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    上海电力变电站内直流电源监测系统的应用研究
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    上海电力变电站内直流电源监测系统的应用研究

    作者:   发布日期:2016-08-26 09:09   信息来源:http://www.1greatlook.com/

        

    惠贵兴 夏仕俊
    上海市电力公司电力调度通信中心

      摘 要:本文概述了上海市电力公司管辖的220KV及以上的变电站内直流系统通信电源集中监测现状和需求,介绍了电源监测的技术和发展方向,对构建直流系统通信电源集中监测进行了初步的探索。
      关键词:变电站 直流 电源 监测

    1 引言

      上海市电力公司的供电区域覆盖整个上海市行政区,受其管辖的220KV及以上的变电站有70多个,变电站内的直流电源系统是变电站的重要组成部分,在变电站正常及事故状态下提供保护、操作及通信设备工作动力,其运行状况的正常与否将直接决定变电站的安全及运行质量,因此对变电站的直流电源监测显得至关重要。

      站内直流系统指保护用直流系统(110V、220V)及通信直流系统(-48V)。保护用直流系统与地绝缘,通信直流系统正极接地,其他原理、结构均相仿。为此本文以探讨通信电源集中监测技术为主,保护直流系统集中监测可参考。

    2 现状及需求

      上海地区直流电源系统监测现状:目前上海地区220kv以上变电站有70多座,分3种类型:220kV受控站、220kV集控站、500kV变电站。现有监测方式仅有220kV受控站通过SCAD系统向220kV集控站输送主告警遥测量。

      需求分析:电力系统控制中,各种控制指令、信号、保护以及断路器分(合)闸等需要的能量,都来自于直流电源系统,同时,直流系统还作为自动装置、事故照明、直流油泵、UPS等装置的电源。直流电源在系统中的作用可以通过下面的图表示:

    上海电力变电站内直流电源监测系统的应用研究

    3 电源监测介绍

    3.1 通信电源集中监测系统的体系结构

      根据通信电源集中维护、统一管理的基本模式,监测系统在结构上是一个多级的分布式计算机监测网络,一般可分为三级,即监测中心(SC,Supervision Center)、监测站(SS,Supervision Station)、监测单元(SU,Supervision Unit)。

      通信电源集中监测系统的组成框图如图1所示。其中监测中心和监测站中监测主机为PC机,监测单元通常由单片机构成。监测系统中的监测中心和监测站人员可以通过本地中心监测主机,监视其监测范围内的所有被监测对象的工作状态、运行参数。同时监测系统还提供生成规定的各种统计资料、图表等。系统各组成部分的主要功能如下:

    上海电力变电站内直流电源监测系统的应用研究

      3.1.1 监测单元的功能

      设备监测单元直接与被控设备相连,主要完成以下功能:

      (1)周期性地实时采集被监测设备的运行参数与工作状态,并对其进行诸如存储、显示等方面的处理,并实时主动地向监测站发送被监测对象的状态;
      (2)随时接收和执行上一级计算机下达的对被控设备的控制命令;
      (3)接受上一级下达的配置信息,刷新配置文件;
      (4)具有一定的报表统计功能,并能定时或按要求上传给监测站。

      3.1.2 监测站的功能
      
      监测站是监测系统中数据采集和数据处理的关键部分。它向下与各设备监测单元相连,通过串行通信接口接收各设备监测单元传送的数据,进行处理后向上一级传送。其主要功能为:

      (1)实时监视辖区内各监测单元的工作状态,同时与监测中心通信,实时地向监测中心转发告警信息,并接收来自各监测单元的故障信息;
      (2)设置各监测单元的参数如告警门限制、告警等级等等;
      (3)实时显示监测单元采集的各种监测数据和告警信息;
      (4)具有统计功能,能生成所需的各种统计报表及曲线,如告警统计报表、设备运行参数曲线等等。

      3.1.3 监测中心的功能

      监测中心是监测系统中最高的一级。它除具有监测站的功能以外,还应具有实时监视各监测站的工作状态并根据需要显示或打印监测站的数据和告警信息的功能。

    3.2 电源监测系统的特点

      3.2.1 智能设备接入

      由于直流电源设备种类较多,对于智能设备,即使同一种类设备不同厂家的协议也各不相同,加上电源设备供货的厂家繁多,协议种类也就更多,在监测系统的实施过程中,为了更好地利用智能设备的资源,建议将智能设备通过对通信接口和通信协议的转换直接接入其监测系统,通信接口基本上属于RS232、RS485、RS422间的硬件转换,比较容易实现,而通信协议的转换在过去一直是困扰监测系统实施的棘手的问题,目前这个问题得到初步的解决,一方面大部分电源设备厂家能积极提供其设备的通信协议,另一方面原邮电部对智能设备提供了统一的协议。为协议的转换提供了条件。目前通信协议和通信接口的转换主要是采用协议转换器的方式,所谓协议转换器的方式是将一种被称作是协议转换器的装置接入智能设备和局站监测主机之间,一端与智能设备的串口相接,另一端与局站监测主机的串口相接,从而完成通信协议和通信接口转换。简单地说,协议转换器是一个具有CPU、EPROM、RAM、串行通信口等的微机系统,协议转换器一般具备两个条件:其一,至少有两个串口且分别与被转换的智能设备的串口以及局站监测主权的串口相匹配,其二,将智能设备的通信协议转换为局站监测主机协仪,转换软件固化在协议转换的EPROM里。这种方式对多个不同协议智能设备同时接入一个监测主机的情况更有效。还有一种转换方式是将协议转换功能放在局站监测主机里,但这种转换方式在实际应用中并不多见,因为这种方式只适用于将具有单科协议智能设备接入一个监测主机的情况,如果在监测主机里科换的协议种类过多会造成监测主机负担过重,影响监测主机科正常工作,同时也给监测主机软件开发带来很多困难和问题。因此,还是考虑采用将智能设备通过对通信接口和通信协议的转换直接接入电源监测系统的方式。另外,统一的通信协议出台为智能设备接入提供更好的解决方案。

      3.2.2 监测系统的可靠性

      由于新技术、新工艺及高质量的器件在通信电源设备的生产制造中得到更广泛的应用,使监测系统的可靠性、自动化程度有了很大的提高,如开关电源设备、UPS、柴油发电机组等智能设备以及目前普遍使用的阀控蓄电池组等非智能设备,它们都有较高的可靠性,这对通信电源集中监测管理,实现通信电源设备少人、无人值守的目的提供了较好的条件。而通信电源监测系统的可靠性问题也同样至关重要,因为监测系统可靠性问题解决得的好与坏,直接影响到通信电源设备现代维护管理体制的建立和发展,影响到能否提高通信电源设备维护管理水平、提高信电源供电质量、实现少人无人值守的目的。

      3.2.3 监测系统的高智能化发展

      充分发挥计算机数据处理的优势,使监测系统向高智能化方向发展为满足对通信电源进行计算机集中监测、集中管理的要求,通信电源监测系统在过去的几年内,已从局部范围实施的较小的系统发展成符合城市、区域、局站维护模式的大系统,在技术上解决了远程网络的连接、远程网络的通信、监测网络系统的实时运行以及智能设备的接入等问题,在功能上对遥控遥信遥测、故障告警、显示打印、数据存储等功能不断完善,目前这些监测系统具有的功能基本能满足维护的要求,在数据统计、数据分析、专家系统等高智能的性能上也有了很好的发展,这些高智能的性能对发展监测技术,提高供电质量,实现电源设备少人、无人值守有着重要的意义。

      为了使监测系统更有效地发挥其作用,除了要不断完善监测系统基本功能外,同时还要注重利用计算机数据处理的优势,开发完善高智能化性能。

      3.2.4 维护模式的变化

      监测系统的实施是以新的维护模式为基础,即以区域为监测管理中心对相应局站进行监测管理,局站少人、无人值守,而城市监测管理中心对其区域监测管理中心进行统一管理的模式。这种计算机式的集中监测管理与人工看守式管理除维护管理模式上不同外,其更大的区别是监测系统对通信电源设备实现计算机自动实时监测,如当电源设备发生故障时,监测系统将作出快速响应,且及时上报到相应的管理中心。为适应这种计算机监测管理方式,要求从根本上改变传统的维护模式,对监测系统在某些功能应该进行重新考虑:

      (1)在被控设备(电源设备)可靠性不断提高的基础上,全面提高监测系统的安全可靠性。

      (2)从被控设备和监测系统整体综合考虑,既然电源设备和监测系统的安全性、可靠性都能得到基本保证(电源设备中的可靠性指标要求为:开关整流设备MTBF>50000h、阀控电池使用寿命8到10年、交直流配电设备可靠性指标要求更高,监测系统的可靠性指标要求为MTBF>100 000h),监测系统的实施应向简单化、实用化、高智能化方面发展,同时保证监测系统的告警、预告警性能的准确性和快速性,再加上统计分析智能化功能的不断完善,使得类似一小时一抄表这样的功能变得没有太大的意义。

      (3)更新人们过去那种人工看守式的维护观念,建立新的维护制度。

      因此今后监测系统实施的又一项重要工作是从根本上改变传统维护模式,更有效利用监测技术,使电源监测系统在通信电源维护管理中发挥更大的作用。

      3.2.5 通信协议的开放性

      由于智能设备的接入问题是在监测系统的实施过程中遇到的较突出问题,因此以前我们所涉及的协议开放、协议转换以及协议的统一,一般是指局站监测主机与智能设备及设备监测单元之间的协议,随着监测技术的进一步发展及监测系统的实施进一步展开,局站监测主机与区域监测主机、区域监测主机与城市监测主机之间的通信协议的开放甚至协议的统一将有着重要的意义,主要表现在下面几个方面:

      (1)随着网管系统的建立和完善,作为通信系统的供电设备,纳入网管系统接受其监视管理成为可能,即将电源监测系统从要求的某点接入网管系统,而电源监测系统的通信协议的开放是建立其连接的基础。
      (2)监测系统的广泛实施,在一个城市或地区可能会出现两种以上的监测系统,为了得到这两种以上的监测系统的互连,通信协议的开放或统一将非常重要。
      (3)与其它网络的互连。

    3.3 现有通信电源集中监测系统的不足

      纵观现有的一些通信电源监测系统,主要存在以下两方面问题:一是对通信电源自身的特色和要求考虑不足,加之现今的许多监测技术主要是引进工业计算机控制技术和变电站监测技术,无论是硬件还是软件都不完全适合于通信电源集中监测系统的特点。通信电源系统有着其自身的特点和要求,例如电源设备品种多、型号多,但数量并不多;监测对象档次差别大,有智能设备也有非智能设备;监测内容要求有别,“三遥”应以遥测、遥信为主,遥控为辅,可以不设置遥调;二是系统功能有待进一步完善。主要表现在自定义报表功能、故障闭环处理功能、告警信息的精简和处理以及关于系统组态能力和辅助分析能力等方面:

      (1)单片机方式的功能较为单一,复杂功能的扩展受到比较大的限制;PC机成本高,而且能耗大,性能不是很稳定;PLC和PC104模块的成本比较高。
      (2)通讯方式不适合大量数据长距离传输,或者不适合实时数据传输与控制。
      (3)人机界面不友好,四遥(遥测,遥信,遥控,遥调)功能比较薄弱。

    4 电源监测系统的实施方法

    4.1 监测系统的构成

      根据直流电源集中维护,统一管理基本模式,监测系统在结构上是一个多级的分布式计算机监测网络,一般可分为四级,即城市监测级、区域监测级、局站监测级以及前端现场部分(包括智能设备、蓄电池检测仪、前端采集设备),其中局站监测级的监测主机与前端部分构成二级分布式系统,通信接口方式为RS485/RS422,在一定条件下也采用RS232。区域监测级监测主机与局站监测主机、城市监测级监测主机与区域监测级监测主机通过通信网络进行连接(如PSTN、专线、DDN、X.25等),构成多级远程分布式网络。目前监测网络从结构和信息交换方面大体可分为两种方式:一种方式是基于通信网络进行数据交换的监测系统,另一种是基于计算机网络平台进行数据交换的监测系统。前一种系统以通信网络为基础,利用实时多任务操作系统为软件平台实现系统的数据通信、数据交换、监测管理等功能,后一种系统采用了比前一种更高的平台,即计算机网络系统,在此基础上完成监测系统的数据交换、监测管理等功能,现在采用这种方式构成的监测系统比较普遍,如以Windows、NT为网络操作系统构成的广域网系统被广泛用作监测系统的网络平台。另外为了解决城市监测级、区域监测级监测主机负担过重的问题,城市监测级、区域监测级在监测网络的基础上建立完善的局域网系统,用来完成对监测系统的各种数据进行分析、处理、存储等功能,目前大部分监测系统都在城市监测级、区域监测级建立起相应的局域网系统,而使用较多的局域网络系统是Ethernet(IEEE802.3)。

      系统中三大主要部分为就地监测系统、通讯网络、控制中心。系统结构如图:

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    4.2 监测系统功能

      直流电源监测系统是一个实时性要求很强的大型分布式网络系统,不论是以通信网为基础平台进行数据信息交换,还是以网络系统为基础平台进行数据信息交换,其监测网监测主机所采用的操作系统具有实时、多任务、网络功能的特点。

      在功能上,为实现对电源设备少人、无人值守的要求,电源监测系统更强调对电源设备故障事件的快速响应和故障告警的准确性。现在电源监测系统在不断完善其基本功能:如遥控遥信遥测、监测信息查询、数据存储记录、实时历史趋势、系统配制、远端操作、密码管理、支持联网等功能的基础上,同时不断扩展新的功能,如监测系统自诊断、设备现场图像监测等。

      目前很多研究单位都在对电源监测系统进行研究,并开始在电力系统中应用。直流电源监测系统包括:就地监测系统、通讯线路、控制中心,共三个主要部分。具体功能如下:

      (1)就地监测系统是指实现本地直流系统的整流充电管理、蓄电池巡检、外部通讯等功能。

      (2)通讯线路负责连接就地监测系统与远程控制中心,进行数据通讯。

      上海电网信息化程度较高,信息覆盖极大部分电网内站点,网络采用以太网的网络技术,其特点为网内各站点互联互通;传输速度快;软硬件成本低;已经逐步开始作为现场总线技术在监测系统中应用。

      (3)(3)控制中心对多个就地监测系统进行监测、管理、调度。

      上述三个主要部分结合在一起,构成直流电源远程监测系统,系统结构如下图所示:

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    4.3 经济性分析

      目前考虑采用的电源监测技术有以下三种:一是接入综合网管,虽然可以和站内通信设备的情况进行统一管理,但综合网管需要数据库技术的支撑,数据库技术成本高,维护量大,另外综合网管不能支持多用户不同地方的应用,而根据直流电源运行管理流程,对运行状况监视和了解,需要多用户不同点使用综合网管信息。目前综合网管技术还处于发展阶段,而且成本高、实施难度大。二是利用站内RTU装置接入SCADA系统,据测算,一个站一套电源接入遥测量需160个,遥信量需40个,如果重要站点双电源配置遥测量、遥信量需加倍,虽然在技术上不存在问题,但是在正常运行中传输数据量较大。虽然这种方案成本较低,但是目前SCADA系统的容量较少,不能达到足够的监测效果。三是采用重要告警信息接入SCADA系统和全面电源数据通过电力信息网WEB浏览方式相结合,采用这种方式既可在发生告警时监测人员能及时发现,也可以在故障处理和事故分析时能获得详细数据。采用这种方式改造仅需要在现有智能电源上增加协议转换器。根据电力现有的技术条件和经济性方面考虑,我们建议采用第三种方式,即SCADA+WEB电源监测方式。

    4.4 监测系统方案的实现

      电源监测的重要性前文已描述过,在现有网络上,考虑到经济效益因素,建议SCADA+WEB的电源监测方式。利用自动化的SCADA网络传送直流电源的信息,该网络传输信息实时性好,网络可靠性高,但现有SCADA网信息点所存无几,要实施直流系统监测无此可能,试验方案充分利用不多的SCADA网信息采集点传送重要直流信息,如重要告警、运行概况等,将该重要信息送至有人值班处。对于直流系统的详细信息,如模块运行状态,交直流运行参数,浮充电压、电流等信息,则利用智能电源数据采集装置,通过电力数据信息网络,由WEB方式进行远程的监测与访问。如值班人员在SCADA系统上发现了重要告警,就可通过WEB方式进一步查询,这样做到了值班人员对远程直流系统的全部信息监测与掌握。无故障发生时管理员也可以通过WEB方式进行巡检,节省了人力物力,又能做到统一管理,统一记录。因此这种方法应该是可行的。

      下面是我们在电力现场进行试验的站点系统结构图:

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    5 安全性评价

      目前上海电力变电站内有调度数据专网和电力数据信息网2种,考虑到直流电源监测系统只涉及监测功能,禁止了控制功能,在网络病毒爆发的情况下,只会影响到浏览监视功能,而不会对直流电源监测系统产生其他威胁。现有电力数据信息网覆盖广、使用方便,考虑需要应用到直流电源监测系统的技术人员较多,通过综合考虑方案的灵活性和安全性,目前根据瑞金站和广场站运行实例来看,直流电源监测系统在电力数据信息网运行稳定,尚未发生因为安全性问题导致的重大问题,建议采用电力数据信息网承载直流电源监测系统的业务。

    6 上海地区站内直流电源监测建议

      综上所述,海市电力公司所辖范围的各变电站内建立直流电源监测系统是可行的。根据对上海地区站内直流电源监测状况的调查与研究,依据不同的变电站运行管理情况,对直流电源监测提出如下建议:

    6.1 500kV变电站及220kV集控站

      将站内主要的直流告警信号送至运行人员值班室的告警处理装置进行显示,这些主要告警信号包括:交流失电、直流电压欠、过压及电源总告警。操作直流电源、通信直流智能化电源增加协议转换器(TCP/IP),通过协议器的转换借助站内局域网上电力数据信息网,在电力数据网内的任一处PC,可以通过WEB浏览器了解直流电源的实时状况。系统结构图如下:

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    6.2 220kV受控站

      对无人值守的站点,监测装置的主要告警信号:如交流失电、直流电压欠、过压及电源总告警等信息,借助SCADA系统送达至集控站有人值班处。在受控站的直流电源监测装置中,增加WEB浏览功能,使得远端集控站的值班人员能在SCADA界面中发现此告警信息,并可进一步了解故障内容。另一方面,值班人员也能通过WEB方式随时了解直流电源运行的各项参数,对运行状况实时掌控,提高了运行人员对无人值守站点设备巡检能力。

    系统结构图如下:

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      经过对直流电源WEB浏览方式进行了有效地试验,瑞金站直流操作电源的WEB浏览试验结果可浏览(10.31.237.216),广场站直流通信电源的WEB浏览试验结果可浏览(10.130.193.30),WEB功能增加了对直流电源运行状况的了解。同时,如果对所采样数据作进一步的挖掘与分析,则可为今后对直流电源设计和改造提供有益的数据。系统结构图如下:

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    7 附件(广场、瑞金实施范例)

      广场站 现场信息:

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      瑞金站
      遥测量

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      遥信量

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      蓄电池测量

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