輸變電系統的智能化監控研究

摘 要：近年來，由于電腦科技日益發達，帶動光纖測溫及部分放電測試等技術也蓬勃發展，各種智能化監控設備已應用于輸變電系統中，對系統的穩定與可靠度提升幫助甚大。本文主要從輸變電系統智能化監控系統架構及軟件功能兩個方面介紹目前已應用于輸變電系統的智能化監控系統。

關鍵詞：輸變電系統；智能化；監控

1 引言

電力系統主要由發電、輸電、變電及配電等系統構成。為有效提升各系統運轉效率、可靠度，并確保供電品質，均分別裝設電力監控系統（Supervisory Control and Data Acquisition， SCADA）于配電調度中心（Distribution Dispatching Control Center， DDCC）、區域調度中心（Area Dispatching Control Center， ADCC）、中央調度中心（Center Dispatching Control Center， CDCC）。應用電力監控系統除可節省電力維護管理人力及提升供電品質與用電安全外，也可借助電能管理來節約能源降低用電費用。

2 輸變電系統智能化監控系統架構

輸變電監控系統（SCADA）應包含完整的保護、控制、監視和通訊等功能，借助人機界面和套裝控制軟件，以個人電腦執行變電所的控制。基本看來，套裝控制軟件功能包括完整的監視控制和資料收集，以及用于回路控制和保護的智能型電子裝置（Intelligent Electronic Device， IED）。SCADA系統可概分為下列幾部分。

2.1 備份系統

備份系統包括電腦監控主機備份及網絡系統備份，監控主機為管理者對電力設備進行監控的重要界面，而網絡系統則為資料傳送的重要媒介，都必須穩定不出故障。監控主機通常采用復聯式系統架構（Redundancy System），網絡系統則采用Dual Bus Redundancy或Ring Redundancy，采用復聯式系統架構不管是軟件或硬件發生錯誤時，系統仍能繼續且正確地執行某特定工作。復聯式電腦系統由于技術成熟及價格較具競爭力，近十年來越趨重要且普及。以往監控電腦多會浪費時間，現在電腦普遍應用至商業、航管、軍事及工業控制等，只要有些許故障，將嚴重造成環境安全、巨大財物損失甚至生命安危。

復聯式系統之所以越來越重要是因為電腦所需處理的問題越來越嚴格。通常的系統架構包含如下內容：網絡上由兩臺監控電腦同時執行監控功能，一臺為運轉主機，另一臺為備份主機；運轉主機為主要執行控制及監視的電腦，備份主機則以監視為主，但隨時偵測運轉主機的狀況，一旦發現運轉主機故障，備份主機立即轉接成為運轉主機執行控制及監視功能，原運轉主機待修復后自動轉換為備份主機，確保系統運作正常。網絡系統備份若采用Dual Bus Redundancy Network，則由1條主傳輸網絡及1條備份傳輸網絡組成，系統故障時自動切換，若采用Ring Redundancy Network則網絡中任何一節點故障，資料仍可由兩端線路傳回系統，不受節點故障的影響。

2.2 系統校時

一是電腦內部計時電路。每部個人電腦都有兩個時鐘，一為軟件時鐘，另一為硬件時鐘；硬件時鐘靠電源持續運作，軟件時鐘只于電腦啟動時運作，每當電腦電源啟動時，軟件時鐘會在一秒內向硬件時鐘對時。由于硬件時鐘很容易受到各種外在環境因素的影響，大部分電腦硬件時鐘每日誤差約在5～15秒間，故電腦硬件時鐘并不適合精確計時用，特別對于計時精度要求高的電力監控領域。

二是網絡。網絡上的時間協定包括：（1）Day Time Protocol （RFC-867）、（2）Time Protocol（RFC-868）、（3）Network Time Protocol （RFC-1305）、（4）Simple Network Time Protocol （RFC-2030）等。最早使用的網絡時間協定是RFC-867（port 13）和RFC-868（port 37）。Day Time Protocol送出的碼都是ASCII碼，可直接表示日期、年份、時間及時區。Time Protocol送的則是32 bit的binary number，以二進位表示自公元1900年1月1日零時開始的秒數，時區都是格林威治時區。而Day Time Protocol和Time Protocol都只能表示到秒，且無估算網絡的延遲。Network Time Protocol使用port 123，64 bit的binary number，前32 bit和Time Protocol一樣，后32 bit用以表示秒以下的部分，并加上網絡傳遞延遲量的估計。理論上可以精確到2-32秒，實際使用上廣域網絡大約50ms，在區域網絡則可達1ms。在使用上若要求不高，建議采用Time Protocol較簡單方便。若精確度要求在秒以下，建議采用SNTP（Simple Network Time Protocol）。如果是一群工作站需要同步或做精密時間運算，應采用NTP（Network Time Protocol）。

三是GPS。以全球定位系統（Global Position System， GPS）衛星所發射的信號，經接收機接收及解碼后，作為電腦校正時間的依據，其精度小于1ms。由于電力監控對故障分析需詳細記錄跳脫時間，所要求的反應時間在毫秒內，因而應采用GPS校時。

2.3 遠端終端單元

現場電力系統數位、類比資料，由遠端終端單元（Remote Terminal Unit， RTU）設備收集整理，經傳輸系統回傳至控制中心主電腦資料庫，經由處理分析可獲得受控設備運轉狀態。對于有異常狀態的設備，管理操作人員可借助主電腦通過人機介面觸控畫面下達控制指令，直接操控現場開關設備。

2.4 多功能電表

可量取V、A、Hz、功率（kW/kvar）、電量（kWh/kvarh）、功率因素及需量等。并應具備標準通訊界面（如Modbus），以利與電腦設備整合。

2.5 智能型電子裝置（IED）

智能型電子裝置（Intelligent Electronic Device， IED）一般安裝于電力開關設備（Switchgear）內，具馬達保護（Protection）、量測（Measuring）、控制（Control）及通訊（Communication）等功能。

3 輸變電系統智能化監控系統的軟件功能

一是自動定位系統。采用配電盤警報快速跳圖功能，結合系統本身的警報功能，當警報事件發生時，可直接跳入其電力細節圖、電力總圖與平面圖以快速定位故障確實位置，幫助維護人員快速排除故障問題，縮短查詢的時間，能更快速處理警報事件，提供現場操作人員迅速掌握發生事故的配電盤所在位置。

二是配電盤位置圖與單線圖快速跳圖連結功能。平面圖即表示變電站開關室配電盤配置圖，可明確標示出電力盤的相關位置。點選其盤體可進入詳細的電力單線圖。警報發生時，電力盤體會變成紅色，讓使用者能通過Layout清楚了解警報發生位置。

三是數位式保護馬達具有參數定期查詢監視功能，而保護馬達事故跳脫也可以自動報表列印。軟件還具有故障報表資料庫，能夠自動記錄馬達跳脫時的數值，以便于事故分析。另外，暫態波形記錄器可自動記錄電力系統異常被觸發時的暫態波形，以便于事故分析。另外，暫態波形記錄資料庫則可自動記錄每一筆電力系統異常被觸發時的暫態波形。

四是電力品質監視系統可配合IED或及多功能數位電表的電壓/電流諧波量測功能，以即時監視電力系統重要負載及各出入口的諧波污染狀況，做即時警報及改善計劃的參考依據。系統自我診斷是最重要的部分，用以監視系統實際運轉狀態。

4 結束語

電力監控系統的應用對電力系統供電品質、可靠度與穩定度提升幫助甚大，但目前大型電力系統故障異常時，電力監控系統所收集的資料，電力工程人員大都仍需以人為方式判斷，未來監控軟件若能導入專家系統（Expert System），協助電力工程人員作更精確迅速的故障分析判斷，應更能發揮電力監控功能。電纜部分放電測試，對明確重大電纜異常狀況易于判讀，但應用于送電運轉中的輸電線，作為電纜事故前的預警判斷，仍有較大的困難課題待解決處理突破，目前許多專家學者、廠商已導入類神經網絡技術（Neural Network Technlogy），以期能預警性的部分放電測試技術有更突破性的進展。

參考文獻

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