分体式变电站一体化电源监控系统设计

刘珍，刁守斌，陈曰印，徐苗，曹淑英

（1.国网山东济南市历城区供电公司，济南250100；2.山东鲁能智能技术有限公司，济南250101）

分体式变电站一体化电源监控系统设计

刘珍1，刁守斌1，陈曰印1，徐苗1，曹淑英2

（1.国网山东济南市历城区供电公司，济南250100；2.山东鲁能智能技术有限公司，济南250101）

常规变电站电源系统存在自动化信息化水平低，经济性差，维护困难等问题。设计并实现了一种结构简单、装配灵活的智能变电站一体化电源系统。本系统采用人机交互模块和信息管理模块相分离的方式，实现了一体化电源监控的智能化、模块化。采用层次化、模块化系统设计，实现各个电源系统和模块的统一配置管理。系统已经成功应用于多个智能变电站，运行结果表明系统运行稳定、可靠。

一体化电源；变电站；监控系统；变电站自动化

0 引言

常规的变电站站用电源分为交流系统、直流系统、UPS系统、通信电源系统等。一直以来变电站内各子系统采用分散设计，独立组屏，设备由不同的供应商生产、安装、调试，供电系统也分配不同的专业人员进行维护管理。这种设计方式带来很多局限性，如自动化、信息化程度不高，经济性差，安装、服务协调较难，运行维护不方便等。近年来智能变电站站用一体化电源，已经从局部试点成为一种常规的变电站站用电源设计方式。国家或行业也陆续出台了推荐标准，但业内仍少有能完全满足变电站所有设备统一监控管理的产品。

基于此按照层次化、模块化的设计方式，设计一套满足智能化变电站的一体化电源监控系统。使变电站4种电源子系统实现资源、信息共享，并能统一管理、集中监控，以降低站用电源系统的整体设计成本，提高变电站电源系统的管理水平，提高变电站电源系统运行的可靠性和维护效率。

此一体化电源监控系统投运后，可以对整个电源系统的信息采集、状态检测、故障预警、过程控制进行统一的集中管理，能准确及时预警，有助于及时发现和处理故障。一体化电源监控系统，可以作为变电站电源系统的集中控制平台，实现对整个变电站电源系统的集中监控。

1 分层分布式一体化电源监控系统架构

整个一体化电源监控系统采用分层设计，每个电源子系统可以有独立的分监控，保证了电源运行的独立性，不会因为某一部分电源故障导致整个一

体化电源系统瘫痪。同时，设置一体化电源总监控装置对各子监控进行统一、集中管理，使整个电源系统形成一个整体。

系统采用分层分布式设计共分3层，分别为总监控层、分监控层、智能采集模块层，具体系统架构如图1所示。

图1 一体化电源监控系统架构

一体化电源总监控装置为总监控，负责对下层各个分监控的数据进行采集处理，并发出控制命令。对上级（总控后台、调度等）信息管理采集单元进行数据传送和响应控制命令。监控模块通信方式多样，可以有多种方式与后台进行通信，支持CAN，RS-232，RS-485，网线，无线等通信方式。同时支持多种规约，如通信电力常用的RTU-MODBUS规约、CDT规约、IEC101规约、IEC103规约、IEC104规约、IEC61850规约等。

直流电源监控、交流电源监控、通信电源监控、逆变电源监控为分监控，负责对下（各个智能采集模块）的数据采集和控制操作，对上（总监控）数据传输和命令响应。同总监控一样可以支持多种接线方式和规约。可以根据各个变电站的实际应用灵活配置。

智能采集模块层主要负责变电站各个基础单元的数据采集与控制执行。因为分监控可以适应多种通信方式和规约。所以无需重新添购装置和设备，直接将现有变电站的各种模块接入分监控即可。对于新建站，可以采用图1中列出的各种模块。其中，采样模块主要采集各个系统的母线电压、电流等重要信息。开入模块主要采集各个系统的开关状态、馈线状态、报警输入等信息。开出模块接各种报警设备和控制开关，实现实时控制和报警动作等。其余绝缘检测装置、电池巡检模块、充电机、UPS、ATS等均为各个子系统的配置，可以根据各变电站的实际需求接入相应的设备。

2 分体式一体化电源监控设计

现有的电源监控装置，多使用工控机（电脑）或者插板式（多个模块集合式）装置。这种一体化电源监控装置存在部分缺陷，如：造价高、成本投入大；体积大、安装配置不方便；一体化装置显示形式单一、界面不够丰富；功能比较固定，配置不够灵活。

鉴于以上情况，采用分体式电源监控设计，电源监控由3部分组成，包括信息管理模块、人机交互模块、电源模块，如图2所示。

图2 分体式一体化电源结构

电源模块负责给信息管理模块和人机交互模块供电。信息管理模块负责系统所有数据信息的采集、保存、处理、传输等工作。人机交互模块负责数据展示和与人交互等工作，与信息管理模块通过串口进行通信和数据的交互。

2.1 信息管理模块设计

信息管理模块为一种基于ARM系统的信息综合处理平台，可以提供多种接口，支持多种规约。带有2个网口，11个串口（RS232、RS485可配置），2个CAN口。

硬件平台采用核心板加底板的开发方式，这种设计的好处是：模块化设计，配置灵活，易于扩展，底板的资源可以根据设计需求进行裁剪、扩充；便于形成公共技术单元，与其他项目复用；核心板可以作为一个基本的公共技术单元，配置不同的底板形成不同产品的硬件平台；有利于集中力量解决关键问题，CPU核心板的设计密度较大，难度较高，外围扩展电路设计密度较小，难度较低，模块化设计有利于集中优势力量进行核心板的设计。信息管理模块硬件结构如图3所示。

图3 信息管理模块硬件平台

信息管理模块应用软件运行于高性能的嵌入式Linux系统下。考虑到系统的可移植性以及后续升级维护，采用模块化、层次化的应用软件设计方式。本部分软件可划分为3层，分别为数据采集层、通信控制层、业务逻辑层，如图4所示。数据采集层具体负责对下规约的实现，与各种智能采集模块进行通信；通信控制层是本系统的基础层，它衔接数据采集层与业务逻辑层，实现整个系统的数据管理及信息的上传下达。逻辑业务层是针对一体化监控的逻辑控制功能整合，包括充放电管理、开出管理、报警管理、事件管理等。

图4 信息管理模块软件结构

2.2 人机交互模块设计

人机交互模块采用MCGS触摸屏。该触摸屏造型小巧，结构简单，便于安装。具有耐高低温、防电磁干扰、运行稳定等特点，能够适应变电站对设备的工业级要求。

软件采用图形化设计可直观展示变电站的电源系统结构（总监控层）（图5）、系统接线、各个设备配置等变电站整体状态数据，同时可以显示各个单元（分监控层）的实时开关状态（图6），电压、电流等模拟量数据和报警提示。根据需要可以产生充放电曲线，电池电压、电流等数据的报表。

图5 变电站电源系统结构

图6 直流电源监控运行状态

2.3 电源模块设计

使用AC220V／110V转DC24V开关电源作为监控电源模块给监控信息管理模块和监控人机交互模块供电。如图7所示，该电源模块按照国家标准定制，能够提供稳定的DC24V电源，方便配电柜设计和安装。

图7 电源模块

3 分层监控和智能采集模块

目前变电站监控设备多是分监控下带部分智能采集模块，或者直接是智能模块接入上级数据处理中心，甚至智能模块独立运行。接线和数据采集方式比较随意，没有形成统一管理和规范布置。

本系统采用分层分布式系统结构，接线方式灵

活多样。监控层监控模块（总监控层模块、分监控层模块）要求可以接入网线、串口线等多种通信线缆，并且支持电力上常用的CDT、MODBUS、IEC103、IEC61850等规约。

分层结构，各个层的任务独立且明确。对于已经有分监控设备的变电站，可以直接接入总监控装置进行统一管理改造。对于分监控布局不规范的变电站，也可以加入分监控装置进行升级改造，对已有的智能采集模块进行统一管理。

在新的变电站建设中，由于分监控装置可以兼容多种通信线缆和规约，因此可以方便接入不同厂家的模块设备，满足不同用户对于设备的特殊需求。

4 现场应用

开发完成的分体式变电站一体化电源系统，已通过了电力工业电力系统自动化设备质量检验测试中心的型式试验，并在全国多个省市供电公司推广应用。

与行业内现有产品相比具有以下优势：整个系统的网络化、智能化、数字化水平更高；一体化设计，多套系统可共用蓄电池组，经济性更好；分布式实现，更注重故障隔离；一体化电源对内统一设计，对外统一通信接口，依据行业推荐标准进行模型及通信接口，兼容性更好；利用一体化电源的二次配电馈线开关采集及管理单元，将变电站辅助设备纳入站用电源的管理，实现站用一体化电源系统与辅助设备系统的有效综合控制；将智能站用电源与服务系统进行无缝衔接后，能够实现照明、配电、空调、风机、消防、门禁、周界保护系统、生活水泵等职能监控本地化，并最终实现网络智能化；分体式监控设计，安装装配方便，不占用单独的屏体；布局方便，节省成本。

5 结语

将变电站内使用的交流电源、直流电源、UPS电源、通信电源等电源系统，通过网络通信、一体化监控、系统联动等方法整合为一套系统，解决了传统分离式电源系统的弊端，提高了变电站智能化水平及站用电源管理水平，提高了电源系统的可靠性和灵敏性。通过监控装置分体式模块化设计，减少了监控占用空间，节省了成本。基于行业标准设计的模型及通信接口，在进行一致性测试时有明显优势。目前，经过推广使用，证明该系统是一套技术先进、性能可靠、节能环保、符合智能化变电站设计规范的智能变电站一体化站用电源系统。

［1］焦国锋，雷宏.智能变电站交直流一体化电源系统的研究与应用［J］.陕西电力，2010（10）：37-40.

［2］郭亚昌，王洪峰，苗梅，等.数字化变电站一体化站用电源解决方案［J］.山西电力，2010（1）：7-12.

［3］高翔.数字化变电站应用技术［M］.北京：中国电力出版社，2008.

［4］车浩军，寿江平.变电站一体化不间断电源的应用探讨［J］.浙江电力，2009（4）：35-37.

［5］陈海登.变电站智能站用交直流一体化电源系统的应用［J］.农村电工，2009，17（5）：31-32.

作者简历：

刘珍（1979），女，工程师，从事继电保护管理及变电工程大修技改项目管理工作。

Design of Integrated Power Monitoring and Control System in Split Substations

LIU Zhen1，DIAO Shoubin1，CHEN Yueyin1，XU Miao1，CAO Shuying2
（1.State Grid Licheng Electric Power Company，Jinan 250100，China；2.Shandong Luneng Intelligent Technology Co.，Ltd.，Jinan 250101，China）

In view of the low level of automation and informatization，the poor economic performance and the difficulty of maintenance of the conventional substation station-service power system，a type of integrated power system，which has a simple structure and is flexible to assemble，is designed.This system adopts the mode of segregated man-machine interactive module and information management module，which achieved intelligent and modular design.Adopting the design of stratification and modularization，the unified configuration management of different power systems and modules is achieved. This system has been successfully applied in several intelligent substations.Operation results show that this system runs stably and reliably.

integrated power supply；substation；monitoring system；substation automation

TM63

A

1007－9904（2016）10－0048－04

2016-04-12