蘇通大橋智能化電力監控平臺的應用與研究

朱永輝 奚培華

江蘇蘇通大橋有限責任公司，江蘇南通 226000

隨著江蘇智慧高速建設發展的需要，電力管控作為蘇通大橋的重要心臟組成部分，為實現供電系統的信息化、遠程管理的實時化、設備信息等的數據化及設備故障提前感知或判斷對于提升整個供電系統的可靠性、縮短發現和解決問題的時間，變電站智能化管理顯得十分必要和迫切。到目前為止，蘇通大橋建成通車已將近10年，通車前期建成的配電房內多數電力監控設備已投入使用多年，有些設備壽命已進入延壽期，設備配置已較難保證運營安全且也很難滿足高速公路信息化要求下的配電房智能化的需求。

1 現狀分析

蘇通大橋現有的電力監控系統主要監控對象為變電所變配電一次設備、橋梁附屬機電設備、道路照明設備以及變電所環境等。具體包括：高壓進出線開關、低壓進線開關、雙電源自動切換開關、低壓母聯、電容補償器、低壓出線斷路器、交流接觸器（ 照明回路） 、變壓器（ 溫控儀） 、變電所環境、航空障礙燈、航道標志燈、除濕機、道路照明等。

目前監控中心采用100M高速以太網；主干環網采用100M高速冗余光纖環網（ 單模光纖以太網） ；系統根據地理位置和被監控對象的類型，在設備相對集中的地方構成11個現場總線控制子網，即竹行、南通服務區、北主線站、張江（ 南通開發區） 、北塔、南塔、南岸橋區、常熟港（ 常熟開發區） 、南主線站以及北引橋埋地變和南引橋埋地變。

監控中心：設1個主電力監控中心（ 設于常熟港變電所） 、1個副電力監控中心（ 設于北主線站變電所） 、1個電力監控調度管理中心（ 設于機電監控中心）。

主干網：主干網以8芯單模光纖（ 4用4備） 為傳輸介質，其傳輸速率是100Mbps。子網采用現場總線控制網絡技術，子網通過通信管理機、光纖交換機與主網連接，整個網絡使用光纖交換機11臺，通管理機11臺。

子網：系統根據地理位置和被監控對象的類型，對于設備相對集中的區域內 （如變電所、埋地變） 的用戶節點用雙絞線構成一個現場基于 LonWorks總線子網系統，再通過通信管理機、光纖交換機連接到光纖主干網上。底層設備主要組網類型為：攝像機/紅外門禁/煙感/溫感 + 視頻編碼器 + 百兆以太網交換機。

目前許多智能儀表存在不同程度的損壞故障，附屬機電設施監測數據無法上傳，致使無法實現真正意義上的遠程監測管理。現有的電力監控系統功能已無法滿足當前的建設管理要求[1]。具體表現在：

（1） 系統兼容性不好。現有軟件在設計之初對未來新型硬件設備的參數、性能、容量無法預判，致使估計不足，導致無法完美兼容新增硬件設備。特別是LonWorks系統配置，對目前市場絕大多數主流電力監控儀表無法兼容，接入均需增設網關轉換，致使主要終端智能儀表市場可供選擇受限[2]。目前，除濕機、航空航標燈、直流屏等通過網關轉換上傳的數據普遍無法上傳，致使無法實現遠程監控。

（2） 系統架構不合理。現有的電力監控系統軟件采用的C/S架構，編程開發工具為Borland Delphi5，數據庫全線均采用Windows Server2003 （32-bit），SQLServer2000 （32-bit） 數據庫。由于現有的架構比較陳舊，軟件技術脫節太大，已經無法滿足現有業務的發展需求。

（3） 安全性低。現有服務器操作系統及數據庫版本低，系統安全防護功能差。服務器無冗余備份功能，一旦設備故障或磁盤損壞，數據將永久丟失。現場表計數據完全依托網絡傳輸至數據庫服務器存儲，未設置現場存儲設備，一旦數據庫服務器故障或網絡中斷，也會導致數據永久丟失[3]。

（4） 設備元件老化嚴重。現有終端儀表由于使用時間較長，內部電子元件老化，電氣特性發生變化，致使數據不穩定且無法與實際數據對應。

綜上原因并擬結合新增供配電設施智能化需求和前期投入的電力監控設施的老化情況，對蘇通大橋電力監控系統改造很有必要，擬采用最新主流電力監控系統對升級和轉換所有電源和配電裝置實現信息化管理，以提高運營管理信息化和自動化水平的電力供應和分配系統，便于管理人員的操作，節省人力和物力資源，降低運營和維護成本，提高安全性，實現無人值守的電源和配電系統。因此，開發一套集成化、智能化電力管控系統成為當務之急。

2 系統解決方案

改造將根據沿線供電設施的建造時間、設備的壽命周期、設備在市場上備品備件器件的可選擇性，以及自動化配電的適應性要求，進行科學合理的選擇。現有電力監控設備已投入使用多年，有些設備壽命已進入延壽期，設備已進入延壽期，繼續使用存在較大的安全隱患[4]。設備配置已較難保證運營安全和滿足高速公路信息化要求下的配電房智能化的需求。為了保證蘇通大橋供電設施的運行穩定，對現有系統進行升級改造，實現運營安全和自動化目標。

2.1 電力監控系統構成

電力監控系統是一個較為完善的電力自動化系統，它充分體現了電力綜合監控系統的三大遠程功能 （遙測、遙信、遙控）。電力監控子系統由計算機監控層、通信系統層、電力監控終端設備層三個層次組成。蘇通大橋電力監控系統架構圖如圖1所示。

圖1 蘇通大橋電力監控系統架構圖

2.1.1 計算機監控層

計算機監控層設置在監控中心，設置在晉濟路隧道電力監控工作站。主要完成各變電站電力設備的數據采集和先進應用。供配電系統的實時數據、報警、環境等信息是主站從各變電站的設備監控單元等自動系統中獲取的。對整個供電配電系統進行監控，分析供電配電系統的運行狀態，對整個監控供電配電系統進行有效的控制和管理，使供電配電系統處于最優運行狀態。監測站將在電力監測站的監測和仿真屏幕上實時顯示有效數據，為了保證管理中心對供電系統的全局運行狀態的掌握和協調各自動化系統的運行。

2.1.2 通信層

電力監控系統采用原通信系統網絡完成其傳輸。由現場總線進行各變電站的數據采集和通信。通信系統層的組成主要有華為光通信設備、電源監控通信管理機、數據光終端機等設。

主干通信網絡是利用通信系統的原始網絡完成的，電力監控系統監控站子網與通信系統通信室通過分支光纜連接。

每個變電站設置1臺通信管理機，通信管理線與附近通信系統的2M端口相連，下行通信接口為RS485、CAN等現場總線接口，與變電站智能保護測控裝置通信。構成現場總線通信系統，完成集中監控數據信息和協議轉換，實時傳輸和采集終端設備數據信息，與電源監控工作站上游通信。

2.1.3 電力監控終端設備層

終端設備層主要由高低壓測控裝置、變壓器溫控儀和視頻環境監控設備（ 攝像機、各類報警器、傳感器等） 設備構成。該設備采用模塊化、整體式結構，采用面向對象數據采集和數據集轉換傳輸的標準模式配置[5]。各類終端設備帶有通信接口，通過RS485總線方式接入通信管理機，經光纖傳至監控主機。視頻攝像機通過以太網交換機接入光纖網絡，將圖像傳輸到電力監控管理中心。

終端設備層根據被監控設備的情況設置數據采集監控終端，完成現場設備的數據信息采集、狀態監視和控制輸出執行功能，是電力監控系統的前端設備。

綜合監控終端設備層設備采用模塊化、單元化結構、面向對象（高壓進線、出線、低壓進出線、變壓器等設備對象） 的數據采集方式和數據信息集中轉換傳輸的標準模式配置，主要由400V系統低壓微機測控裝置、變壓器監控單元（ 設備自帶） 等設備等構成。

2.2 設備自動化改造

2.2.1 電力監控裝置

電力監控系統對配電房供配電系統進行監控，系統開關柜的主要組成部分有高壓柜、低壓進線柜、聯絡柜、出線柜、變壓器、無功補償、發電機等。電力監控分別設置相應的測控裝置進行監控[6]。

除高低壓智能測控單元統一更新替換為Modbus通信協議的智能儀表，其他如帶有智能接口綜合繼保裝置、變壓器溫控儀、無功補償控制器、發電機控制器、UPS控制器等自帶智能接口的控制單元保留使用，通過標準通信接口直接上傳相關數據。

2.2.2 視頻環境監控

在各配電房內設置視頻監控系統。視頻監控系統包括攝像機和紅外傳感器、煙霧傳感器、溫濕度傳感器、水浸傳感器等的安裝，紅外、煙霧、溫濕度、水電力監控系統對配電房供配電系統進行監控，系統開關柜組成部分主要有高壓柜、低壓進線柜、聯絡柜、出線柜、變壓器、無功補償、發電機等。電力監控分別設置相應的測控裝置進行監控。

除高低壓智能測控單元統一更新替換為Modbus通信協議的智能儀表，其他如帶有智能接口綜合繼保裝置、變壓器溫控儀、無功補償控制器、發電機控制器、UPS控制器等自帶智能接口的控制單元保留使用，通過標準通信接口直接上傳數據。

浸傳感器報警信息通過數據采集器與通信管理機連接上傳至電力監控計算機，對配電房防盜、火災情況進行實時監測并發出報警信息。改造時，更換紅外傳感器、煙霧傳感器、溫濕度傳感器，增設水浸傳感器等，將視頻攝像機升級為高清數字攝像機[7]。

3 系統功能

采用集成化、智能化電力管控平臺后，能夠實現以下功能：

①實現系統自動化實時報告，為系統事件提供快速、持續的響應，以高效、快速、可靠、準確的方式反映系統事件；

②實現系統穩定可靠，能保證系統和系統設備長期穩定運行；③實現電力管控集成化、智能化，減輕管理人員工作強度；④實現快速信息處理能力，達到設計要求的信息處理速度；⑤實現數據庫存儲預留容量的智能化管理，保證數據安全性。

4 方案實施

本系統方案的實施主要包括設備選型與安裝、系統軟件設計與開發、實驗驗證與總結、系統試運行及推廣等。系統實施方案如圖2所示。

圖2 系統實施方案

4.1 主要設備的選擇與安裝

電力監控系統對配電房供配電系統進行監控。電力監控采用相應的計量控制裝置進行監測。

高壓進線、出線柜：在高壓進線、出線柜上安裝高壓測控裝置，監測三相電壓U、三相電流I、功率因數COSΦ、有功P、無功Q、電度、頻率等遙測量；監測開關位置信號；對有遙控需求的裝置實現遙控功能。

低壓進線、聯絡柜：在低壓進線柜安裝低壓測控裝置，監測三相電壓U、三相電流I、功率因數COSΦ、有功P、無功Q、電度、頻率等遙測量；監測開關位置信號；對有遙控需求的裝置實現遙控功能。

低壓出線柜：在低壓出線柜安裝低壓出線測控裝置，監測三相電壓U、三相電流I、功率因數COSΦ、有功P、無功Q、電度、頻率等遙測量；監測開關位置信號；對有遙控需求的回路實現遙控功能。

變壓器：更換原有的變壓器溫控儀，安裝帶有智能接口的變壓器溫控儀，監測變壓器溫度。

無功補償柜：更換原有的無功補償控制器，安裝帶有智能接口的無功補償控制器，監測電壓、電流、投切組數、功率因數等，實現自動投切。

發電機：發電機控制器沒有通信接口，更換發電機控制器，采集發電機數據監測電流、電壓、水溫、轉速等。

改造的時侯，除了高低壓智能測控單元統一更新替換為Modbus通信協議的智能儀表，其它的如帶有智能接口綜合繼保裝置、變壓器溫控儀、無功補償控制器、發電機控制器、UPS控制器等智能接口控制單元預留使用，相關的數據通過標準通信接口直接上傳。

4.2 軟件系統設計與開發

電源監控管理中心主要的功能是完成配電室內電源監控的應用和與其他系統的接口。以圖形的方式進行實時顯示各終端設備的工作狀態，對所有數據進行分析和處理，并以此為依據制定相應的控制方案，實現對終端的遠程監控，并把監測到的數據和遠程操作指令以數據庫形式存放在數據服務器中，以備日后查詢時調用，同時可以形成日報表、月報表及年報表等[8]。在電力監控管理中心配置視頻監控工作站，集中管理和控制轄區內配電室的視頻圖像和環境監測信息，還可以有效防止發生各類盜竊、火災等異常情況，并隨時監控配電室的溫濕度數據等環境狀況。

各配電房內電力監控數據及視頻圖像需通過光纖通道傳輸至電力監控管理中心，電力監控管理中心設在常熟開發區變電站，電力監控管理中心設有電力監控計算機、視頻計算機、硬盤錄像機、打印機、控制臺等，操作及管理人員在電力監控管理中心通過計算機實現對各個配電房遙控、遙測、遙信功能。

改造后，監控中心的設置位置不變，將設備軟件替換升級。設1個主電力監控中心 （設于常熟港變電所） 、1個副電力監控中心（設于北主線站變電所） 、1個電力監控調度管理中心 （設于南通開發區機電養護中心）。

5 結語

蘇通大橋電力監控改造，通過對供電配電設備的改造，增設自動化儀表裝置，設立集中控制中心等，達到了消除隱患的作用，并提高了系統供電配電的可靠性，同時增加了自動化功能，也減少運維人員，更有助于實現變電站智能化管理。