。我們采用網絡式RTU作為監控站的數據測控主要設備，并配備網絡交換機和光纖收發器組建工業以太網，滿足了配電所、隧道等工業應用環境要求經現場運行，系統穩定，適用性高，給供配電管理帶來了很大的效益。
現場監控儀表主要采用安科瑞的ACR230ELH、PZ80L-E4、ARTU-K32等智能監控單元，它們的功能如下：
ACR230ELH主要功能有：LCD顯示、全電參量測量（U、I、P、Q、PF、F、S）；四象限電能計量、復費率電能統計；THDu，THDi、2-31次各次諧波分量；電壓波峰系數、電話波形因子、電流K系數、電壓與電流不平衡度計算；電網電壓電流正、負、零序分量（含負序電流）測量；4DI+3DO（DO3做過壓、欠壓、過流、不平衡報警）；RS485通訊接口、Modbus協議或DL/T645規約。外形尺寸：120×120mm，開孔尺寸：108×108mm。適用于高壓重要回路或低壓進線柜。
PZ80L-E4主要功能有：LCD顯示、全電參量測量（U、I、P、Q、PF、F）；四象限電能計量、外形尺寸：開孔尺寸80×80mm，開孔尺寸72×72mm。適用于動力柜。
ARTU-K32主要功能有：32路開關量采集，RS485/Modbus協議，SOE事件記錄。
經過現場運行表明，該套系統滿足了監控站的無人職守或無人值班要求，實現了供配電網的自動化管理，對于提高工作效率，減少設備維護工作量，避免人為操作事故，減少停電時間有著很重要的作用，產生了較大的經濟效益。
4結束語
本文闡述了ACREL-2000供配電監控系統在高速公路中實現遠程監控和自動化管理的意義及方法，并就系統組網、網絡通信、功能設置等多方面設計要點進行了論述，結合高速公路供配電監控系統實例，證實了ACREL-2000供配電監控系統具有較強的適用性和可靠性，能有效地提高供配電管理的效率，提高供配電網的可靠性，減少了供配電維護人員的工作強度，減少了管理維護人員數量，縮短事故處理時間，減少了人為事故和設備事故的發生概率。
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