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    • 頭條用新理念設計機場10kV變電站的綜合自動化管理系統
      2021-06-12 作者:李都紅 郭樹林 等  |  來源:《電氣技術》  |  點擊率:
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      導語北京大興國際機場、北京新機場建設指揮部、南京南瑞繼保工程技術有限公司的研究人員李都紅、郭樹林、解凱、馬向追、朱春雷,在2021年第2期《電氣技術》上撰文指出,基于“平安、綠色、智慧、人文”四型機場理念,某機場10kV變電站綜合自動化管理系統運用電網全景視圖技術,基于面向服務架構的雙總線技術、靈活分布式運行技術、虛擬電力數據倉庫技術、一體化電網綜合分析平臺技術等先進技術,實現可視化監視、控制、計量、分析、預測、優化調度、運維管理與培訓仿真等多個領域的深度融合。 通過電力調度監控子系統、調度運行管理子系統、視頻監控系統、地理信息系統及可視化子系統、電能質量監測分析子系統、大屏顯示子系統等子系統建設,實現工作區、飛行區和航站樓在內的10kV電力系統全場監控管理和聯絡通信。作為10kV變電站綜合自動化管理系統的核心,PCS—9000電力調度監控系統緊緊圍繞電網的核心工作,采用一體化、標準化、開放性、平臺化和智能化設計理念,促進二次相關專業的融合和協調發展,提高機場電網運行管理的水平和效率,為打造大型國際綜合樞紐機場保駕護航。

      2018年,民航局發布的《新時代民航強國建設行動綱要》明確指出,要高質量推進機場規劃建設,建設平安、綠色、智慧、人文機場,為我國機場實現高質量發展指明了前行之路。

      該10kV變電站綜合自動化管理系統在系統設計和功能規劃前期,積極響應民航局提出的建設“四型機場”標桿體系,對標一流,打造符合現代化民用機場要求的變電站綜合自動化管理系統。

      全場變電站綜合自動化管理系統中心,實現對工作區、飛行區和航站樓在內的全場監控管理,涉及機場范圍內10kV開閉所、各單體建筑及能源場站10kV變電站、照明箱變、管廊箱變、燈光站及附屬變電站等設施。

      整個綜合自動化管理系統在全場環網信息采集建設基礎上,通過電力調度監控子系統、調度運行管理子系統、視頻監控系統、地理信息系統(geo-information system, GIS)及可視化子系統、電能質量監測分析子系統、大屏顯示子系統等子系統建設,實現可視化監視、控制、計量、分析、預測、優化調度、運維管理與培訓仿真等多個領域的深度融合,體現了電網安全、經濟、環保及優質運行的綜合目標。

      在系統安全防護設計方面,嚴格依據國家電力監管委員會5號令《電力二次系統安全防護規定》的要求,實現網絡安全、主機安全、應用安全和數據安全,保障系統的不間斷可靠運行。

      1 系統設計

      1.1 網絡通信架構

      10kV變電站綜合自動化管理系統網絡通信架構從空間分布上分為站控層接入網、通信主干環網及子干環網、系統運行網。站控層接入網,主要實現單個開閉站的數據采集;通信主干環網,布局在開閉站之間,通信子干環網,布局在開閉站、配電室、箱變之間,實現全場的數據傳輸和匯集;系統運行網由調度主網交換機和隔離設備組成。具體網絡通信架構如圖1所示。

      1)站控層接入網。

      通過配置獨立的遠動裝置、子站內網交換機和環網交換機,實現10kV開閉站、各單體建筑及能源場站10kV變電站、照明箱變、管廊箱變、燈光站及附屬變電站的接入,最終通過通信子干環網和主干環網匯聚后,向調度系統上送數據。

      2)通信主干環網和子干環網。

      以101—104、201—204共8個開閉站作為主干環網核心節點,通過千兆單模光纖形成通信主干環網,以包括101—104、201—204等8個開閉站在內的各開閉站、配電室、箱變作為子干環網節點,實現全場數據的匯聚和傳輸。

      其中數據采集與監視控制系統(supervi- sory control and data acquisition, SCADA)采集網絡為A、B雙網冗余設計;對于采集數據量較大的電能質量系統(錄波信息)和視頻系統(視頻信號),采用獨立環網通信,從而保障SCADA采集網絡具備足夠的通信帶寬;航站區和飛行區集控系統通過千兆單模光纜與調度系統進行通信;同時在環網8個核心開閉站設立遠程工作站,便于運維人員的就地操作。

      3)系統運行網。

      依據電力監控系統業務的重要性及其對電力一次系統的影響程度進行分區設置,其中電力調度監控系統、可視化系統、電能質量監測分析系統和調度運行管理系統部署在安全Ⅰ區(控制區),調度員培訓仿真系統(dispatcher training simulator, DTS)部署在安全Ⅱ區(非控制區),Web和視頻系統部署在安全Ⅲ區(生產管理區)。

      1.2 電力調度監控系統

      電力調度自動化系統作為一個涉及監視、控制、分析、預測、優化調度與培訓仿真等多個領域的復雜系統,涵蓋了調度中心運方、調度、自動化和保護等專業。從電網狀態來看,包括了電網穩態、動態和暫態全過程;從電能傳輸環節來看,實現了發輸變配用全過程監視;從監視目標來看,體現了電網安全、經濟、環保和優質運行的綜合目標;從時間尺度來看,不僅包括對當前電網監控,還包括對未來電網預測和歷史電網狀態分析。

      用新理念設計機場10kV變電站的綜合自動化管理系統

      圖1 系統網絡架構圖

      PCS—9000電力調度監控系統從底層到所有應用采用一體化設計,總體上采用基于面向服務架構(service-oriented architecture, SOA)的雙總線架構,高速數據總線保證實時應用效率,標準集成總線能實現異構系統集成,具有“標準化、開放性、平臺化、智能化”的系統特點,具體系統架構如圖2所示。

      用新理念設計機場10kV變電站的綜合自動化管理系統

      圖2 電力調度系統架構

      1)硬件和操作系統。支持現今流行的各種硬件平臺和操作系統,便于系統應用功能的部署、集成和擴展。

      2)中間件層。包括操作系統屏蔽中間件層和CORBA中間件層,通過應用組件技術,系統具備可伸縮性、異構系統、可互操作性和可移植性等優勢。

      3)統一支撐平臺層。提供數據庫支撐平臺(關系/時序/實時數據庫服務)、軟件支撐平臺(地理信息、報表、時間同步、文件、消息收發、圖形生成、圖形維護、通用事件、CASE 管理、高速數據總線、通用數據總線、系統資源管控、大屏幕控制、用戶權限管理等服務)及數據中心(模型校核、模型拼接、模型管理、模式管理、數據集成和數據服務)等功能。

      4)應用軟件層。在統一支撐平臺層之上,提供前置采集、數據處理與監視、自動控制、網絡分析、負荷預測、調度員培訓仿真、電能量計量和智能告警等應用模塊。

      在系統軟件架構的基礎上,PCS—9000電力調度監控系統從業務功能的角度,主要分為電網運行監視、電網運行分析、電網運行控制、電能量計量、調度員培訓仿真和保護信息管理六個功能子系統,具體功能如圖3所示。

      用新理念設計機場10kV變電站的綜合自動化管理系統

      圖3 電力調度監控系統功能組成

      1.3 可視化系統

      可視化系統以電力調度監控系統為服務對象,采用先進的技術架構,通過對電力調度系統的實時感知、精準定位,將各類電網運行數據可視化,實現全面、及時、精確的日常運行管理、事件預防和處置。平臺支持根據業務需求變化,靈活地進行功能擴展和調整。

      機場可視化系統結合機場電力調控中心日常監控與特殊業務展示的需求,采用模式-主題-場景三級展示設計架構,通過視頻、信號、三維、GIS、Flash和網頁等多種展現方式,實現電網系統重大事件、告警預警一體化潮流、電網運行實時關鍵信息、電網負荷監控、監控信息多維統計分析和參觀匯報等業務主體場景的展示。

      1)重大事件

      主要體現電力應用特色(地方標志性建筑、與電網有關的重大事件等)、電網特性以及電網的支撐作用。

      2)告警預警一體化潮流圖

      通過潮流圖流動、線路負載率越限告警監視、斷面越限告警監視、設備故障告警可視化展示和預警信息可視化展示等手段,分區域清晰表達電網的架構、運行狀態以及負荷和穩定裕度等重要信息,便于調度員總攬全局,對電網的異常信息及時做出正確的決策。

      3)電網運行實時關鍵信息總覽

      利用感知化圖元,可視化展示系統集中展示地區電網關鍵運行信息,包括發電及用電信息、主變及線路負載信息、電壓越限信息、檢修信息、主變油溫信息、鏈路通道狀態信息、告警信號信息、電網頻率信息和狀態估計合格率信息。

      4)電網負荷監控

      從全社會、全網、行業、地區和產業等多維角度分析電網的負荷及用電量情況,直觀反映電網的負荷特性。

      5)監控信息多維統計分析

      基于地理圖的各類告警信息的分布展示,采用分類、聚類等數據挖掘算法,實現基于廠站、間隔和設備的各類告警發生頻率的統計和排序,揭示電網的薄弱環節。

      6)參觀匯報

      基于三維空間技術,動畫技術實現歡迎片頭、電網概況、電網結構、負荷情況、建設情況及當前工作主題的參觀匯報方案設計及制作,以豐富的效果全面展示電網信息。

      1.4 電能質量監測分析系統

      某機場電能質量監測分析系統,遵循國家電網二次系統安全防護體系設計要求,針對機場單母線多回路線路的集中監測、雙母線多回線路集中監測、兩卷變監測和三卷變監測等10kV電壓等級多回線路電能質量監控的場合,通過電能質量在線監測裝置實現電能質量相關參數、電壓、電流、功率和各個回路的開關狀態集中測量和顯示,實現對多個回路的電能質量及全電量監控。

      主站系統在電能質量數據采集的基礎上,對電能質量指標進行定時段統計,并以圖形、表格、曲線、棒圖和餅圖等表達方式進行展示,提供以下高級應用分析功能:①按照變電站、機場對電能質量進行綜合評估;②負荷接入的電能質量評估;③電能質量事件診斷;④電能質量治理輔助決策。

      1.5 調度運行管理系統

      針對傳統電網日常調度管理中,調度人員需要面對設備檢修申請單管理、交接班和調度計劃管理等各種業務復雜、龐大的調度管理紙張表單審核處理工作,契合“智慧”機場的建設理念,PCS—9000調度運行管理系統,基于表單和工作流引擎驅動,與實時系統緊密結合,將配調日常運行管理工作的大部分內容真正實現計算機管理,實現配電管理全過程的自動化和智能化,降低工作強度,提高工作質量。某機場調度運行管理系統的主要業務功能包括以下幾方面:

      用新理念設計機場10kV變電站的綜合自動化管理系統

      圖4 電能質量分析系統畫面

      1)操作票管理

      提供多種輔助開票類型,可通過智能票、單步票、典型票、過程票和文本票等方式開出操作步驟,滿足調度人員日常操作票管理工作的可靠性、安全性、快速性及方便性等要求。

      2)保電管理

      結合保電計劃信息,實時反映客戶保電情況,對調度運行人員的操作給與提示和約束,協助制定檢修計劃。

      3)調度操作記錄管理

      通過順序記錄調度管理中所有調度發令、執行完成操作,形成調度操作日志記錄。通過調度操作記錄管理,調度員可以方便查詢某調度日的具體操作記錄。

      4)調度計劃管理

      根據批復通過的檢修申請單,為設備檢修制定調度計劃,包括調度計劃的擬訂、審核、預發及執行四個環節,實現設備的檢修和檢修完成后的恢復供電,完成后,終止調度計劃并將有關數據歸檔。

      5)停電分析

      結合未來態配電網絡模型信息和計劃檢修信息,分析停電范圍,進行停電客戶數、客戶類型、區域信息和丟失負荷容量等相關信息統計,形成停電客戶信息并發布。

      6)設備巡視管理

      包含巡視計劃、設備巡視記錄、設備巡視日期、設備缺陷和缺陷記錄等結果查詢和輸出功能。

      7)事故緊急處理管理

      在調度(值班)接到故障情況時,直接向搶修單位、人員發出調度令,事故搶修調度令一般擬訂臨時調度計劃,由同值審核后,發口令,并記錄在調度操作記錄中,包括受令人及時間。

      1.6 視頻監控系統

      某機場視頻監控系統按照可視化、電力監控與視頻監控聯動的標準設計實施,各區域配電室按照滿足無人值守視頻監控標準設計實施,主要包括數據采集、視頻顯示、圖像存儲回放、實時預覽和視頻聯動等功能。

      1)數據采集

      系統基于TCP/IP協議組網,通過內部局域網與協議轉換網關實現前端變電站視頻監控系統中的各個不同廠家、不同型號的硬盤錄像機(DVR)或視頻服務器(NVS)、IP攝像機(IPC)和控制設備的接入。

      2)視頻顯示

      主站視頻系統能監視系統所接各攝像機拍攝的畫面,視頻畫面上有明顯的地點和時間的標識,畫面大小能隨意調整,能方便地選擇視頻源。同時支持視頻畫面分割,在一幅畫面上顯示多個視頻源圖像,用鼠標可以方便地選擇所需監視的視頻圖像。

      3)圖像存儲回放

      系統具備視頻捕捉、圖像快照和告警聯動存盤功能,通過對存盤信息合理管理,可方便地按時間、地點查詢回放,為調度系統進行事故復現提供支持。

      4)實時預覽

      支持C/S客戶端和Web瀏覽器預覽;支持1、4、6、7、8、9、10、13、14、16、17、22、24、25畫面顯示和全屏顯示,支持1×2、1×4和1+2三種走廊模式預覽窗口布局。

      5)視頻聯動

      能夠與電網調度監控系統進行聯動。當電網調度監控系統產生告警時,電網調度監控系統通過IEC-104規約把信號點發給視頻系統,視頻系統通過視頻服務器控制攝像頭切換到指定位置,并在視頻工作站的液晶監視器上顯示告警現場的視頻圖像,使運行人員能夠第一時間了解現場情況。

      1.7 大屏顯示系統

      某機場大屏顯示系統是將電力調度、視頻監控和GIS可視化等綜合信息快速、高效、準確地接收并高清晰地顯示,使電力調度所需的各類信息,實時迅速地匯集在同一綜合畫面,為迅速分析判斷、綜合調度和決策指揮提供技術保障,從而突破空間限制,提高反應、指揮、調度的速度和廣度。

      大屏幕系統是調度運行管理以及后續電力調度中心重要的顯示和監控手段,可以將各種監控系統的計算機圖文信息和視頻信號等進行集中顯示,在實時調度、會商、決策及信息反饋等方面都起到了重要的作用。通過大屏幕系統可以直觀地顯示各部分系統的信息,以便于調度決策部門全面觀看和掌握事件全貌,實時監控和集中控制、指揮調度并做出正確的決策。

      用新理念設計機場10kV變電站的綜合自動化管理系統

      圖5 視頻監控系統畫面

      用新理念設計機場10kV變電站的綜合自動化管理系統

      圖6 大屏系統功能菜單界面

      1.8 安全防護體系設計

      為實現“平安”機場提出的“對安全隱患零容忍”的安全工作核心思想,綜合自動化管理系統嚴格將運行安全放在首位,滿足國家電力監管委員會5號令《電力二次系統安全防護規定》的要求。系統硬件采用雙機、雙網、雙電源和可接入雙通道(包括專線及網絡)等冗余設計結構,具備軟件功能動態重構處理功能,在系統發生故障時可自動切換,保障系統的不間斷可靠運行。

      1)網絡安全

      通過在網絡邊界部署訪問控制設備,啟用訪問控制功能,實現網絡設備運行狀況、網絡流量和用戶行為的實時監控。

      2)主機安全

      依據安全策略實現用戶對資源訪問權限的控制,通過角色分配權限機制實現不同用戶的權限分離,并實現服務器CPU、硬盤、內存和網絡等資源的實時監測。

      3)應用安全

      嚴格管理應用權限,制定權限賦予和權限變更的審核、批準和執行流程,對賬戶和請求進程的資源占用進行限額分配。

      4)數據安全

      支持對系統管理數據、鑒別信息和重要業務數據的存儲完整性檢測和傳輸加密,具備數據本地備份和恢復功能。

      2 結論

      隨著新時代民航強國建設的發展,對機場變電站綜合自動化管理系統的要求越來越高,安全主動化、運行協同化、服務個性化及管理智能化等因素都被列入考慮范圍。

      本文從10kV變電站綜合自動化管理系統設計出發,設計并實現了網絡通信架構、電力調度監控系統、調度運行管理系統、可視化系統、電能質量監測分析系統、視頻監控系統、大屏顯示系統和安

      全防護體系。該系統是一個實現可視化監視、控制、計量、分析、預測、優化調度、運維管理與培訓仿真等多個領域的深度融合的綜合智能化系統,技術先進、系統實用、結構合理、產品主流、維護量低以及具備良好的擴展性。

      10kV變電站綜合自動化管理系統可以充分利用其綜合功能和資源,以電網安全、經濟、環保和優質運行為目標,提高某機場電網運行和管理的水平和效率。

      本文編自2021年第2期《電氣技術》,論文標題為“基于“四型機場”理念的某機場10kV變電站綜合自動化管理系統設計與應用”,作者為李都紅、郭樹林 等。