輸變電系統(tǒng)的智能化監(jiān)控研究

摘 要：近年來，由于電腦科技日益發(fā)達(dá)，帶動(dòng)光纖測溫及部分放電測試等技術(shù)也蓬勃發(fā)展，各種智能化監(jiān)控設(shè)備已應(yīng)用于輸變電系統(tǒng)中，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定與可靠度提升幫助甚大。本文主要從輸變電系統(tǒng)智能化監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)及軟件功能兩個(gè)方面介紹目前已應(yīng)用于輸變電系統(tǒng)的智能化監(jiān)控系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：輸變電系統(tǒng)；智能化；監(jiān)控

1 引言

電力系統(tǒng)主要由發(fā)電、輸電、變電及配電等系統(tǒng)構(gòu)成。為有效提升各系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)效率、可靠度，并確保供電品質(zhì)，均分別裝設(shè)電力監(jiān)控系統(tǒng)（Supervisory Control and Data Acquisition， SCADA）于配電調(diào)度中心（Distribution Dispatching Control Center， DDCC）、區(qū)域調(diào)度中心（Area Dispatching Control Center， ADCC）、中央調(diào)度中心（Center Dispatching Control Center， CDCC）。應(yīng)用電力監(jiān)控系統(tǒng)除可節(jié)省電力維護(hù)管理人力及提升供電品質(zhì)與用電安全外，也可借助電能管理來節(jié)約能源降低用電費(fèi)用。

2 輸變電系統(tǒng)智能化監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

輸變電監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）應(yīng)包含完整的保護(hù)、控制、監(jiān)視和通訊等功能，借助人機(jī)界面和套裝控制軟件，以個(gè)人電腦執(zhí)行變電所的控制。基本看來，套裝控制軟件功能包括完整的監(jiān)視控制和資料收集，以及用于回路控制和保護(hù)的智能型電子裝置（Intelligent Electronic Device， IED）。SCADA系統(tǒng)可概分為下列幾部分。

2.1 備份系統(tǒng)

備份系統(tǒng)包括電腦監(jiān)控主機(jī)備份及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)備份，監(jiān)控主機(jī)為管理者對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控的重要界面，而網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)則為資料傳送的重要媒介，都必須穩(wěn)定不出故障。監(jiān)控主機(jī)通常采用復(fù)聯(lián)式系統(tǒng)架構(gòu)（Redundancy System），網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)則采用Dual Bus Redundancy或Ring Redundancy，采用復(fù)聯(lián)式系統(tǒng)架構(gòu)不管是軟件或硬件發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，系統(tǒng)仍能繼續(xù)且正確地執(zhí)行某特定工作。復(fù)聯(lián)式電腦系統(tǒng)由于技術(shù)成熟及價(jià)格較具競爭力，近十年來越趨重要且普及。以往監(jiān)控電腦多會(huì)浪費(fèi)時(shí)間，現(xiàn)在電腦普遍應(yīng)用至商業(yè)、航管、軍事及工業(yè)控制等，只要有些許故障，將嚴(yán)重造成環(huán)境安全、巨大財(cái)物損失甚至生命安危。

復(fù)聯(lián)式系統(tǒng)之所以越來越重要是因?yàn)殡娔X所需處理的問題越來越嚴(yán)格。通常的系統(tǒng)架構(gòu)包含如下內(nèi)容：網(wǎng)絡(luò)上由兩臺(tái)監(jiān)控電腦同時(shí)執(zhí)行監(jiān)控功能，一臺(tái)為運(yùn)轉(zhuǎn)主機(jī)，另一臺(tái)為備份主機(jī)；運(yùn)轉(zhuǎn)主機(jī)為主要執(zhí)行控制及監(jiān)視的電腦，備份主機(jī)則以監(jiān)視為主，但隨時(shí)偵測運(yùn)轉(zhuǎn)主機(jī)的狀況，一旦發(fā)現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)主機(jī)故障，備份主機(jī)立即轉(zhuǎn)接成為運(yùn)轉(zhuǎn)主機(jī)執(zhí)行控制及監(jiān)視功能，原運(yùn)轉(zhuǎn)主機(jī)待修復(fù)后自動(dòng)轉(zhuǎn)換為備份主機(jī)，確保系統(tǒng)運(yùn)作正常。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)備份若采用Dual Bus Redundancy Network，則由1條主傳輸網(wǎng)絡(luò)及1條備份傳輸網(wǎng)絡(luò)組成，系統(tǒng)故障時(shí)自動(dòng)切換，若采用Ring Redundancy Network則網(wǎng)絡(luò)中任何一節(jié)點(diǎn)故障，資料仍可由兩端線路傳回系統(tǒng)，不受節(jié)點(diǎn)故障的影響。

2.2 系統(tǒng)校時(shí)

一是電腦內(nèi)部計(jì)時(shí)電路。每部個(gè)人電腦都有兩個(gè)時(shí)鐘，一為軟件時(shí)鐘，另一為硬件時(shí)鐘；硬件時(shí)鐘靠電源持續(xù)運(yùn)作，軟件時(shí)鐘只于電腦啟動(dòng)時(shí)運(yùn)作，每當(dāng)電腦電源啟動(dòng)時(shí)，軟件時(shí)鐘會(huì)在一秒內(nèi)向硬件時(shí)鐘對(duì)時(shí)。由于硬件時(shí)鐘很容易受到各種外在環(huán)境因素的影響，大部分電腦硬件時(shí)鐘每日誤差約在5～15秒間，故電腦硬件時(shí)鐘并不適合精確計(jì)時(shí)用，特別對(duì)于計(jì)時(shí)精度要求高的電力監(jiān)控領(lǐng)域。

二是網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)上的時(shí)間協(xié)定包括：（1）Day Time Protocol （RFC-867）、（2）Time Protocol（RFC-868）、（3）Network Time Protocol （RFC-1305）、（4）Simple Network Time Protocol （RFC-2030）等。最早使用的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)定是RFC-867（port 13）和RFC-868（port 37）。Day Time Protocol送出的碼都是ASCII碼，可直接表示日期、年份、時(shí)間及時(shí)區(qū)。Time Protocol送的則是32 bit的binary number，以二進(jìn)位表示自公元1900年1月1日零時(shí)開始的秒數(shù)，時(shí)區(qū)都是格林威治時(shí)區(qū)。而Day Time Protocol和Time Protocol都只能表示到秒，且無估算網(wǎng)絡(luò)的延遲。Network Time Protocol使用port 123，64 bit的binary number，前32 bit和Time Protocol一樣，后32 bit用以表示秒以下的部分，并加上網(wǎng)絡(luò)傳遞延遲量的估計(jì)。理論上可以精確到2-32秒，實(shí)際使用上廣域網(wǎng)絡(luò)大約50ms，在區(qū)域網(wǎng)絡(luò)則可達(dá)1ms。在使用上若要求不高，建議采用Time Protocol較簡單方便。若精確度要求在秒以下，建議采用SNTP（Simple Network Time Protocol）。如果是一群工作站需要同步或做精密時(shí)間運(yùn)算，應(yīng)采用NTP（Network Time Protocol）。

三是GPS。以全球定位系統(tǒng)（Global Position System， GPS）衛(wèi)星所發(fā)射的信號(hào)，經(jīng)接收機(jī)接收及解碼后，作為電腦校正時(shí)間的依據(jù)，其精度小于1ms。由于電力監(jiān)控對(duì)故障分析需詳細(xì)記錄跳脫時(shí)間，所要求的反應(yīng)時(shí)間在毫秒內(nèi)，因而應(yīng)采用GPS校時(shí)。

2.3 遠(yuǎn)端終端單元

現(xiàn)場電力系統(tǒng)數(shù)位、類比資料，由遠(yuǎn)端終端單元（Remote Terminal Unit， RTU）設(shè)備收集整理，經(jīng)傳輸系統(tǒng)回傳至控制中心主電腦資料庫，經(jīng)由處理分析可獲得受控設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。對(duì)于有異常狀態(tài)的設(shè)備，管理操作人員可借助主電腦通過人機(jī)介面觸控畫面下達(dá)控制指令，直接操控現(xiàn)場開關(guān)設(shè)備。

2.4 多功能電表

可量取V、A、Hz、功率（kW/kvar）、電量（kWh/kvarh）、功率因素及需量等。并應(yīng)具備標(biāo)準(zhǔn)通訊界面（如Modbus），以利與電腦設(shè)備整合。

2.5 智能型電子裝置（IED）

智能型電子裝置（Intelligent Electronic Device， IED）一般安裝于電力開關(guān)設(shè)備（Switchgear）內(nèi)，具馬達(dá)保護(hù)（Protection）、量測（Measuring）、控制（Control）及通訊（Communication）等功能。

3 輸變電系統(tǒng)智能化監(jiān)控系統(tǒng)的軟件功能

一是自動(dòng)定位系統(tǒng)。采用配電盤警報(bào)快速跳圖功能，結(jié)合系統(tǒng)本身的警報(bào)功能，當(dāng)警報(bào)事件發(fā)生時(shí)，可直接跳入其電力細(xì)節(jié)圖、電力總圖與平面圖以快速定位故障確實(shí)位置，幫助維護(hù)人員快速排除故障問題，縮短查詢的時(shí)間，能更快速處理警報(bào)事件，提供現(xiàn)場操作人員迅速掌握發(fā)生事故的配電盤所在位置。

二是配電盤位置圖與單線圖快速跳圖連結(jié)功能。平面圖即表示變電站開關(guān)室配電盤配置圖，可明確標(biāo)示出電力盤的相關(guān)位置。點(diǎn)選其盤體可進(jìn)入詳細(xì)的電力單線圖。警報(bào)發(fā)生時(shí)，電力盤體會(huì)變成紅色，讓使用者能通過Layout清楚了解警報(bào)發(fā)生位置。

三是數(shù)位式保護(hù)馬達(dá)具有參數(shù)定期查詢監(jiān)視功能，而保護(hù)馬達(dá)事故跳脫也可以自動(dòng)報(bào)表列印。軟件還具有故障報(bào)表資料庫，能夠自動(dòng)記錄馬達(dá)跳脫時(shí)的數(shù)值，以便于事故分析。另外，暫態(tài)波形記錄器可自動(dòng)記錄電力系統(tǒng)異常被觸發(fā)時(shí)的暫態(tài)波形，以便于事故分析。另外，暫態(tài)波形記錄資料庫則可自動(dòng)記錄每一筆電力系統(tǒng)異常被觸發(fā)時(shí)的暫態(tài)波形。

四是電力品質(zhì)監(jiān)視系統(tǒng)可配合IED或及多功能數(shù)位電表的電壓/電流諧波量測功能，以即時(shí)監(jiān)視電力系統(tǒng)重要負(fù)載及各出入口的諧波污染狀況，做即時(shí)警報(bào)及改善計(jì)劃的參考依據(jù)。系統(tǒng)自我診斷是最重要的部分，用以監(jiān)視系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

4 結(jié)束語

電力監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)電力系統(tǒng)供電品質(zhì)、可靠度與穩(wěn)定度提升幫助甚大，但目前大型電力系統(tǒng)故障異常時(shí)，電力監(jiān)控系統(tǒng)所收集的資料，電力工程人員大都仍需以人為方式判斷，未來監(jiān)控軟件若能導(dǎo)入專家系統(tǒng)（Expert System），協(xié)助電力工程人員作更精確迅速的故障分析判斷，應(yīng)更能發(fā)揮電力監(jiān)控功能。電纜部分放電測試，對(duì)明確重大電纜異常狀況易于判讀，但應(yīng)用于送電運(yùn)轉(zhuǎn)中的輸電線，作為電纜事故前的預(yù)警判斷，仍有較大的困難課題待解決處理突破，目前許多專家學(xué)者、廠商已導(dǎo)入類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（Neural Network Technlogy），以期能預(yù)警性的部分放電測試技術(shù)有更突破性的進(jìn)展。

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