李先洲

（山東高速股份有限公司泰安運管中心泰安信息分中心，山東泰安271000）

0 引言

配電系統(tǒng)是高速公路系統(tǒng)中的重要組成部分，配電系統(tǒng)出現(xiàn)故障將導致供電中斷，造成高速公路收費系統(tǒng)、隧道照明系統(tǒng)等出現(xiàn)混亂，會嚴重影響高速公路的正常運行，并且有可能帶來嚴重的安全隱患。因此，采用適宜的配電監(jiān)測裝置，對高速公路系統(tǒng)中的配電系統(tǒng)，尤其是收費站、服務(wù)區(qū)、隧道等重要區(qū)域的配電系統(tǒng)進行嚴密的配電監(jiān)控，確保高速公路基本運營的安全性與經(jīng)濟性就顯得十分重要[1]。

1 高速公路配電監(jiān)控裝置的特點及其作用

1.1 配電監(jiān)控裝置的特點

高速公路配電監(jiān)控裝置在運行過程中具有很明顯的特點：第一，實時性。高速公路配電監(jiān)控裝置具有實時性監(jiān)控的特點，該裝置可通過對安全數(shù)據(jù)的采集，對配電系統(tǒng)的安全性進行實時監(jiān)督。當高速公路配電系統(tǒng)發(fā)生故障時，該裝置可立即發(fā)出警報并自動采取相關(guān)措施處理故障，確保配電系統(tǒng)安全運行。第二，可靠性。可靠性是指該裝置具備無故障運行的能力。該監(jiān)控裝置可以利用計算機對自身出現(xiàn)的一些故障進行糾錯和記錄，可有效提高自身的可靠性。第三，智能化。該配電監(jiān)控裝置具有自動采集與處理數(shù)據(jù)、自主運行等功能，在數(shù)據(jù)的收集與處理方面，能進行記錄、自動生成數(shù)據(jù)報表等，有很強的智能化特點。

1.2 配電監(jiān)控裝置的作用

高速公路配電監(jiān)控裝置主要有以下作用：

第一，保證高速公路配電系統(tǒng)的安全運行。高速公路配電監(jiān)控裝置中設(shè)有微機保護裝置，此裝置在發(fā)現(xiàn)及解決配電系統(tǒng)故障方面發(fā)揮著重要作用，能夠有效提高配電系統(tǒng)運行的安全性，能保證高速公路系統(tǒng)中用電設(shè)備（如監(jiān)控等）的正常運行，還能延長這些設(shè)備的使用壽命。第二，提升高速公路配電系統(tǒng)的管理水平。高速公路配電監(jiān)控裝置具備很強的自動化工作能力，許多工作如監(jiān)視、測量等都可通過計算機自主完成，這能大大提高高速公路配電系統(tǒng)的運營管理水平。第三，解放勞動力。因該裝置的自動化程度較高，可以快速定位配電系統(tǒng)中的故障，能夠有效縮短故障維修時間，解放部分勞動力。

2 高速公路配電監(jiān)控裝置及其基本組成

高速公路配電監(jiān)控裝置是依靠現(xiàn)代計算機和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立起來的對高速公路配電系統(tǒng)進行安全監(jiān)控的一種電力安全監(jiān)控裝置[2]。其主要功能包括收集配電系統(tǒng)安全數(shù)據(jù)、安全數(shù)據(jù)整理與傳輸、生成安全數(shù)據(jù)報表、配電系統(tǒng)基本安全參數(shù)監(jiān)測、配電系統(tǒng)基本運行控制、安全事故報警、繼電保護等。這些功能基本上可以實現(xiàn)對高速公路配電系統(tǒng)的遠程控制、遠程監(jiān)測、遠程信息采集、遠程調(diào)整，能夠達到有效的用電保護效果[3]。

2.1 監(jiān)控管理層

監(jiān)控管理層主要由裝置用戶（管理者、技術(shù)人員、操作人員等）、工作站（監(jiān)控主機）、數(shù)據(jù)服務(wù)器、信息處理系統(tǒng)、打印機等部分組成。其中，打印機與監(jiān)控主機相連，負責輸出各種紙面數(shù)據(jù)，其余設(shè)備均與各個路段監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)交換設(shè)備連接，能夠?qū)崿F(xiàn)整個監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)互通。這種模式可以充分發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，提升裝置的安全監(jiān)測效果。此外，工作站一般設(shè)置雙主機，可充分保證配電監(jiān)控裝置運行的穩(wěn)定性與可維護性[4]。

2.2 通信中間層

通信中間層是連接監(jiān)控管理層與現(xiàn)場控制層的中介，其主要包括兩部分內(nèi)容，即現(xiàn)場總線通信網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場總線通信網(wǎng)絡(luò)主要負責現(xiàn)場控制層的設(shè)備與智能通信管理設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備之間的通信，比較常見的總線是RS485通信接口、符合Modbus-RTU協(xié)議的總線。以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)主要負責現(xiàn)場總線與監(jiān)控計算機之間的數(shù)據(jù)傳輸，其主要傳輸設(shè)備有智能通信管理機和以太網(wǎng)交換機等。在通信中間層，按以上規(guī)則進行拓撲之后，各個以太交換機通過光纖進行連接，現(xiàn)場控制層通過通信中間層向監(jiān)控管理層傳輸數(shù)據(jù)也通過光纖連接[5]。

通信中間層的基本傳輸設(shè)備有智能通信管理機、工業(yè)以太網(wǎng)交換機、數(shù)字光端機和通信線路。基本工作原理如下：在收費站、服務(wù)區(qū)等位置的配電室設(shè)置一臺智能通信管理機和工業(yè)以太網(wǎng)交換機，智能通信管理機所獲取的現(xiàn)場控制層數(shù)據(jù)會通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機，經(jīng)過光纖輸送至路段監(jiān)控中心的工業(yè)以太網(wǎng)交換機。工業(yè)以太網(wǎng)交換機RJ45接口上接的光端機，會通過一根多模2芯光纖連接至監(jiān)控分中心的光端機，并將所獲得的監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸給分中心的中心交換機[6]。路段監(jiān)控分中心的中心交換機會將采集來的數(shù)據(jù)輸送至電力監(jiān)控服務(wù)器，經(jīng)過服務(wù)器處理與技術(shù)人員的操作后，再將數(shù)據(jù)輸送到現(xiàn)場控制層，從而實現(xiàn)配電監(jiān)控裝置對配電系統(tǒng)的遠程監(jiān)測與控制。

2.3 現(xiàn)場控制層

通過對高速公路配電系統(tǒng)需監(jiān)控路段的考察與分析，在路段內(nèi)收費站、服務(wù)區(qū)、隧道等地分別合理安裝配電監(jiān)控裝置。安裝監(jiān)控裝置時，要根據(jù)安裝現(xiàn)場的具體情況選擇合理的安裝方案，合理安裝現(xiàn)場監(jiān)控裝置、10kV微機測控保護綜合裝置、電容無功補償裝置、變壓器溫控器等。

微機測控保護綜合裝置是現(xiàn)場控制層設(shè)備的核心裝置，該裝置主要由以下幾個模塊構(gòu)成：第一，數(shù)據(jù)輸入輸出模塊。該模塊的主要任務(wù)是實現(xiàn)該裝置與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)互動，收集外部設(shè)備的數(shù)據(jù)并輸出對外部設(shè)備的控制信號。第二，中央處理器。通過事先編訂好的程序，對設(shè)備收集到的數(shù)據(jù)進行分析處理并向外發(fā)出。第三，數(shù)據(jù)通信模塊。主要任務(wù)是將收集到的設(shè)備數(shù)據(jù)進行整理，再以表格等方式輸送給上位機并接收上位機發(fā)來的數(shù)據(jù)、決策、控制信號等，實現(xiàn)上位機對現(xiàn)場控制層的遠程控制。第四，其他擴展模塊。根據(jù)裝置所處監(jiān)控地的具體情況或技術(shù)人員的特殊要求，有針對地開發(fā)新功能，具有比較大的靈活性。

3 高速公路配電監(jiān)控裝置軟件設(shè)計

3.1 配電監(jiān)控裝置軟件設(shè)計功能結(jié)構(gòu)圖

高速公路配電監(jiān)控裝置的主要功能有配電系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控與數(shù)據(jù)查看、監(jiān)控裝置控制、工作人員日常管理等幾個方面，由此可以將整個配電監(jiān)控裝置軟件功能設(shè)計成一個整體的運行框架，見圖1。

圖1 配電監(jiān)控裝置功能結(jié)構(gòu)圖

操作員：軟件使用者，主要是監(jiān)控裝置的管理員，也包含一部分普通用戶。下位機：配電監(jiān)控裝置中現(xiàn)場控制層的數(shù)據(jù)采集和控制設(shè)備。系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控：包括對配電監(jiān)控裝置數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)的基本管理。系統(tǒng)控制：包括對配電監(jiān)控裝置的運行控制和參數(shù)修改兩個部分。信息查看：查看裝置中的實時數(shù)據(jù)、故障信息數(shù)據(jù)等。用戶管理：包括添加和刪除用戶等功能。數(shù)據(jù)通信：配電監(jiān)控裝置中上、下位機之間對設(shè)備運行實時數(shù)據(jù)的傳輸，上位機對數(shù)據(jù)進行接收并進行相應(yīng)的處理、輸送和保存。除上述框架外，為提升該裝置軟件運行的有效性和安全性，提高裝置及時處理配電系統(tǒng)故障的能力，還可以在監(jiān)控裝置軟件設(shè)計中增設(shè)備份功能，備份監(jiān)控裝置的每一次操作，為后續(xù)開展故障維修提供數(shù)據(jù)支持。

3.2 配電監(jiān)控裝置軟件運行原理

3.2.1 裝置軟件登錄過程

監(jiān)控裝置軟件登錄流程見圖2。

圖2 監(jiān)控裝置軟件登錄流程圖

根據(jù)登錄流程，操作員在輸入用戶名和密碼后，裝置軟件會進行用戶信息核對，核對成功后用戶則可登錄，并具有一定的使用權(quán)限，然后登錄頁面會跳轉(zhuǎn)至裝置軟件首頁；若用戶名或密碼信息有誤，用戶則無法登錄，軟件會彈出錯誤選項框，提醒操作員重新進行登錄。

3.2.2 下位機數(shù)據(jù)處理過程

在高速公路配電監(jiān)控裝置中，下位機是處于現(xiàn)場控制層的智能儀表和數(shù)據(jù)采集設(shè)備。下位機采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)簡單處理后傳輸給上位機并顯示出來。下位機數(shù)據(jù)處理過程見圖3。

圖3 下位機數(shù)據(jù)處理過程

現(xiàn)場控制層的智能儀表和數(shù)據(jù)采集設(shè)備會對現(xiàn)場的配電設(shè)備的基本運行數(shù)據(jù)進行采集然后傳輸給上位機，其采集的數(shù)據(jù)可以劃分為實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)兩類。實時數(shù)據(jù)經(jīng)配電監(jiān)控裝置的分析處理后會直接顯示在控制中心的設(shè)備上，不進行歷史保存與備份。若下位機收集到的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)范圍存在差異，配電監(jiān)控裝置就會發(fā)出警報信號，提示操作員對相應(yīng)問題進行處理，該報警信號也會被計入歷史數(shù)據(jù)庫，為操作員后續(xù)的相關(guān)操作提供參考。對于收集到的歷史數(shù)據(jù)，需要進行相應(yīng)的保存，也需要進行判斷，其判斷過程與實時數(shù)據(jù)判斷相似。

3.2.3 實時數(shù)據(jù)顯示流程

高速公路配電監(jiān)控裝置軟件的實時數(shù)據(jù)顯示流程包括實時數(shù)據(jù)收集、分析、顯示和存儲等，它們之間的關(guān)系見圖4。

圖4 實時數(shù)據(jù)庫工作圖

磁盤數(shù)據(jù)庫的主要作用是存儲實時數(shù)據(jù)；實時數(shù)據(jù)庫的主要作用是暫存數(shù)據(jù)；通信控件用來接收下位機傳來的數(shù)據(jù)；視圖工具主要用來顯示接收到的實時數(shù)據(jù)；圖形控件對接收到的數(shù)據(jù)進行繪圖處理并得出顯示數(shù)據(jù)的曲線；特殊數(shù)據(jù)自成一個獨立畫面，用來顯示實時報表與歷史報表等；打印操作則是便于用戶根據(jù)需要打印相關(guān)報表等；一般實時數(shù)據(jù)主要指設(shè)備運行狀態(tài)下的相關(guān)數(shù)據(jù)，如電流與電壓值等。

3.2.4 故障處理流程

高速公路配電監(jiān)控裝置軟件發(fā)現(xiàn)配電系統(tǒng)故障時，基本處理流程見圖5。

圖5 故障處理流程圖

現(xiàn)場控制層數(shù)據(jù)采集設(shè)備在檢測到故障信息后，會通過監(jiān)控裝置的信息中間層將故障信息傳輸?shù)缴衔粰C，上位機會對接收到的故障信息數(shù)據(jù)進行解讀并發(fā)出報警信號，同時，上位機會通過監(jiān)測畫面顯示故障信息，通過圖像和聲音的共同作用提醒工作人員處理故障。相關(guān)技術(shù)人員會根據(jù)裝置提供的故障信息制定適宜的故障解決辦法，對故障現(xiàn)場進行遠程遙控處理，如果遠程無法解決，技術(shù)人員就要親自到達故障現(xiàn)場進行故障處理。此外，監(jiān)控裝置軟件在發(fā)出故障警報時，還會將故障信息按照故障類型存入不同的歷史數(shù)據(jù)庫，供相關(guān)人員后續(xù)查閱、總結(jié)經(jīng)驗等，以有效預(yù)防同類故障再次發(fā)生。

4 結(jié)語

綜上所述，高速公路配電系統(tǒng)的安全運行是保證高速公路系統(tǒng)正常運行的關(guān)鍵，對高速公路配電監(jiān)控裝置的工作原理進行有效分析、對相關(guān)軟件進行合理設(shè)計，可明顯提升配電監(jiān)控裝置在維護高速公路配電系統(tǒng)安全運行方面的作用，有助于高速公路系統(tǒng)的高效、安全運行。