摘要：在介紹甬金高速公路白峰嶺隧道配電自動化系統(tǒng)工程背景的基礎上，詳細分析了工業(yè)以太網在高速公路隧道配電自動化系統(tǒng)設計思想、系統(tǒng)構成、功能模塊及系統(tǒng)的設計。在INT—SCADA平臺上開發(fā)甬金高速隧道配電自動化系統(tǒng)。實踐表明系統(tǒng)運行情況良好。
關鍵詞：工業(yè)以太網；高速公路；監(jiān)控系統(tǒng)
高速公路隧道配電自動化系統(tǒng)是高速公路建設的重要組成部分。甬金高速公路白峰嶺隧道工程由左右2個隧道構成。左隧道長1974m，右隧道長 1540m，規(guī)劃整個隧道配電容量為1500KVA，分為東西2個變電所。西端變電站是一個10KV配電系統(tǒng)和10／0．4KV變電系統(tǒng)，東端變電站是 10／0．4KV變電系統(tǒng)。每個變電系統(tǒng)作為隧道配電自動化系統(tǒng)的1個子站。具體變電系統(tǒng)的結線如圖1所示。每個子站按無人值班站設計，監(jiān)控系統(tǒng)包括測控單元、串口集線器和工業(yè)以太網交換機。
圖 1 白峰嶺隧道供電系統(tǒng)結線
高速公路隧道配電自動化系統(tǒng)的主要設計目標為：提供10KV電氣設備的繼電保護，運行工況的在線監(jiān)測，各種可控開關的本地／遠程控制操作，負荷切換，發(fā)電機系統(tǒng)的自動啟動及變配電系統(tǒng)的經濟優(yōu)化運行，適合各種運行方式的控制聯(lián)鎖／聯(lián)動及通信網絡連接實現(xiàn)信息共享等。
由于隧道總長度在1900m左右，且整個配電自動化系統(tǒng)參數(shù)很多，應用現(xiàn)場總線技術無法滿足系統(tǒng)的要求。而工業(yè)以太網協(xié)議通用，傳輸速度快，且已得到了廣泛應用，故采用工業(yè)以太網技術來實現(xiàn)高速公路隧道配電自動化系統(tǒng)。
1 隧道配電自動化系統(tǒng)構成
整個隧道配電自動化系統(tǒng)采用工業(yè)以太網與現(xiàn)場總線相結合、模塊化和網絡化、分層分布式開放系統(tǒng)結構。以太網是迄今最成功的局域網絡技術，具有傳輸速度高、成本低、安裝方便和兼容性好等方面的優(yōu)勢，也是目前應用最廣泛的信息網絡技術之一。
工業(yè)以太網就是把以太網技術應用到控制現(xiàn)場，把上層信息網與底層控制網集成。以太網采用交換方式進行數(shù)據傳輸，多個設備的數(shù)據可以在網絡交換機集中后，用一個上傳通道與監(jiān)控中心進行數(shù)據通信，減少了通信設備，大大降低了系統(tǒng)費用，簡化了系統(tǒng)結構，有利于13后維護。監(jiān)控設備通過網絡交換機就可接人到系統(tǒng)中，無需增加通信設備，使系統(tǒng)的擴展方便靈活。本著分散控制、集中監(jiān)視的原則，按間隔劃分、單元化設計、分布式處理，實現(xiàn)設備分層和網絡分層的解決方案。整個系統(tǒng)自下而上分為現(xiàn)場級控制層、子站級控制層、網絡管理和主站級控制層，系統(tǒng)結構見圖2。
1．1現(xiàn)場級控制層
現(xiàn)場級控制層中的監(jiān)控單元要求運行穩(wěn)定可靠，維護簡單，同時又能滿足工程的自動化設計要求。本方案選用南京因泰萊電器股份有限公司的PAl00、 PA200、IDM20系列綜合數(shù)字繼電器綜合測控裝置，通過MODBUS現(xiàn)場總線與串口集線器和子站級控制層的前置工控機連接，其他智能裝置如變壓器溫控器、柴油發(fā)電機控制器和UPS控制器也與前置工控機連接構成一個有機協(xié)調的單個10／0．4KV的變電站綜合自動化系統(tǒng)。
1．2子站級控制層
子站級控制層是現(xiàn)場控制的關鍵。硬件采用性能可靠的研華工控機，系統(tǒng)軟件采用MicrosoftWindows2000多任務多線程操作系統(tǒng)，應用軟件采用INT—SCADA集成化監(jiān)控系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)能實現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調、報警顯示、數(shù)據存儲、統(tǒng)計報表和變電站優(yōu)化運行控制等功能。子站級控制層的監(jiān)控機具有對現(xiàn)場級控制層各種智能化設備完全的訪問和控制能力，同時具有很強操作層次性，設置不同密碼限制，不同操作人員更改操作不同對象。
子站級控制層的工控機在整個網絡全部癱瘓的情況下，還可以對本級系統(tǒng)進行控制和操作，子站之間互不干擾，保證了系統(tǒng)的獨立、安全、可靠運行。
1．3網絡管理
甬金高速公路白峰嶺隧道線路長、電力系統(tǒng)復雜，如果采用現(xiàn)場總線技術難以滿足實時性、安全性和可靠性的要求，所以在網絡層采用光纖雙冗余工業(yè)以太網技術。
工業(yè)以太網交換機采用東土電信一KIEN2000工業(yè)以太網交換機，它有2個上聯(lián)冗余的100Mbids的光纖端口，利用上聯(lián)冗余接口，可以組成自愈環(huán)網，提高系統(tǒng)可靠性。6個普通的10／100Mbids的雙絞線端口，由于具有自適應功能，每個端口能自動地設置到10base—TX或100base —TX狀態(tài)及全雙工或半雙工的運行模式。該設備可通過即插即用的方式連接，該功能節(jié)省啟動時間。提供24V電源冗余，增強了網絡及系統(tǒng)的可靠性。
1．4主站級控制層
工程因為隧道變電站與監(jiān)控中心距離較遠，故采用主／子站的通訊方式，中間連接通過四芯單模光纖。將現(xiàn)場控制層作為子站，主監(jiān)控中心作為主站，主／子站通過工業(yè)以太網進行通訊。主監(jiān)控中心采用2臺服務器的冗余方式，監(jiān)控機采用普通工業(yè)控制機。操作系統(tǒng)軟件采用MicrosoftWindows2000操作系統(tǒng)，監(jiān)控軟件采用INT—SCADA軟件。將子站前置監(jiān)控機采集的電力數(shù)據通過光纖工業(yè)以太網送到主站，主站的通訊管理機采用DE一334。由于在本工程隧道群系統(tǒng)中共有子站2個，故監(jiān)控主機還需帶有通訊服務器HUB。
在主站控制系統(tǒng)中，主監(jiān)控機連接通訊服務器，通訊服務器通過TCP／II）協(xié)議，連接通訊管理器。由于監(jiān)控主機與子站控制機之間距離很遠，設計每個子站控制機都是通過光纖與主機進行通訊連接，通訊方式為TCP／IP通訊協(xié)議。監(jiān)控主機可以對每個子站控制機的數(shù)據采集，以達到對每個子站現(xiàn)場控制層的遙控、遙信、遙測等功能。
2 監(jiān)控系統(tǒng)功能模塊設計
本 方案對配電系統(tǒng)的一次主設備實現(xiàn)保護、遙測、遙信、遙控、遙調，對二次設備和輔助設備實現(xiàn)遠方控制和管理，實現(xiàn)綜合全面的管理。配電系統(tǒng)內所有測控裝置均采用微機型設備，通過通信網絡與微機監(jiān)控系統(tǒng)一起，構成整個綜合自動化系統(tǒng)。
2．1數(shù)據采集
采集信號包括交流電壓、電流、有功功率、無功功率、頻率、功率因數(shù)、直流輸入模擬量、數(shù)字量等，并具有計算積分電度功能。系統(tǒng)可采集斷路器位置、手車位置、接地開關位置等，就地顯示狀態(tài)并上傳主機和調度端，其中開關變位信號優(yōu)先傳送。
2．2控制功能
接收并執(zhí)行遙控命令及返送校驗，各種開關、斷路器均可通過電腦模擬手柄開關，實現(xiàn)變電站遠程控制。
2．3人機界面
SCADA系統(tǒng)具有強大的人機界面設計功能，可設計各種游覽畫面，如一次系統(tǒng)圖、系統(tǒng)結構圖、虛擬儀表盤、中央信號屏、集中操作屏、屏面布置圖、地理信息圖、巡檢線路圖、二次原理圖、二次接線圖、各種曲線、棒圖和控制信息顯示等，只要INT—SCADA系統(tǒng)能采集到的信息均能在可組態(tài)的圖片上顯示出來，并能就地進行相關的控制操作，見圖3。
2．4事件記錄
數(shù)據采集準確可靠，并具備事故信號顯示功能、事故分析和事件追憶功能、數(shù)據查詢功能，且能保留告警事件，見圖4。
2．5報警功能
告警功能齊全準確，并以聲光形式反饋，告警信號可手動和遠動復歸。告警包括開關、斷路器變位告警，電流、電壓等測量越限告警，SCADA系統(tǒng)故障告警，保護動作告警，接地信號告警。
2．6報表及打印功能
可按要求生成各種報表及曲線等，對各種圖、報表、曲線可按小時、日、月、年進行打印。
2．7通訊功能
通訊方式符合TCP／II）規(guī)約的Intemet網絡。3隧道配電自動化系統(tǒng)的開發(fā)實現(xiàn) SCADA（SupervisoryControlandDataAcquisition）系統(tǒng)作為生產過程和事物管理自動化最為有效的計算機軟硬件系統(tǒng)之一包含2層含義：一是分布式的數(shù)據采集系統(tǒng)，即智能數(shù)據采集系統(tǒng)，也就是通常所說的下位機；另一個是數(shù)據處理和顯示系統(tǒng)，即中心上位機系統(tǒng)。
基于MicrosoftWindows2000的INT—SCADA集成化監(jiān)控系統(tǒng)軟件處于系統(tǒng)的站級控制層，監(jiān)控組態(tài)平臺是基于系統(tǒng)平臺的大型應用軟件，它集控制技術、人機界面技術、數(shù)據庫技術、網絡與通信技術于一體，使控制系統(tǒng)開發(fā)人員不必依靠某種具體的計算機語言，只需通過可視化的組態(tài)方式，就可完成控制系統(tǒng)功能的構建以及對現(xiàn)場設備的運行狀態(tài)的檢測，這給控制系統(tǒng)設計人員帶來了很大的方便。
4 結語
在介紹甬金高速公路隧道電力系統(tǒng)工程背景的基礎上，詳細分析了基于工業(yè)以太網絡的高速公路隧道配電自動化系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法，系統(tǒng)結構采用分層、分布式網絡總線方式，采用微機監(jiān)控，能實現(xiàn)“遙信、遙測、遙控”功能，保證供電的安全可靠，為用戶進行實時管理和監(jiān)控提供直接、簡單、有效的操作方法。甬金高速公路從2005年12月28日開通至今，整個配電自動化系統(tǒng)運行正常，對同類工程設計具有一定的參考價值。
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