高速公路电力监控系统的设计与应用详解

湖北大广南高速公路电力监控系统的设计与应用

摘要：

本文介绍G45大庆至广州高速公路湖北黄石至通山段高速公路电力监控系统，系统采集400V多功能电力仪表、400V进出线开关状态、变压器温控仪、10kV微机保护装置、EPS、发电机等各类设备参数、开关信号并可进行远程控制。系统采用光纤环网的方式，通过QDLPort通信机、QDL9000组态软件实现配电室配电回路用电的实时监控和管理。

概述

G45大庆至广州高速公路湖北黄石至通山段高速公路（简称“湖北大广南高速”）是国家高速公路“7918”网南北向的纵5线大庆至广州公路在湖北境内的最南段，也是湖北省“六纵五横一环”公路主骨架的重要组成部分。它的建设，标志着大广通道在湖北省267公里即将全部建成，完善了湖北省高速公路主骨架，可以使已建成的各路段充分发挥效益，对进一步改善鄂东南的投资环境，带动贫困地区脱贫，促进促进武汉城市圈“两型社会改革试验区”的建设和沿线地区经济发展等具有重要意义。

湖北大广南高速共有9条隧道，设置了8个变电所、4台箱变。全线共部署了两套QDL9000电力监控系统，于2012年6月顺利验收。

东方山隧道：10kV高压柜13台、变压器1台、低压配电柜4台、发电机1台、EPS2套、隧道地埋变16台。电力监控系统共部署了14台QDLPort通信机，接入了53台各类测控设备。

长乐山隧道：10kV高压柜4台、变压器1台、低压配电柜9台、发电机1台、EPS1套。电力监控系统共部署了1台QDLPort通信机，接入了56台各类测控设备。

马鞍山隧道：10kV环网柜2台、变压器1台、低压配电柜6台、发电机1台。电力监控系统共部署了1台QDLPort通信机，接入了9台各类测控设备。

丁家山隧道：变电所2座，10kV高压柜8台、变压器2台、低压配电柜16台、发电机2台、EPS2套。电力监控系统共部署了2台QDLPort通信机，接入了66台各类测控设备。

张海湾隧道：10kV环网柜2台、变压器1台、低压配电柜5台、发电机1台。电力监控系统共部署了1台QDLPort通信机，接入了6台各类测控设备。

白人岩隧道：10kV环网柜3台、变压器1台、低压配电柜5台、发电机1台。电力监控系统共部署了1台QDLPort通信机，接入了6台各类测控设备。

紫荆山隧道：变电所2座，10kV高压柜17台、变压器2台、低压配电柜8台、发电机2台、EPS3套、隧道地埋变14台。电力监控系统共部署了12台QDLPort通信机，接入了53台各类测控设备。

盘田隧道：10kV环网柜2台、变压器1台、低压配电柜5台、发电机1台。电力监控系统共部署了1台QDLPort通信机，接入了6台各类测控设备。

鄂赣隧道：10kV高压柜14台、变压器1台、低压配电柜4台、发电机1台、EPS2套、隧道地埋变15台。电力监控系统共部署了14台QDLPort通信机，接入了50台各类测控设备。

轴流风机房：10kV高压柜4台、变压器1台、低压配电柜11台。电力监控系统共部署了1台QDLPort通信机，接入了22台各类测控设备。

设计说明

电力监控系统对各隧道室内变电所变配电系统（包括10kV进线回路、10kV馈出回路、0.4kV进线回路、0.4kV双电源切换柜、低压母联断路器柜、无功功率补偿柜、射流风机回路、EPS、UPS、变压器及其它智能电气设备运行状态）进行保护和监控。

1.系统说明

电力监控系统应采用设备分散设置、高速光纤通讯、隧道管理站控制和管理的模式。各变电所均设智能通信管理机1套，现场的保护和监控装置与智能通信管理机之间采用屏蔽双绞线连接，并通过RS232/RS485口通讯；智能通信管理机与隧道管理站内电力监控工作站通过隧道内以太网交换机构成的以太网冗余光纤环网通讯。

（1）分层分布式体系结构

系统结构基于冗余、分散、分层分布式设计思想，系统分为主控层、通信管理层、设备层。微机保护测控装置依据保护对象分布在开关柜上，独立完成保护功能；系统网络或通讯发生故障不影响现场微机保护测控装置的保护功能。现场的遥信量、遥测量、控制、保护动作等信息均通过现场保护或测控单元采集处理，并以数字式信息上传前端机和后台机。前端机完成现场监视和控制，并实现通信规约转换和故障诊断功能。后台主机完成全系统监控和各种管理功能，并能够实现与其它智能系统通信。

（2）系统模块化的设计理念

后台系统监控管理功能采用模块化的设计思想，各功能管理模块如柜图监控环境、图形监控环境、动态趋势环境、告警查询、动态报表、逻辑关系、负荷管理等均可独立运行于不同的工作站上，也可同时运行于一台主机上，各部分之间不相互影响。模块化的设计思想提高了系统的可靠性。

（3）保护、测控设备

系统应采用智能型保护设备就地完成保护功能，减少二次接线，减少安装工作量，从而提高系统可靠性。测控设备应采用智能型，具有数据采集的高度精确性。采集的数据包括：模拟量（电压、电流、有功、无功、功率等），数字量（电能电度量等）、频率、温度量和状态量（开关分合状态以及事故信号等）。智能保护、测控装置应采用屏蔽双绞电缆与前端机通讯，抗干扰能力强。

2.系统平台

系统应以Windows NT或Windows 2000/2003/XP作为操作系统平台，以大型商用数据库SQL_SERVER为基础，采用客户/服务器模式及分布式处理等技术实现。应兼容TCP/IP网络通讯规约和MODBUS等通讯规约。系统应采用专用电力监控组态软件，全汉化的操作监视界面。系统功能应严格遵循电力系统行业标准，支持特殊的功能模块，实现正常测量和监视、事故过程记录与分析、开关操作、数据存储、处理、共享等全部功能。

3.电力监控系统主要功能

（1）数据采集与处理

实时采集模拟量、开关量、数字量、温度量、脉冲量以及各类事件信息。对实时数据进行统计、分析及计算。包括以下功能：

·实时计算各线路的功率因数；

·实时计算各线路的有功、无功功率值；

·实时计算每日、每月各条线路的有功、无功最大、最小及平均值；

·计算每日、每月母线电压最高、最低与平均值。

（2）报警处理

置预告信号和事故信号，并产生不同的音响报警及闪光，自动推出相应画面，对应事故、故障设备的图形发生闪动变位，窗口提示事件内容及处理指导。报警信号可在监控主机上人工确认复归。报警同时启动事件打印输出功能。

·预告信号：包括线路过负荷、系统自诊断故障、母线电压越限、电流越限、变压器温度越限等。

·事故信号：包括保护装置动作、开关变位。

（3）事故追忆显示画面

保护动作发生时，系统自动启动相关的测量数据记录，供系统进行事故追忆，可任意选择想要查看的事故追忆数据。

·接线图：包括开关位置和各实时电量信息。图形包括一次接线图、二次接线图、所用电系统图、直流系统图、保护监控配置图、通讯结构图、报警信号图、地理位置信息图等图形，可根据业主需要绘制各种图形；

·工况图：包括日常数据、电度显示、选点召唤等画面；可显示整个系统各计算机的工作状态图；可显示系统中保护监控装置的工作状态；

·棒图：包括电流棒、负荷棒图等实时刷新显示图形；

·曲线画面：包括电压曲线、电流曲线、负荷曲线等；

·一览表：包括事故信号一览表、故障信号一览表、操作信号一览表、保护定值一览表等。

（4）遥测、遥信、遥控、遥调四遥远动功能

·支持CDT、Polling等多种远动规约，按照电力部门的运行要求与电力调度中心通信；

·通过键盘、鼠标即可执行对站内断路器的控制调节；

·多级口令，各项操作均有确认信息，经确认方能动作；

·控制优先权级别为：就地操作，远方监控主机操作，远方调度操作。

（5）历史数据存储。

系统主站设有历史数据库，记录周期可设定，保留全部监测量：一日24小时、一月内每日和一年内每月的统计数据；以及重要事故、操作记录保存的时间，各历史数据及在线查询、显示，保存时间可在线修改。全站的数据至少保存两年。

（6）报表功能

提供功能强大、灵活自如的报表编辑工具；所见即所得并可自动生成；提供典型报表模板；支持定时和随机两种打印方式，随机打印是自动记录故障、事故情况下操作时的事件，并响应手动选择的各打印功能，定时打印是专用于定时报表的打印。主要功能有：

·现场工况打印；

·事故、故障及操作控制项目的自动打印，成组或选择打印；

·负荷曲线、趋势曲线打印；

·历史数据选择打印；

·运行日志，包括日报表、月报表打印；

·各种随机选择打印；

·屏幕拷贝打印；

·可根据实际需要制定各种复杂的报表。

（7）生成与修改

·开关量输入、遥控量输出的定义及修改；

·人工参数的置入、模拟图及相关图的生成修改；

·打印报表自动生成及修改。

（8）运行及配电管理功能

系统具有交接班记录、运行记录、操作票管理记录、检修维护记录、技术资料管理记录、设备管理记录、继电保护定值管理记录等功能。

（9）系统自诊断及自恢复

系统具有自诊断及自恢复功能

（10）故障录波和谐波分析系统

（11）权限管理

·调度操作权限管理；

·调度员操作密码管理；

·调度操作过程再现。

4.电力监控系统技术指标

（1）可用性

系统的设计充分考虑了在整个工程环境中的不同因素，以保证在现场安装调试后立即适用并进入稳定可靠运行，系统年可用率大于99.99%。

（2）可维护性

系统的硬件、软件设备便于维护，各部件均具有自检和联机诊断校验的能力。软件有备份，便于工程师安装启动，应用程序易于扩充。

（3）可靠性

系统在工程现场运行具有很高的可靠性，其平均无故障时间MTBF≥50000h。

（4）容错能力

软、硬件设备具有良好的容错能力，当各软、硬件功能与数据采集处理系统的通讯出错，以及当运行人员或工程师在操作过程中发生一般性错误时，均不影响系统的正常运行。对意外情况引起的故障，系统具备恢复能力。

（5）安全性

正常情况下，硬件和软件设备的运行均不会危及变电所的安全稳定运行和工作人员的安全。

（6）抗电磁干扰能力

系统具有足够的抗电磁干扰能力，符合IEC标准，确保在变电所中的稳定运行。

（7）主要技术参数

·主要模拟量测量精度误差 ≤0.2%

·主要模拟量测量数值在数据库中的更新时间 ≤1s

·状态量变位在数据库中的反映时间 ≤1s

·SOE分辨率 ≤1ms

·画面实时调用响应时间 ≤2s

·画面实时数据刷新周期 ≤1s

·告警产生时间 ≤1s

·控制命令回答响应时间 ≤1s

·控制命令执行响应时间 ≤1s

·系统平均无故障时间(MTBF) ≥50000h

·系统抗电磁干扰能力 符合IEC标准

·系统主要控制设备容错能力 环网

·系统可维护性 优,设备带自检功能

·系统网络层可扩展性 以太网无限扩展

5.网络结构

下陆监控中心

鄂赣监控中心

系统方案

庆德隆QDL9000系统根据湖北大广南高速电力监控系统现场实际情况，网络结构采用屏蔽双绞线将变电所智能仪表接至QDLPort通信机，通过以太网将数据上至配电室的监控主机，确保电力监控系统传输的稳定性与实时性。

1.站控管理层

站控管理层针对电力监控系统的管理人员，是人机交互的直接窗口。在湖北省食品质量安全监督检验研究院电力监控系统工程中主要指位于地下一层配电室的监控主机。

2.网络通讯层

通讯层主要是由光纤收发器、视频光端机、单模光纤、QDLPort通信机、以太网交换机设备及485总线网络组成。QDLPort通信机主要功能是接入变电所内各类智能仪表，并解析上传数据或下发通信数据，；以太网设备及485总线网络的主要功能是实现分站与主站之间的数据交互，使配电系统管理集中化、信息化、智能化，提高了配电系统的安全性、可靠性和稳定性，真正达到了无人值守的目的。

3.现场设备层

现场设备层是数据采集终端，主要由智能仪表组成，智能仪表通过屏蔽双绞线RS485接口，采用MODBUS通讯协议总线型连接接入QDLPort通信机，与监控主机进行组网，实现远程监控的功能。

系统功能

1.网络结构图

2.系统界面

庆德隆QDL9000电力监控系统人机界面友好，以配电一次图的形式直观显示配电线路的运行状态。系统实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数、电能等电参数信息，动态监视各配电回路断路器、隔离开关、地刀等合、分状态，以及有关故障、告警等信号。

主要功能：一次图显示各回路对应回路名称、电流、电压、总有功功率、总功率因数，断路器、地刀、隔离开关等合分位状态，弹簧储能状态、手车位置状态。

系统界面如下图所。

3.报表功能

庆德隆QDL9000电力监控系统对电力参数进行存储和管理，电力参数分为实时显示参数和历史参数。所有实时采集的数据、顺序事件记录等均可保存到数据库，在查询界面中能够自定义需要查询的参数、指定时间或选择查询近更新的记录数据等，并通过报表方式显示出来。

主要功能：查询各回路或者设备指定时间的运行参数，报表中显示电参量信息包括三相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、四象限电能等。电参量报表支持导出Excel格式文件，还可以根据用户要求导出PDF格式文件。

报表功能如下图所示。

4.曲线功能

庆德隆QDL9000电力监控系统对支持电参量曲线功能，曲线分为实时曲线及历史曲线，支持同一界面显示多条曲线并以不同颜色进行区分。曲线记录最大值、最小值及平均值，以及极值发生的时间。

曲线功能如下图所示。

5.报警及事件

实时报警

实时报警窗口监测系统所采集的遥测量。报警窗口会在系统运行时自动打开，并一直隐藏在后台。

当有电流或者电压越限，并且触及报警界限时，“相应实时报警”窗口就会自动弹出，并以红色字体显示具体的报警信息：回路名、越限的电参量、报警值等。

历史报警

通过设置开始时间和结束时间，即可查询到过去任意时间段内的系统报警信息，包括遥测报警和遥信报警，还包括具体的报警时间，报警类型，报警内容等。

6.遥控功能

庆德隆QDL9000电力监控系统支持远程控制功能，在监控主机上通过管理员权限对变电所内的开关进行远程分合闸操作。

遥控功能界面如下图所示。

7.用户管理

庆德隆QDL9000电力监控系统有完善的用户管理功能，避免越权操作。

每一级权限对应相应的控制权限，最多可设置多级不同权限，并记录权限用户的操作。

管理员具有最高的权限，并可以对其他用户或者计算机的权限进行设置；

用户或者计算机被设置了权限之后只能在权限规定的范围内操作或者浏览，权限范围以外的功能都将被禁止；

所有用户的操作都将被系统日志记录下来，包括操作时间、操作类型、操作对象、操作结果等等信息。

用户管理界面如下图所示。

结束语

随着社会经济的发展，用电需求剧增，供配电安全至关重要，供配电智能化管理的需求日益增大。

本文介绍的QDL9000电力监控系统在湖北大广南高速的应用，可以实现对配电室供配电回路用电的实时监控。通过智能仪表、QDLPort通信机、计算机等组成电力监控系统不仅能显示回路用电状况，还具有实时告警、故障分析、事件追忆等实用功能。在日常运维过程中，为解决用电问题提供了真实可靠的依据，取得了较好的经济效益及安全保障。

审核编辑：符乾江