電力監控系統在城市軌道交通的設計與應用

摘要：本文以呼和浩特市地鐵1號線電力監控系統為例，介紹了軌道交通電力監控的系統構成和系統功能，系統主要由控制中心電力調度系統、系統骨干網絡、變電所綜合自動化系統組成。

關鍵詞：軌道交通；電力監控；人機界面

0 引言

城市軌道交通電力監控系統主要是對城市軌道交通全線各類變配電所、接觸網等電力設備運行情況進行分層分布遠程實時監視和控制，處理供變配電系統的各種異常事故及報警事件，保障系統的正常運行。以往的電力監控系統單獨建設、集成度較低，每個變電所內的接口方式、接口協議也不盡相同，造成使用困難、維護煩瑣等問題，不能滿足綜合調度管理與運營穩定性的要求。本文所述的電力監控系統有以下優點：電力監控軟件分散布置，主要安裝在控制中心和全線各個變電所中，每個變電所都有對所內設備的監視功能，中心具有對全線變電所設備集中監視和統一調度控制功能；緊急狀況下，通過權限移交功能，控制中心遙控權限可以下放至變電所中，變電所具備對設備遠程控制功能；系統采用冗余的設備和網絡結構，提高了系統運行的穩定性；采用豐富的人機界面，便于用戶的操作和維護，如報警推圖、故障統計報表、趨勢分析、電量報表等。

1系統結構

電力監控系統主要分布于控制中心、車站、變電所，系統采用熱備冗余的方式，保證系統有高度的可用性通常是集成在綜合監控（ISCS）系統之內，由控制中心調度系統、各變電所綜合自動化系統、系統骨干網絡共同構成全線完整的電力遠程監控系統。系統按照集中調度、分散后備的原則來設計，這種工作模式保證站級可以獨立于級，并在降級模式下接管中心級的絕大部分功能。

1.1控制中心系統結構

控制中心電力監控系統的設備由服務器、存儲、三層工業級以太網核心交換機、工業級網絡拓展交換機、信息安全設備、調度員雙屏工作站、打印機及大屏幕系統（OPS）等組成。控制中心服務器部署全線電力監控數據庫副本，通過系統骨干網絡與全線變電所通信控制器設備通信，然后將收到的信息加工處理后在工作站上顯示。

調度大廳設備：行調輔助工作站2套；環調工作站2套；電調工作站2套；維調工作站1套；總調工作站1套；交換機1套（冗余）；事件打印機3臺；報表打印機1臺；彩色打印機1臺；中心機房設備：區域實時服務器7套（冗余）；中心歷史服務器1套（冗余）；區域實時服務器2套（冗余）；可視化數據分析服務器1臺；中心FEP1套（冗余）；磁盤陣列2套。

1.2系統骨干網

控制中心與全線各個車站骨干網交換機組成電力監控系統內部的局域網，骨干網絡采用雙環型結構，通過通信系統提供的1000Mbps單模光纖實現連接，交換機為工業級的以太網交換機。當其中一條環路有一個斷點時，網絡仍可正常運行，當一條環路中有2個斷點時，網絡自動切換到另一條熱備網絡。中心級局域網：由2臺千兆工業以太網交換機搭建，兩臺交換機互為冗余，采用TCP/IP協議并，符合IEEE802.3標準；車站級局域網。每個車站局域網也由2臺千兆工業以太網交換機搭建，兩臺交換機互為冗余，采用TCP/IP協議并，符合IEEE802.3標準。

1.3變電所綜合自動化系統

變電所綜合自動化系統分布于全線各變電所，對本所電力設備進行的控制、監視（可以監視臨站環網設備）；可獨立運行，無人值守。系統由一個監控工作站、2個冗余通信控制器、間隔層設備組成。監控工作站部署本所數據庫正本，通過所內管理層網絡與通信控制器通信，通信控制器通過變電所內現場總線將所內的間隔層設備連接起來。

圖1變電所綜自動化系統結構

2 系統功能

2.1 控制及操作功能

電調可以在控制指揮中心調度工作站上，對全線變電所設備進行集中控制，包括單獨控制、程序控制、遠方復歸等。遙控權限默認在控制中心，變電所無控制權限，變電所可以向中心請求設備控制權限，經中心電力調取確認后，移交到變電所。中心和變電所可以通過遙控權限移交功能實現遙控權移交管理，設備控制權限可通過權限移交和強制取回實現在中心調度員和其他級別操作員之間傳遞；另外，特殊情況時（中心服務器宕機、中心與變電所通訊中斷）中心的遙控權限自動下放至變電所，此時變電所也具備遙控功能，待故障恢復后，經過中心調度人員確認，權限重新移交回控制中心。

2.2 數據采集與處理功能

遙信。電力監控系統采集變電所內各種裝置的遙信信息，包括位置遙信（雙位置）和保護遙信（單位置）。根據采用的通訊協議的不同，設備的狀態通過主動上送或是輪詢的方式發送給電力監控系統，實時的顯示在人機界面。位置遙信包括各種開關的分位、合位，開關柜手車的工作位、試驗位、退出位，各個設備的啟動、停止狀態、接觸網帶電狀態等。保護遙信包括過流保護、零序過流保護、過負荷報警、重合閘失敗報警、變壓器超溫跳閘、整流器超溫跳閘，以及系統過電壓、失壓報警、裝置異常報警信號。

遙測。電力監控系統采集35kV系統、1500V系統、變壓器、400V系統、能饋逆變裝置等的三相電流、零序電流、三相電壓、線電壓、系統功率、頻率、功率因數、電度、設備溫度等遙測信息。遙測以周期掃描的方式進行采集，采集周期可設置，長不得小于60s，遙測數據以周期的方式保存在歷史服務器中。根據采集電度信息可以生成用電量日報表、周報表、月報表、年報表；根據采集的電壓、電流、溫度等可以棒圖、圖形列表的方式展現出來；根據保存的遙測信息可以在趨勢圖形中打開，了解設備在任何一段時間的工作狀態。

2.3 顯示及操作功能

中心電力調度、變電所值班人員通過監控工作站的畫面對變電所設備進行監視。監控工作站實現的主要功能有：用戶登、錄注銷功能；對開關設備進行遙控、程控操作功能；對開關設備進行遙信、遙測監視功能；對開關設備進行權限移交操作功能；歷史事件、報警查詢及打印功能；電量報表統計功能；定值組投退功能。

中心電力調度工作站圖形畫面。系統根據用戶權限的不同，為OCC操作員提供對PSCADA全線設備的不同監視畫面。主要畫面有：全線一次系統圖；全線供電分區系統圖；全線35kV系統圖；全線1500V系統圖；全線35kV母線電壓柱形圖；全線1500V母線電壓柱形圖；全線1500V開關饋出電流柱形圖；全線1500V程控送電；全線1500V程控停電；全線1500V接觸網狀態圖；全線35KV系統、1500V系統、400V系統模擬量顯示圖；趨勢、報表顯示圖；控制權限移交圖。

變電所圖形畫面。變電所一次系統圖；10kV系統圖；1500V系統圖；400V系統圖；信號光字牌圖；通訊結構圖；變電所平面布置圖；模擬量圖；電能表圖；有源濾波信息圖；交直流屏信息圖；溫控器信息圖；整流柜信息圖；負柜信息圖；接口柜信息圖；鋼軌電位信息圖；自動化屏圖；排流柜圖；雜散電流圖；控制權限移交圖；遙控組屏蔽。

2.4 報警功能

當監視到供電設備產生跳閘、故障等信號時，電力監控系統自動推送報警畫面，并且產生報警聲音，以提示相關人員。

人機界面報警顯示：人機界面報警畫面主要有信號光字牌、報警列表、一次系統圖。報警等級通常設置為3級，0級為設備通訊狀態異常報警、灰色；1級為設備事故跳閘報警，紅色；2級為設備運行狀態異常報警，橙色。1級報警推送一次系統圖畫面，畫面中跳閘的開關閃爍，顯示設備故障跳閘；二級報警推送信號光字牌畫面，故障設備的光字牌閃爍為黃色；報警信息集中顯示在報警列表中，不同的報警顯示為不同的顏色，已復歸的報警顯示為綠色，未確認的報警狀態閃爍，已確認的報警不再閃爍，已確認且已復歸的報警信息不再顯示在報警列表中。

中心調度系統音響：中心調度工作站設置報警音響，當報警發生時，系統根據報警級別發出不同的報警聲音來提示調度人員，當調度人員點擊確認按鈕后報警聲音消失，即使報警已經復歸但是調度人員仍未確認報警聲音也會一直存在。

變電所報警音響報警：自動化屏設置事故、預告音響報警裝置。當報警發生時，安裝在自動化屏柜內的報警裝置會發出報警聲音，當事故報警時電笛響；當預告報警時電鈴響，響鈴時間設置為1min。在自動化屏設置響鈴投入、退出轉換開關，當達到退出位置時不響鈴；也設置了音響復歸按鈕，按下按鈕響鈴停止。

3系統應用

3.1 控制中心調度系統

呼和浩特市地鐵1號線共設置2座主變電所，全線共設22座變電所，其中牽引降壓混合變電所11座，降壓變電所11座，控制中心調度系統負責對全線各個變電所的監視和控制、事故報警查詢、程控停送電、趨勢查詢等功能。

系統遙控功能，即在系統中心級對接入系統的任何一個可遙控的對象進行合、分遙控；遙控操作執行嚴格的權限管理，執行遙控是有操作權限或經過授權的系統工作人員；遙控可分為單控、程控，并可根據用戶要求自定義被控制設備及其順序操作，上述控制方式可以根據調度人員的要求設置手動確認功能；在同一時間，當多個工作站對同一設備進行遙控操作時，根據用戶的權限確定遙控的優先級。系統具有控制閉鎖功能，當現場供電設備故障時，引起相應開關跳閘，則此開關控制命令的操作被自動閉鎖；當現場供電開關設備接地刀閘接地時，操作員可在主接線畫面上開關符號處設置接地顯示，對有接地顯示的供電開關設備，系統自動閉鎖與之相關控制命令的操作。控制閉鎖功能可以人工投退，且可由用戶自定義。

中心操作員可以對35kV、1500V開關保護裝置的保護定值組進行統一管理，包括保護定值召喚、顯示、保存、切換、打印等。可以選擇站名、裝置名稱、裝置種類進行召喚顯示、保存，保存后可以按照報表格式進行打印。具有操作權限的人員可以對35kV、1500V開關保護裝置的保護定值組進行遠程修改或切換。保護定值組預先根據供電系統各種運行模式來設定，當系統運行方式改變時，中心操作員可以從定值組中直接提取保護定值。

3.2 變電所綜合自動化系統

變電所電力監控系統采集變電所內供電設備的遙信、遙測信息。信息在HMI界面上實時刷新，以便值班員及時了解現場設備運行狀態。主要監控對象包括：35kV開關柜、1500V開關柜、0.4kV開關柜、牽引變壓器、整流器、配電變壓器、排流柜、鋼軌電位、再生逆變裝置等。當控制中心失去與變電所內的通訊時，中心的控制權限自動下放至變電所內。此時，變電所系統管理員在監控工作站上登錄賬戶可以對所內設備實行緊急監控。

變電所內的網絡有2層，分為管理層網絡和間隔層網絡，管理層網絡用于連接通訊控制器與中心服務器、變電所監控工作站。間隔層網絡由光纖、超五類屏蔽網線、屏蔽雙絞線組成。與35kV保護裝置、1500V保護裝置、400V保護裝置采用光纖通訊，起到加快傳輸速率、避免電磁干擾的功能；與控制信號屏PLC、交直流屏、溫控器、整流器、排流柜、再生逆變裝置、儀表等設備的通訊采用RS485屏蔽雙絞線，這些設備需要監控的信息量較少、傳輸距離較近，RS485屏蔽雙絞線已滿足電力監控實時性要求。

4 安科瑞Acrel-2000Z電力監控系統解決方案

4.1 概述

針對用戶變電站（一般為35kV及以下電壓等級），通過微機保護裝置、開關柜綜合測控裝置、電氣接點無線測溫產品、電能質量在線監測裝置、配電室環境監控設備、弧光保護裝置等設備組成綜合自動化的綜合監控系統，實現了變電、配電、用電的安全運行和較全管理。監控范圍包括用戶變電站、開閉所、變電所及配電室等。

Acrel-2000Z電力監控系統是安科瑞電氣股份有限公司根據電力系統自動化及無人值守的要求，針對35kV及以下電壓等級研發出的一套分層分布式變電站監控管理系統。該系統是應用電力自動化技術、計算機技術、網絡技術和信息傳輸技術，集保護、監測、控制、通信等功能于一體的開放式、網絡化、單元化、組態化的系統，適用于35kV及以下電壓等級的城網、農網變電站和用戶變電站，可實現對變電站的控制和管理，滿足變電站無人或少人值守的需求，為變電站安全、穩定、經濟運行提供了堅實的保障。

4.2 應用場所

適用于軌道交通，工業，建筑，學校，商業綜合體等35kV及以下用戶端供配電自動化系統工程設計、施工和運行維護。

4.3 系統架構

Acrel-2000Z電力監控系統采用分層分布式設計，可分為三層：站控管理層、網絡通信層和現場設備層，組網方式可為標準網絡結構、光纖星型網絡結構、光纖環網網絡結構，根據用戶用電規模、用電設備分布和占地面積等多方面的信息綜合考慮組網方式。

4.4 系統功能

實時監測：直觀顯示配電網的運行狀態，實時監測各回路電參數信息，動態監視各配電回路有關故障、告警等信號。

電參量查詢：在配電一次圖中，可以直接查看該回路詳細電參量。

曲線查詢：可以直接查看各電參量曲線。

運行報表：查詢各回路或設備時間的運行參數。

實時告警：具有實時告警功能，系統能夠對配電回路遙信變位，保護動作、事故跳閘等事件發出告警。

歷史事件查詢：對事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

電能統計報表：系統具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節點的用電情況。

用戶權限管理：設置了用戶權限管理功能，可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限。

網絡拓撲圖：支持實時監視并診斷各設備的通訊狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構。

電能質量監測：可以對整個配電系統范圍內的電能質量和電能可靠性狀況進行持續性的監測。

遙控功能：可以對整個配電系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。

故障錄波：可在系統發生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各種電氣量的變化情況。

事故追憶：可自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時穩態信息。

Web訪問：展示頁面顯示變電站數量、變壓器數量、監測點位數量等概況信息，設備通信狀態，用電分析和事件記錄。

APP訪問：設備數據頁面顯示各設備的電參量數據以及曲線。

4.5 系統硬件配置

5 結語

綜上所述，隨著科技的發展，電力監控系統將對軌道交通的建設起著越來越重要的作用，如在我國的智能城軌建設中，還可以通過對所監測到的數據來即時生成相關的維修管理內容，實現系統中信息的在線交流等，所以本系統仍需改進和提高以滿足現代化的設備運營需求。

參考文獻

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[2] 駱漢賓 , 宮培松 , 等 . 地鐵設計管理系統的研究與應用 [J]. 鐵道工程學報 ,2013,9.

[3] 李 鵬.城市軌道交通電力監控系統的應用

[4] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.05版

作者簡介：

李雪薇，女，安科瑞電氣股份有限公司，從事電力監控系統的研究與應用，手機：178217331552（同微信）；