浅谈电力监控系统在城市轨道交通的设计与应用

摘要：本文以呼和浩特市地铁1号线电力监控系统为例，介绍了轨道交通电力监控的系统构成和系统功能，系统主要由控制中心电力调度系统、系统骨干网络、变电所综合自动化系统组成。

关键词：轨道交通；电力监控；人机界面

0 引言

城市轨道交通电力监控系统主要是对城市轨道交通全线各类变配电所、接触网等电力设备运行情况进行分层分布远程实时监视和控制，处理供变配电系统的各种异常事故及报警事件，保障系统的正常运行。以往的电力监控系统单独建设、集成度较低，每个变电所内的接口方式、接口协议也不尽相同，造成使用困难、维护烦琐等问题，不能满足综合调度管理与运营稳定性的要求。本文所述的电力监控系统有以下优点：电力监控软件分散布置，主要安装在控制中心和全线各个变电所中，每个变电所都有对所内设备的监视功能，中心具有对全线变电所设备集中监视和统一调度控制功能；紧急状况下，通过权限移交功能，控制中心遥控权限可以下放至变电所中，变电所具备对设备远程控制功能；系统采用冗余的设备和网络结构，提高了系统运行的稳定性；采用丰富的人机界面，便于用户的操作和维护，如报警推图、故障统计报表、趋势分析、电量报表等。

1系统结构

电力监控系统主要分布于控制中心、车站、变电所，系统采用热备冗余的方式，保证系统有高度的可用性通常是集成在综合监控（ISCS）系统之内，由控制中心调度系统、各变电所综合自动化系统、系统骨干网络共同构成全线完整的电力远程监控系统。系统按照集中调度、分散后备的原则来设计，这种工作模式保证站级可以完全独立于级，并在降级模式下接管中心级的绝大部分功能。

1.1控制中心系统结构

控制中心电力监控系统的设备由服务器、存储、三层工业级以太网核心交换机、工业级网络拓展交换机、信息安全设备、调度员双屏工作站、打印机及大屏幕系统（OPS）等组成。控制中心服务器部署全线电力监控数据库副本，通过系统骨干网络与全线变电所通信控制器设备通信，然后将收到的信息加工处理后在工作站上显示。

调度大厅设备：行调辅助工作站2套；环调工作站2套；电调工作站2套；维调工作站1套；总调工作站1套；交换机1套（冗余）；事件打印机3台；报表打印机1台；彩色打印机1台；中心机房设备：区域实时服务器7套（冗余）；中心历史服务器1套（冗余）；区域实时服务器2套（冗余）；可视化数据分析服务器1台；中心FEP1套（冗余）；磁盘阵列2套。

1.2系统骨干网

控制中心与全线各个车站骨干网交换机组成电力监控系统内部的局域网，骨干网络采用双环型结构，通过通信系统提供的1000Mbps单模光纤实现连接，交换机为工业级的以太网交换机。当其中一条环路有一个断点时，网络仍可正常运行，当一条环路中有2个断点时，网络自动切换到另一条热备网络。中心级局域网：由2台千兆工业以太网交换机搭建，两台交换机互为冗余，采用TCP/IP协议并，符合IEEE802.3标准；车站级局域网。每个车站局域网也由2台千兆工业以太网交换机搭建，两台交换机互为冗余，采用TCP/IP协议并，符合IEEE802.3标准。

1.3变电所综合自动化系统

变电所综合自动化系统分布于全线各变电所，对本所电力设备进行的控制、监视（可以监视临站环网设备）；可独立运行，无人值守。系统由一个监控工作站、2个冗余通信控制器、间隔层设备组成。监控工作站部署本所数据库正本，通过所内管理层网络与通信控制器通信，通信控制器通过变电所内现场总线将所内的间隔层设备连接起来。

图1变电所综自动化系统结构

2 系统功能

2.1 控制及操作功能

电调可以在控制指挥中心调度工作站上，对全线变电所设备进行集中控制，包括单独控制、程序控制、远方复归等。遥控权限默认在控制中心，变电所无控制权限，变电所可以向中心请求设备控制权限，经中心电力调取确认后，移交到变电所。中心和变电所可以通过遥控权限移交功能实现遥控权移交管理，设备控制权限可通过权限移交和强制取回实现在中心调度员和其他级别操作员之间传递；另外，特殊情况时（中心服务器宕机、中心与变电所通讯中断）中心的遥控权限自动下放至变电所，此时变电所也具备遥控功能，待故障恢复后，经过中心调度人员确认，权限重新移交回控制中心。

2.2 数据采集与处理功能

遥信。电力监控系统采集变电所内各种装置的遥信信息，包括位置遥信（双位置）和保护遥信（单位置）。根据采用的通讯协议的不同，设备的状态通过主动上送或是轮询的方式发送给电力监控系统，实时的显示在人机界面。位置遥信包括各种开关的分位、合位，开关柜手车的工作位、试验位、退出位，各个设备的启动、停止状态、接触网带电状态等。保护遥信包括过流保护、零序过流保护、过负荷报警、重合闸失败报警、变压器超温跳闸、整流器超温跳闸，以及系统过电压、失压报警、装置异常报警信号。

遥测。电力监控系统采集35kV系统、1500V系统、变压器、400V系统、能馈逆变装置等的三相电流、零序电流、三相电压、线电压、系统功率、频率、功率因数、电度、设备温度等遥测信息。遥测以周期扫描的方式进行采集，采集周期可设置，长不得小于60s，遥测数据以周期的方式保存在历史服务器中。根据采集电度信息可以生成用电量日报表、周报表、月报表、年报表；根据采集的电压、电流、温度等可以棒图、图形列表的方式展现出来；根据保存的遥测信息可以在趋势图形中打开，了解设备在任何一段时间的工作状态。

2.3 显示及操作功能

中心电力调度、变电所值班人员通过监控工作站的画面对变电所设备进行监视。监控工作站实现的主要功能有：用户登、录注销功能；对开关设备进行遥控、程控操作功能；对开关设备进行遥信、遥测监视功能；对开关设备进行权限移交操作功能；历史事件、报警查询及打印功能；电量报表统计功能；定值组投退功能。

中心电力调度工作站图形画面。系统根据用户权限的不同，为OCC操作员提供对PSCADA全线设备的不同监视画面。主要画面有：全线一次系统图；全线供电分区系统图；全线35kV系统图；全线1500V系统图；全线35kV母线电压柱形图；全线1500V母线电压柱形图；全线1500V开关馈出电流柱形图；全线1500V程控送电；全线1500V程控停电；全线1500V接触网状态图；全线35KV系统、1500V系统、400V系统模拟量显示图；趋势、报表显示图；控制权限移交图。

变电所图形画面。变电所一次系统图；10kV系统图；1500V系统图；400V系统图；信号光字牌图；通讯结构图；变电所平面布置图；模拟量图；电能表图；有源滤波信息图；交直流屏信息图；温控器信息图；整流柜信息图；负柜信息图；接口柜信息图；钢轨电位信息图；自动化屏图；排流柜图；杂散电流图；控制权限移交图；遥控组屏蔽。

2.4 报警功能

当监视到供电设备产生跳闸、故障等信号时，电力监控系统自动推送报警画面，并且产生报警声音，以提示相关人员。

人机界面报警显示：人机界面报警画面主要有信号光字牌、报警列表、一次系统图。报警等级通常设置为3级，0级为设备通讯状态异常报警、灰色；1级为设备事故跳闸报警，红色；2级为设备运行状态异常报警，橙色。1级报警推送一次系统图画面，画面中跳闸的开关闪烁，显示设备故障跳闸；二级报警推送信号光字牌画面，故障设备的光字牌闪烁为黄色；报警信息集中显示在报警列表中，不同的报警显示为不同的颜色，已复归的报警显示为绿色，未确认的报警状态闪烁，已确认的报警不再闪烁，已确认且已复归的报警信息不再显示在报警列表中。

中心调度系统音响：中心调度工作站设置报警音响，当报警发生时，系统根据报警级别发出不同的报警声音来提示调度人员，当调度人员点击确认按钮后报警声音消失，即使报警已经复归但是调度人员仍未确认报警声音也会一直存在。

变电所报警音响报警：自动化屏设置事故、预告音响报警装置。当报警发生时，安装在自动化屏柜内的报警装置会发出报警声音，当事故报警时电笛响；当预告报警时电铃响，响铃时间设置为1min。在自动化屏设置响铃投入、退出转换开关，当达到退出位置时不响铃；也设置了音响复归按钮，按下按钮响铃停止。

3系统应用

3.1 控制中心调度系统

呼和浩特市地铁1号线共设置2座主变电所，全线共设22座变电所，其中牵引降压混合变电所11座，降压变电所11座，控制中心调度系统负责对全线各个变电所的监视和控制、事故报警查询、程控停送电、趋势查询等功能。

系统遥控功能，即在系统中心级对接入系统的任何一个可遥控的对象进行合、分遥控；遥控操作执行严格的权限管理，执行遥控是有操作权限或经过授权的系统工作人员；遥控可分为单控、程控，并可根据用户要求自定义被控制设备及其顺序操作，上述控制方式可以根据调度人员的要求设置手动确认功能；在同一时间，当多个工作站对同一设备进行遥控操作时，根据用户的权限确定遥控的优先级。系统具有控制闭锁功能，当现场供电设备故障时，引起相应开关跳闸，则此开关控制命令的操作被自动闭锁；当现场供电开关设备接地刀闸接地时，操作员可在主接线画面上开关符号处设置接地显示，对有接地显示的供电开关设备，系统自动闭锁与之相关控制命令的操作。控制闭锁功能可以人工投退，且可由用户自定义。

中心操作员可以对35kV、1500V开关保护装置的保护定值组进行统一管理，包括保护定值召唤、显示、保存、切换、打印等。可以选择站名、装置名称、装置种类进行召唤显示、保存，保存后可以按照报表格式进行打印。具有操作权限的人员可以对35kV、1500V开关保护装置的保护定值组进行远程修改或切换。保护定值组预先根据供电系统各种运行模式来设定，当系统运行方式改变时，中心操作员可以从定值组中直接提取保护定值。

3.2 变电所综合自动化系统

变电所电力监控系统采集变电所内供电设备的遥信、遥测信息。信息在HMI界面上实时刷新，以便值班员及时了解现场设备运行状态。主要监控对象包括：35kV开关柜、1500V开关柜、0.4kV开关柜、牵引变压器、整流器、配电变压器、排流柜、钢轨电位、再生逆变装置等。当控制中心失去与变电所内的通讯时，中心的控制权限自动下放至变电所内。此时，变电所系统管理员在监控工作站上登录账户可以对所内设备实行紧急监控。

变电所内的网络有2层，分为管理层网络和间隔层网络，管理层网络用于连接通讯控制器与中心服务器、变电所监控工作站。间隔层网络由光纤、超五类屏蔽网线、屏蔽双绞线组成。与35kV保护装置、1500V保护装置、400V保护装置采用光纤通讯，起到加快传输速率、避免电磁干扰的功能；与控制信号屏PLC、交直流屏、温控器、整流器、排流柜、再生逆变装置、仪表等设备的通讯采用RS485屏蔽双绞线，这些设备需要监控的信息量较少、传输距离较近，RS485屏蔽双绞线已满足电力监控实时性要求。

4 安科瑞Acrel-2000Z电力监控系统解决方案

4.1 概述

针对用户变电站（一般为35kV及以下电压等级），通过微机保护装置、开关柜综合测控装置、电气接点无线测温产品、电能质量在线监测装置、配电室环境监控设备、弧光保护装置等设备组成综合自动化的综合监控系统，实现了变电、配电、用电的安全运行和较全管理。监控范围包括用户变电站、开闭所、变电所及配电室等。

Acrel-2000Z电力监控系统是安科瑞电气股份有限公司根据电力系统自动化及无人值守的要求，针对35kV及以下电压等级研发出的一套分层分布式变电站监控管理系统。该系统是应用电力自动化技术、计算机技术、网络技术和信息传输技术，集保护、监测、控制、通信等功能于一体的开放式、网络化、单元化、组态化的系统，适用于35kV及以下电压等级的城网、农网变电站和用户变电站，可实现对变电站的控制和管理，满足变电站无人或少人值守的需求，为变电站安全、稳定、经济运行提供了坚实的保障。

4.2 应用场所

适用于轨道交通，工业，建筑，学校，商业综合体等35kV及以下用户端供配电自动化系统工程设计、施工和运行维护。

4.3 系统架构

Acrel-2000Z电力监控系统采用分层分布式设计，可分为三层：站控管理层、网络通信层和现场设备层，组网方式可为标准网络结构、光纤星型网络结构、光纤环网网络结构，根据用户用电规模、用电设备分布和占地面积等多方面的信息综合考虑组网方式。

4.4 系统功能

实时监测：直观显示配电网的运行状态，实时监测各回路电参数信息，动态监视各配电回路有关故障、告警等信号。

电参量查询：在配电一次图中，可以直接查看该回路详细电参量。

曲线查询：可以直接查看各电参量曲线。

运行报表：查询各回路或设备指定时间的运行参数。

实时告警：具有实时告警功能，系统能够对配电回路遥信变位，保护动作、事故跳闸等事件发出告警。

历史事件查询：对事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

电能统计报表：系统具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况。

用户权限管理：设置了用户权限管理功能，可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限。

网络拓扑图：支持实时监视并诊断各设备的通讯状态，能够完整的显示整个系统网络结构。

电能质量监测：可以对整个配电系统范围内的电能质量和电能可靠性状况进行持续性的监测。

遥控功能：可以对整个配电系统范围内的设备进行远程遥控操作。

故障录波：可在系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各种电气量的变化情况。

事故追忆：可自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时稳态信息。

Web访问：展示页面显示变电站数量、变压器数量、监测点位数量等概况信息，设备通信状态，用电分析和事件记录。

APP访问：设备数据页面显示各设备的电参量数据以及曲线。

4.5 系统硬件配置

5 结语

综上所述，随着科技的发展，电力监控系统将对轨道交通的建设起着越来越重要的作用，如在我国的智能城轨建设中，还可以通过对所监测到的数据来即时生成相关的维修管理内容，实现系统中信息的在线交流等，所以本系统仍需改进和提高以满足现代化的设备运营需求。

参考文献

[1] 黄昱旻 . 地铁综合监控系统的构成及优化 [J]. 城市轨道交通研究 ,2010,10.

[2] 骆汉宾 , 宫培松 , 等 . 地铁设计管理系统的研究与应用 [J]. 铁道工程学报 ,2013,9.

[3] 李 鹏.城市轨道交通电力监控系统的应用

[4] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版

审核编辑 黄宇