基于“四型机场”理念的某机场10kV变电站综合自动化管理系统设计与应用

李都红 郭树林 解 凯 马向追 朱春雷

基于“四型机场”理念的某机场10kV变电站综合自动化管理系统设计与应用

李都红1郭树林2解 凯3马向追3朱春雷3

（1. 北京大兴国际机场，北京 102602；2. 北京新机场建设指挥部，北京 102602；3. 南京南瑞继保工程技术有限公司，南京 210000）

基于“平安、绿色、智慧、人文”四型机场理念，某机场10kV变电站综合自动化管理系统运用电网全景视图技术，基于面向服务架构的双总线技术、灵活分布式运行技术、虚拟电力数据仓库技术、一体化电网综合分析平台技术等先进技术，实现可视化监视、控制、计量、分析、预测、优化调度、运维管理与培训仿真等多个领域的深度融合。通过电力调度监控子系统、调度运行管理子系统、视频监控系统、地理信息系统及可视化子系统、电能质量监测分析子系统、大屏显示子系统等子系统建设，实现工作区、飞行区和航站楼在内的10kV电力系统全场监控管理和联络通信。作为10kV变电站综合自动化管理系统的核心，PCS—9000电力调度监控系统紧紧围绕电网的核心工作，采用一体化、标准化、开放性、平台化和智能化设计理念，促进二次相关专业的融合和协调发展，提高机场电网运行管理的水平和效率，为打造大型国际综合枢纽机场保驾护航。

四型机场；变电站综合自动化；PCS—9000；一体化

0 引言

2018年，民航局发布的《新时代民航强国建设行动纲要》明确指出，要高质量推进机场规划建设，建设平安、绿色、智慧、人文机场，为我国机场实现高质量发展指明了前行之路。

该10kV变电站综合自动化管理系统在系统设计和功能规划前期，积极响应民航局提出的建设“四型机场”标杆体系，对标一流，打造符合现代化民用机场要求的变电站综合自动化管理系统。

全场变电站综合自动化管理系统中心，实现对工作区、飞行区和航站楼在内的全场监控管理，涉及机场范围内10kV开闭所、各单体建筑及能源场站10kV变电站、照明箱变、管廊箱变、灯光站及附属变电站等设施。整个综合自动化管理系统在全场环网信息采集建设基础上，通过电力调度监控子系统、调度运行管理子系统、视频监控系统、地理信息系统（geo-information system, GIS）及可视化子系统、电能质量监测分析子系统、大屏显示子系统等子系统建设，实现可视化监视、控制、计量、分析、预测、优化调度、运维管理与培训仿真等多个领域的深度融合，体现了电网安全、经济、环保及优质运行的综合目标[1-2]。

在系统安全防护设计方面，严格依据国家电力监管委员会5号令《电力二次系统安全防护规定》的要求，实现网络安全、主机安全、应用安全和数据安全，保障系统的不间断可靠运行。

1 系统设计

1.1 网络通信架构

10kV变电站综合自动化管理系统网络通信架构从空间分布上分为站控层接入网、通信主干环网及子干环网、系统运行网。站控层接入网，主要实现单个开闭站的数据采集；通信主干环网，布局在开闭站之间，通信子干环网，布局在开闭站、配电室、箱变之间，实现全场的数据传输和汇集；系统运行网由调度主网交换机和隔离设备组成。具体网络通信架构如图1所示。

1）站控层接入网。通过配置独立的远动装置、子站内网交换机和环网交换机，实现10kV开闭站、各单体建筑及能源场站10kV变电站、照明箱变、管廊箱变、灯光站及附属变电站的接入，最终通过通信子干环网和主干环网汇聚后，向调度系统上送数据。

2）通信主干环网和子干环网。以101—104、201—204共8个开闭站作为主干环网核心节点，通过千兆单模光纤形成通信主干环网，以包括101—104、201—204等8个开闭站在内的各开闭站、配电室、箱变作为子干环网节点，实现全场数据的汇聚和传输。其中数据采集与监视控制系统（supervi- sory control and data acquisition, SCADA）采集网络为A、B双网冗余设计；对于采集数据量较大的电能质量系统（录波信息）和视频系统（视频信号），采用独立环网通信，从而保障SCADA采集网络具备足够的通信带宽；航站区和飞行区集控系统通过千兆单模光缆与调度系统进行通信；同时在环网8个核心开闭站设立远程工作站，便于运维人员的就地操作。

3）系统运行网。依据电力监控系统业务的重要性及其对电力一次系统的影响程度进行分区设置，其中电力调度监控系统、可视化系统、电能质量监测分析系统和调度运行管理系统部署在安全Ⅰ区（控制区），调度员培训仿真系统（dispatcher training simulator, DTS）部署在安全Ⅱ区（非控制区），Web和视频系统部署在安全Ⅲ区（生产管理区）。

1.2 电力调度监控系统

电力调度自动化系统作为一个涉及监视、控制、分析、预测、优化调度与培训仿真等多个领域的复杂系统，涵盖了调度中心运方、调度、自动化和保护等专业。从电网状态来看，包括了电网稳态、动态和暂态全过程；从电能传输环节来看，实现了发输变配用全过程监视；从监视目标来看，体现了电网安全、经济、环保和优质运行的综合目标；从时间尺度来看，不仅包括对当前电网监控，还包括对未来电网预测和历史电网状态分析。

图1 系统网络架构图

PCS—9000电力调度监控系统从底层到所有应用采用一体化设计，总体上采用基于面向服务架构（service-oriented architecture, SOA）的双总线架构，高速数据总线保证实时应用效率，标准集成总线能实现异构系统集成，具有“标准化、开放性、平台化、智能化”的系统特点，具体系统架构如图2所示。

图2 电力调度系统架构

1）硬件和操作系统。支持现今流行的各种硬件平台和操作系统，便于系统应用功能的部署、集成和扩展。

2）中间件层。包括操作系统屏蔽中间件层和CORBA中间件层，通过应用组件技术，系统具备可伸缩性、异构系统、可互操作性和可移植性等优势。

3）统一支撑平台层。提供数据库支撑平台（关系/时序/实时数据库服务）、软件支撑平台（地理信息、报表、时间同步、文件、消息收发、图形生成、图形维护、通用事件、CASE 管理、高速数据总线、通用数据总线、系统资源管控、大屏幕控制、用户权限管理等服务）及数据中心（模型校核、模型拼接、模型管理、模式管理、数据集成和数据服务）等功能。

4）应用软件层。在统一支撑平台层之上，提供前置采集、数据处理与监视、自动控制、网络分析、负荷预测、调度员培训仿真、电能量计量和智能告警等应用模块。

在系统软件架构的基础上，PCS—9000电力调度监控系统从业务功能的角度，主要分为电网运行监视、电网运行分析、电网运行控制、电能量计量、调度员培训仿真和保护信息管理六个功能子系统，具体功能如图3所示。

图3 电力调度监控系统功能组成

1.3 可视化系统

可视化系统以电力调度监控系统为服务对象，采用先进的技术架构，通过对电力调度系统的实时感知、精准定位，将各类电网运行数据可视化，实现全面、及时、精确的日常运行管理、事件预防和处置。平台支持根据业务需求变化，灵活地进行功能扩展和调整。

机场可视化系统结合机场电力调控中心日常监控与特殊业务展示的需求，采用模式-主题-场景三级展示设计架构，通过视频、信号、三维、GIS、Flash和网页等多种展现方式，实现电网系统重大事件、告警预警一体化潮流、电网运行实时关键信息、电网负荷监控、监控信息多维统计分析和参观汇报等业务主体场景的展示[3]。

1）重大事件

主要体现电力应用特色（地方标志性建筑、与电网有关的重大事件等）、电网特性以及电网的支撑作用。

2）告警预警一体化潮流图

通过潮流图流动、线路负载率越限告警监视、断面越限告警监视、设备故障告警可视化展示和预警信息可视化展示等手段，分区域清晰表达电网的架构、运行状态以及负荷和稳定裕度等重要信息，便于调度员总揽全局，对电网的异常信息及时做出正确的决策。

3）电网运行实时关键信息总览

利用感知化图元，可视化展示系统集中展示地区电网关键运行信息，包括发电及用电信息、主变及线路负载信息、电压越限信息、检修信息、主变油温信息、链路通道状态信息、告警信号信息、电网频率信息和状态估计合格率信息。

4）电网负荷监控

从全社会、全网、行业、地区和产业等多维角度分析电网的负荷及用电量情况，直观反映电网的负荷特性。

5）监控信息多维统计分析

基于地理图的各类告警信息的分布展示，采用分类、聚类等数据挖掘算法，实现基于厂站、间隔和设备的各类告警发生频率的统计和排序，揭示电网的薄弱环节。

6）参观汇报

基于三维空间技术，动画技术实现欢迎片头、电网概况、电网结构、负荷情况、建设情况及当前工作主题的参观汇报方案设计及制作，以丰富的效果全面展示电网信息。

1.4 电能质量监测分析系统

某机场电能质量监测分析系统，遵循国家电网二次系统安全防护体系设计要求，针对机场单母线多回路线路的集中监测、双母线多回线路集中监测、两卷变监测和三卷变监测等10kV电压等级多回线路电能质量监控的场合，通过电能质量在线监测装置实现电能质量相关参数、电压、电流、功率和各个回路的开关状态集中测量和显示，实现对多个回路的电能质量及全电量监控。

主站系统在电能质量数据采集的基础上，对电能质量指标进行定时段统计，并以图形、表格、曲线、棒图和饼图等表达方式进行展示，提供以下高级应用分析功能：①按照变电站、机场对电能质量进行综合评估；②负荷接入的电能质量评估；③电能质量事件诊断；④电能质量治理辅助决策。

1.5 调度运行管理系统

针对传统电网日常调度管理中，调度人员需要面对设备检修申请单管理、交接班和调度计划管理等各种业务复杂、庞大的调度管理纸张表单审核处理工作，契合“智慧”机场的建设理念，PCS—9000调度运行管理系统，基于表单和工作流引擎驱动，与实时系统紧密结合，将配调日常运行管理工作的大部分内容真正实现计算机管理，实现配电管理全过程的自动化和智能化，降低工作强度，提高工作质量。某机场调度运行管理系统的主要业务功能包括以下几方面：

图4 电能质量分析系统画面

1）操作票管理

提供多种辅助开票类型，可通过智能票、单步票、典型票、过程票和文本票等方式开出操作步骤，满足调度人员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）保电管理

结合保电计划信息，实时反映客户保电情况，对调度运行人员的操作给与提示和约束，协助制定检修计划。

3）调度操作记录管理

通过顺序记录调度管理中所有调度发令、执行完成操作，形成调度操作日志记录。通过调度操作记录管理，调度员可以方便查询某调度日的具体操作记录。

4）调度计划管理

根据批复通过的检修申请单，为设备检修制定调度计划，包括调度计划的拟订、审核、预发及执行四个环节，实现设备的检修和检修完成后的恢复供电，完成后，终止调度计划并将有关数据归档。

5）停电分析

结合未来态配电网络模型信息和计划检修信息，分析停电范围，进行停电客户数、客户类型、区域信息和丢失负荷容量等相关信息统计，形成停电客户信息并发布。

6）设备巡视管理

包含巡视计划、设备巡视记录、设备巡视日期、设备缺陷和缺陷记录等结果查询和输出功能。

7）事故紧急处理管理

在调度（值班）接到故障情况时，直接向抢修单位、人员发出调度令，事故抢修调度令一般拟订临时调度计划，由同值审核后，发口令，并记录在调度操作记录中，包括受令人及时间。

1.6 视频监控系统

某机场视频监控系统按照可视化、电力监控与视频监控联动的标准设计实施，各区域配电室按照满足无人值守视频监控标准设计实施，主要包括数据采集、视频显示、图像存储回放、实时预览和视频联动等功能。

1）数据采集

系统基于TCP/IP协议组网，通过内部局域网与协议转换网关实现前端变电站视频监控系统中的各个不同厂家、不同型号的硬盘录像机（DVR）或视频服务器（NVS）、IP摄像机（IPC）和控制设备的接入。

2）视频显示

主站视频系统能监视系统所接各摄像机拍摄的画面，视频画面上有明显的地点和时间的标识，画面大小能随意调整，能方便地选择视频源。同时支持视频画面分割，在一幅画面上显示多个视频源图像，用鼠标可以方便地选择所需监视的视频图像。

3）图像存储回放

系统具备视频捕捉、图像快照和告警联动存盘功能，通过对存盘信息合理管理，可方便地按时间、地点查询回放，为调度系统进行事故复现提供支持。

4）实时预览

支持C/S客户端和Web浏览器预览；支持1、4、6、7、8、9、10、13、14、16、17、22、24、25画面显示和全屏显示，支持1×2、1×4和1+2三种走廊模式预览窗口布局。

5）视频联动

能够与电网调度监控系统进行联动。当电网调度监控系统产生告警时，电网调度监控系统通过IEC-104规约把信号点发给视频系统，视频系统通过视频服务器控制摄像头切换到指定位置，并在视频工作站的液晶监视器上显示告警现场的视频图像，使运行人员能够第一时间了解现场情况。

1.7 大屏显示系统

某机场大屏显示系统是将电力调度、视频监控和GIS可视化等综合信息快速、高效、准确地接收并高清晰地显示，使电力调度所需的各类信息，实时迅速地汇集在同一综合画面，为迅速分析判断、综合调度和决策指挥提供技术保障，从而突破空间限制，提高反应、指挥、调度的速度和广度。

大屏幕系统是调度运行管理以及后续电力调度中心重要的显示和监控手段，可以将各种监控系统的计算机图文信息和视频信号等进行集中显示，在实时调度、会商、决策及信息反馈等方面都起到了重要的作用。通过大屏幕系统可以直观地显示各部分系统的信息，以便于调度决策部门全面观看和掌握事件全貌，实时监控和集中控制、指挥调度并做出正确的决策。

图5 视频监控系统画面

图6 大屏系统功能菜单界面

1.8 安全防护体系设计

为实现“平安”机场提出的“对安全隐患零容忍”的安全工作核心思想，综合自动化管理系统严格将运行安全放在首位，满足国家电力监管委员会5号令《电力二次系统安全防护规定》的要求。系统硬件采用双机、双网、双电源和可接入双通道（包括专线及网络）等冗余设计结构，具备软件功能动态重构处理功能，在系统发生故障时可自动切换，保障系统的不间断可靠运行[4-5]。

1）网络安全

通过在网络边界部署访问控制设备，启用访问控制功能，实现网络设备运行状况、网络流量和用户行为的实时监控。

2）主机安全

依据安全策略实现用户对资源访问权限的控制，通过角色分配权限机制实现不同用户的权限分离，并实现服务器CPU、硬盘、内存和网络等资源的实时监测。

3）应用安全

严格管理应用权限，制定权限赋予和权限变更的审核、批准和执行流程，对账户和请求进程的资源占用进行限额分配。

4）数据安全

支持对系统管理数据、鉴别信息和重要业务数据的存储完整性检测和传输加密，具备数据本地备份和恢复功能。

2 结论

随着新时代民航强国建设的发展，对机场变电站综合自动化管理系统的要求越来越高，安全主动化、运行协同化、服务个性化及管理智能化等因素都被列入考虑范围[6-10]。

本文从10kV变电站综合自动化管理系统设计出发，设计并实现了网络通信架构、电力调度监控系统、调度运行管理系统、可视化系统、电能质量监测分析系统、视频监控系统、大屏显示系统和安全防护体系。该系统是一个实现可视化监视、控制、计量、分析、预测、优化调度、运维管理与培训仿真等多个领域的深度融合的综合智能化系统，技术先进、系统实用、结构合理、产品主流、维护量低以及具备良好的扩展性。

10kV变电站综合自动化管理系统可以充分利用其综合功能和资源，以电网安全、经济、环保和优质运行为目标，提高某机场电网运行和管理的水平和效率。

[1] 贾聪. 10kV变配电监控系统设计研究[J]. 通信电源技术, 2018, 35(11): 145-146.

[2] 曾运辉. 基于综合监控和智能化技术下的电网调度自动化[J]. 电气传动自动化, 2019, 41(3): 55-57.

[3] 陆福春. 电力调度自动化主站系统中可视化技术的应用探讨[J]. 通讯世界, 2018(4): 227-228.

[4] 苏健生. 配网调度危险点分析及管控措施探究[J]. 科技创新与应用, 2019(35): 191-192.

[5] 王淋漓, 吴昊, 邵云蛟, 等. 配网信息安全防护措施探讨[J]. 科技风, 2019(34): 88.

[6] 张乐. 浅谈微电网发展的优势与挑战[J].科技视界, 2017(1): 374.

[7] 刘硕, 单增礼. 浅谈智能电网及其在中国的发展前景[J]. 科教导刊, 2019(24): 146-147.

[8] 查亚兵, 张涛, 黄卓, 等. 能源互联网关键技术分析[J]. 中国科学: 信息科学, 2014, 44(6): 702-713.

[9] 曹军威, 万宇鑫, 涂国煜, 等. 智能电网信息系统体系结构研究[J]. 计算机学报, 2013, 36(1): 143-167.

[10] 曹鹏飞, 杨君, 饶纪全, 等. 分布式光伏发电网络构建与仿真[J]. 电气技术, 2019, 20(8): 64-68, 74.

Design and application of 10kV substation integrated automation management system based on“type-IV airport”concept

LI Duhong1GUO Shulin2XIE Kai3MA Xiangzhui3ZHU Chunlei3

(1. Beijing Daxing International Airport, Beijing 102602；2. Beijing New Airport Construction Headquarters, Beijing 102602；3. Nanjing NARI Jibao Engineering Technology Co., Ltd, Nanjing 210000)

Based on the concept of “safe, green, intelligent and humane” four-type airport, the 10kV substation integrated automation management system of an airport realize the deep integration of visual monitoring, control, measurement, analysis, prediction, optimal scheduling, operation and maintenance management and training simulation through the advanced technologies such as power network panoramic view technology, double-bus technology based on SOA (service-oriented architecture) architecture, flexible distributed operation technology, virtual power data warehouse technology, integrated power grid comprehensive analysis platform technology, etc. Through the construction of sub-systems such as power dispatching monitoring system, dispatching operation management sub-system, video monitoring system, geo-information system and visualization sub-system, power quality monitoring and analysis sub-system, large screen display sub-system, etc. , the 10kV power system has realized whole field monitoring management and communication which contains working area, flight area and terminal building. As the core of 10kV substation integrated automation management system, PCS—9000 electric power dispatching and monitoring system is closely around the core work of power network and the design concept of “integration, standardization, openness, platform and intelligence”, to promote the integrated and coordinated development of secondary related specialties and improve the level and efficiency of airport power grid operation management, and finally provide the escort for the construction of large international integrated hub airport.

type-IV airport; substation integrated automation; PCS—9000; integration

2020-06-16

2020-07-01

李都红（1979—），女，硕士，主要研究方向为电力系统及其自动化。