分體式變電站一體化電源監控系統設計

劉珍，刁守斌，陳曰印，徐苗，曹淑英

（1.國網山東濟南市歷城區供電公司，濟南250100；2.山東魯能智能技術有限公司，濟南250101）

分體式變電站一體化電源監控系統設計

劉珍1，刁守斌1，陳曰印1，徐苗1，曹淑英2

（1.國網山東濟南市歷城區供電公司，濟南250100；2.山東魯能智能技術有限公司，濟南250101）

常規變電站電源系統存在自動化信息化水平低，經濟性差，維護困難等問題。設計并實現了一種結構簡單、裝配靈活的智能變電站一體化電源系統。本系統采用人機交互模塊和信息管理模塊相分離的方式，實現了一體化電源監控的智能化、模塊化。采用層次化、模塊化系統設計，實現各個電源系統和模塊的統一配置管理。系統已經成功應用于多個智能變電站，運行結果表明系統運行穩定、可靠。

一體化電源；變電站；監控系統；變電站自動化

0 引言

常規的變電站站用電源分為交流系統、直流系統、UPS系統、通信電源系統等。一直以來變電站內各子系統采用分散設計，獨立組屏，設備由不同的供應商生產、安裝、調試，供電系統也分配不同的專業人員進行維護管理。這種設計方式帶來很多局限性，如自動化、信息化程度不高，經濟性差，安裝、服務協調較難，運行維護不方便等。近年來智能變電站站用一體化電源，已經從局部試點成為一種常規的變電站站用電源設計方式。國家或行業也陸續出臺了推薦標準，但業內仍少有能完全滿足變電站所有設備統一監控管理的產品。

基于此按照層次化、模塊化的設計方式，設計一套滿足智能化變電站的一體化電源監控系統。使變電站4種電源子系統實現資源、信息共享，并能統一管理、集中監控，以降低站用電源系統的整體設計成本，提高變電站電源系統的管理水平，提高變電站電源系統運行的可靠性和維護效率。

此一體化電源監控系統投運后，可以對整個電源系統的信息采集、狀態檢測、故障預警、過程控制進行統一的集中管理，能準確及時預警，有助于及時發現和處理故障。一體化電源監控系統，可以作為變電站電源系統的集中控制平臺，實現對整個變電站電源系統的集中監控。

1 分層分布式一體化電源監控系統架構

整個一體化電源監控系統采用分層設計，每個電源子系統可以有獨立的分監控，保證了電源運行的獨立性，不會因為某一部分電源故障導致整個一

體化電源系統癱瘓。同時，設置一體化電源總監控裝置對各子監控進行統一、集中管理，使整個電源系統形成一個整體。

系統采用分層分布式設計共分3層，分別為總監控層、分監控層、智能采集模塊層，具體系統架構如圖1所示。

圖1 一體化電源監控系統架構

一體化電源總監控裝置為總監控，負責對下層各個分監控的數據進行采集處理，并發出控制命令。對上級（總控后臺、調度等）信息管理采集單元進行數據傳送和響應控制命令。監控模塊通信方式多樣，可以有多種方式與后臺進行通信，支持CAN，RS-232，RS-485，網線，無線等通信方式。同時支持多種規約，如通信電力常用的RTU-MODBUS規約、CDT規約、IEC101規約、IEC103規約、IEC104規約、IEC61850規約等。

直流電源監控、交流電源監控、通信電源監控、逆變電源監控為分監控，負責對下（各個智能采集模塊）的數據采集和控制操作，對上（總監控）數據傳輸和命令響應。同總監控一樣可以支持多種接線方式和規約。可以根據各個變電站的實際應用靈活配置。

智能采集模塊層主要負責變電站各個基礎單元的數據采集與控制執行。因為分監控可以適應多種通信方式和規約。所以無需重新添購裝置和設備，直接將現有變電站的各種模塊接入分監控即可。對于新建站，可以采用圖1中列出的各種模塊。其中，采樣模塊主要采集各個系統的母線電壓、電流等重要信息。開入模塊主要采集各個系統的開關狀態、饋線狀態、報警輸入等信息。開出模塊接各種報警設備和控制開關，實現實時控制和報警動作等。其余絕緣檢測裝置、電池巡檢模塊、充電機、UPS、ATS等均為各個子系統的配置，可以根據各變電站的實際需求接入相應的設備。

2 分體式一體化電源監控設計

現有的電源監控裝置，多使用工控機（電腦）或者插板式（多個模塊集合式）裝置。這種一體化電源監控裝置存在部分缺陷，如：造價高、成本投入大；體積大、安裝配置不方便；一體化裝置顯示形式單一、界面不夠豐富；功能比較固定，配置不夠靈活。

鑒于以上情況，采用分體式電源監控設計，電源監控由3部分組成，包括信息管理模塊、人機交互模塊、電源模塊，如圖2所示。

圖2 分體式一體化電源結構

電源模塊負責給信息管理模塊和人機交互模塊供電。信息管理模塊負責系統所有數據信息的采集、保存、處理、傳輸等工作。人機交互模塊負責數據展示和與人交互等工作，與信息管理模塊通過串口進行通信和數據的交互。

2.1 信息管理模塊設計

信息管理模塊為一種基于ARM系統的信息綜合處理平臺，可以提供多種接口，支持多種規約。帶有2個網口，11個串口（RS232、RS485可配置），2個CAN口。

硬件平臺采用核心板加底板的開發方式，這種設計的好處是：模塊化設計，配置靈活，易于擴展，底板的資源可以根據設計需求進行裁剪、擴充；便于形成公共技術單元，與其他項目復用；核心板可以作為一個基本的公共技術單元，配置不同的底板形成不同產品的硬件平臺；有利于集中力量解決關鍵問題，CPU核心板的設計密度較大，難度較高，外圍擴展電路設計密度較小，難度較低，模塊化設計有利于集中優勢力量進行核心板的設計。信息管理模塊硬件結構如圖3所示。

圖3 信息管理模塊硬件平臺

信息管理模塊應用軟件運行于高性能的嵌入式Linux系統下。考慮到系統的可移植性以及后續升級維護，采用模塊化、層次化的應用軟件設計方式。本部分軟件可劃分為3層，分別為數據采集層、通信控制層、業務邏輯層，如圖4所示。數據采集層具體負責對下規約的實現，與各種智能采集模塊進行通信；通信控制層是本系統的基礎層，它銜接數據采集層與業務邏輯層，實現整個系統的數據管理及信息的上傳下達。邏輯業務層是針對一體化監控的邏輯控制功能整合，包括充放電管理、開出管理、報警管理、事件管理等。

圖4 信息管理模塊軟件結構

2.2 人機交互模塊設計

人機交互模塊采用MCGS觸摸屏。該觸摸屏造型小巧，結構簡單，便于安裝。具有耐高低溫、防電磁干擾、運行穩定等特點，能夠適應變電站對設備的工業級要求。

軟件采用圖形化設計可直觀展示變電站的電源系統結構（總監控層）（圖5）、系統接線、各個設備配置等變電站整體狀態數據，同時可以顯示各個單元（分監控層）的實時開關狀態（圖6），電壓、電流等模擬量數據和報警提示。根據需要可以產生充放電曲線，電池電壓、電流等數據的報表。

圖5 變電站電源系統結構

圖6 直流電源監控運行狀態

2.3 電源模塊設計

使用AC220V／110V轉DC24V開關電源作為監控電源模塊給監控信息管理模塊和監控人機交互模塊供電。如圖7所示，該電源模塊按照國家標準定制，能夠提供穩定的DC24V電源，方便配電柜設計和安裝。

圖7 電源模塊

3 分層監控和智能采集模塊

目前變電站監控設備多是分監控下帶部分智能采集模塊，或者直接是智能模塊接入上級數據處理中心，甚至智能模塊獨立運行。接線和數據采集方式比較隨意，沒有形成統一管理和規范布置。

本系統采用分層分布式系統結構，接線方式靈

活多樣。監控層監控模塊（總監控層模塊、分監控層模塊）要求可以接入網線、串口線等多種通信線纜，并且支持電力上常用的CDT、MODBUS、IEC103、IEC61850等規約。

分層結構，各個層的任務獨立且明確。對于已經有分監控設備的變電站，可以直接接入總監控裝置進行統一管理改造。對于分監控布局不規范的變電站，也可以加入分監控裝置進行升級改造，對已有的智能采集模塊進行統一管理。

在新的變電站建設中，由于分監控裝置可以兼容多種通信線纜和規約，因此可以方便接入不同廠家的模塊設備，滿足不同用戶對于設備的特殊需求。

4 現場應用

開發完成的分體式變電站一體化電源系統，已通過了電力工業電力系統自動化設備質量檢驗測試中心的型式試驗，并在全國多個省市供電公司推廣應用。

與行業內現有產品相比具有以下優勢：整個系統的網絡化、智能化、數字化水平更高；一體化設計，多套系統可共用蓄電池組，經濟性更好；分布式實現，更注重故障隔離；一體化電源對內統一設計，對外統一通信接口，依據行業推薦標準進行模型及通信接口，兼容性更好；利用一體化電源的二次配電饋線開關采集及管理單元，將變電站輔助設備納入站用電源的管理，實現站用一體化電源系統與輔助設備系統的有效綜合控制；將智能站用電源與服務系統進行無縫銜接后，能夠實現照明、配電、空調、風機、消防、門禁、周界保護系統、生活水泵等職能監控本地化，并最終實現網絡智能化；分體式監控設計，安裝裝配方便，不占用單獨的屏體；布局方便，節省成本。

5 結語

將變電站內使用的交流電源、直流電源、UPS電源、通信電源等電源系統，通過網絡通信、一體化監控、系統聯動等方法整合為一套系統，解決了傳統分離式電源系統的弊端，提高了變電站智能化水平及站用電源管理水平，提高了電源系統的可靠性和靈敏性。通過監控裝置分體式模塊化設計，減少了監控占用空間，節省了成本。基于行業標準設計的模型及通信接口，在進行一致性測試時有明顯優勢。目前，經過推廣使用，證明該系統是一套技術先進、性能可靠、節能環保、符合智能化變電站設計規范的智能變電站一體化站用電源系統。

［1］焦國鋒，雷宏.智能變電站交直流一體化電源系統的研究與應用［J］.陜西電力，2010（10）：37-40.

［2］郭亞昌，王洪峰，苗梅，等.數字化變電站一體化站用電源解決方案［J］.山西電力，2010（1）：7-12.

［3］高翔.數字化變電站應用技術［M］.北京：中國電力出版社，2008.

［4］車浩軍，壽江平.變電站一體化不間斷電源的應用探討［J］.浙江電力，2009（4）：35-37.

［5］陳海登.變電站智能站用交直流一體化電源系統的應用［J］.農村電工，2009，17（5）：31-32.

作者簡歷：

劉珍（1979），女，工程師，從事繼電保護管理及變電工程大修技改項目管理工作。

Design of Integrated Power Monitoring and Control System in Split Substations

LIU Zhen1，DIAO Shoubin1，CHEN Yueyin1，XU Miao1，CAO Shuying2
（1.State Grid Licheng Electric Power Company，Jinan 250100，China；2.Shandong Luneng Intelligent Technology Co.，Ltd.，Jinan 250101，China）

In view of the low level of automation and informatization，the poor economic performance and the difficulty of maintenance of the conventional substation station-service power system，a type of integrated power system，which has a simple structure and is flexible to assemble，is designed.This system adopts the mode of segregated man-machine interactive module and information management module，which achieved intelligent and modular design.Adopting the design of stratification and modularization，the unified configuration management of different power systems and modules is achieved. This system has been successfully applied in several intelligent substations.Operation results show that this system runs stably and reliably.

integrated power supply；substation；monitoring system；substation automation

TM63

A

1007－9904（2016）10－0048－04

2016-04-12