朱　文

(現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)集團(tuán) 上海建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司, 上?！?00041)

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電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

朱文

(現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)集團(tuán) 上海建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司, 上海200041)

介紹了電力監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控功能,闡述了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層、網(wǎng)絡(luò)管理層、系統(tǒng)管理層的組成和作用,并比較監(jiān)控層4種不同設(shè)備的功能和價(jià)格。從現(xiàn)場(chǎng)總線RS-485的通信方式分析了通信時(shí)間間隔,建議不同實(shí)時(shí)性要求的電力監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線所接儀表的數(shù)量,分析了電力監(jiān)控系統(tǒng)與電能管理系統(tǒng)的差異,建議在變配電主系統(tǒng)中設(shè)計(jì)電力監(jiān)控系統(tǒng),除滿足系統(tǒng)要求外,還應(yīng)兼顧電能管理系統(tǒng)的需求,尤其關(guān)注系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性。

電力監(jiān)控系統(tǒng); 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層; 網(wǎng)絡(luò)管理層; 系統(tǒng)管理層

0　引　言

建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)是智能建筑中重要的組成部分,而電力監(jiān)控系統(tǒng)是建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)中最重要的一項(xiàng),是建筑供配電系統(tǒng)的神經(jīng)中樞和大腦,決定整個(gè)建筑是否可以安全、節(jié)能、高效地運(yùn)行。隨著控制、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展,電力監(jiān)控系統(tǒng)在智能建筑中的應(yīng)用越來越普及,其功能也越來越強(qiáng)大,如何根據(jù)工程需求設(shè)計(jì)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、合理的電力監(jiān)控系統(tǒng)值得進(jìn)一步探討[1]。

1　電力監(jiān)控系統(tǒng)功能分析

智能化的變配電系統(tǒng)須具有安全、可靠、實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障快速處理、數(shù)據(jù)完整記錄等特點(diǎn),因此作為變配電系統(tǒng)控制中樞的電力監(jiān)控系統(tǒng)通常應(yīng)具備以下基本功能:數(shù)據(jù)采集及處理、操作控制、中文界面操作顯示、故障記憶及分析、時(shí)間順序記錄、歷史事件查詢和報(bào)警處理、電能成本管理、運(yùn)行報(bào)表和負(fù)荷曲線自動(dòng)生成、數(shù)據(jù)庫的建立和查詢、在線維護(hù)、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展等[2-3]。

從電力監(jiān)控系統(tǒng)的對(duì)象進(jìn)行分類,通常包括高壓供配電系統(tǒng)監(jiān)控、變壓器監(jiān)控、直流屏的檢測(cè)、應(yīng)急發(fā)電機(jī)的檢測(cè)、0.4 kV配電系統(tǒng)的監(jiān)控、電能質(zhì)量的檢測(cè)等。電力監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控功能如表1所示。

2　電力監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架

電力監(jiān)控系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般采用分層、分布式結(jié)構(gòu),整個(gè)系統(tǒng)通常由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層、網(wǎng)絡(luò)管理層、系統(tǒng)管理層組成。電力監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

(1) 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層主要由多功能繼電保護(hù)裝置、智能斷路器的微機(jī)單元、多功能電力網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控儀表、開關(guān)量輸入/輸出模塊、可編程序控制器(Programmable Logic Controller,PLC)等監(jiān)控單元設(shè)備組成。這些裝置和模塊與一次設(shè)備對(duì)應(yīng)配置,就地安裝于配電柜內(nèi)。這些設(shè)備均帶有RS-485網(wǎng)絡(luò)通信接口,通過現(xiàn)場(chǎng)總線將相關(guān)設(shè)備連接起來,上傳信息至通信管理層。部分監(jiān)控單元不依賴網(wǎng)絡(luò)而獨(dú)立完成對(duì)監(jiān)控對(duì)象(一次設(shè)備)的保護(hù)、控制、監(jiān)測(cè)。另外視工程的需求,監(jiān)控單元可配置開關(guān)狀態(tài)顯示、運(yùn)行參數(shù)、保護(hù)整定值、故障信息和事故記錄等功能。

表1電力監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控功能

監(jiān)控類別監(jiān)控功能高壓供配電系統(tǒng)監(jiān)控 35(20、10)kV主進(jìn)線的保護(hù)、變壓器的保護(hù)、母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)保護(hù)、測(cè)量及計(jì)算功能、控制功能、監(jiān)視功能變壓器監(jiān)控 變壓器溫度檢測(cè)、超溫報(bào)警直流屏檢測(cè) 交流電源電壓、電流,直流合閘電源電壓、電流,直流控制電源電壓、電流,充電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及故障報(bào)警應(yīng)急發(fā)電機(jī)檢測(cè) 與發(fā)電機(jī)自帶的微機(jī)控制系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng),并采集設(shè)備運(yùn)行信號(hào)和電氣參數(shù);監(jiān)視應(yīng)急配電系統(tǒng)的進(jìn)線、饋線,監(jiān)測(cè)各回路的電壓、電流、功率等電氣參數(shù);監(jiān)控應(yīng)急配電系統(tǒng)斷路器的運(yùn)行、故障、狀態(tài)信號(hào)0.4kV配電系統(tǒng)監(jiān)控 監(jiān)視:進(jìn)線、聯(lián)絡(luò)、饋線各回路的電氣參數(shù),各回路的運(yùn)行、故障及狀態(tài)信號(hào),無功補(bǔ)償柜的三相電流及接觸器狀態(tài);控制:操作功能(視工程需要的遠(yuǎn)程控制)和故障緊急處理功能;其他控制:火災(zāi)時(shí)非消防負(fù)荷電源的自動(dòng)切除控制,無功補(bǔ)償?shù)淖詣?dòng)控制電能質(zhì)量檢測(cè) 穩(wěn)態(tài)參數(shù)包括電壓、電流、功率因數(shù)、頻率、諧波等,瞬態(tài)參數(shù)包括電壓電流的瞬變(電壓驟升、電壓中斷、電壓波動(dòng)、雷電波、浪涌電流、啟動(dòng)電流)、電壓凹陷、電壓不平衡度、頻率變化,波形捕捉預(yù)先設(shè)定的時(shí)間長(zhǎng)度的電壓、電流穩(wěn)態(tài)波形

圖1　電力監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

(2) 網(wǎng)絡(luò)管理層處于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層與系統(tǒng)管理層之間,主要由現(xiàn)場(chǎng)管理機(jī)(數(shù)據(jù)采集器)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、以太網(wǎng)交換機(jī)、通信處理器等設(shè)備組成,主要任務(wù)是完成現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層和網(wǎng)絡(luò)管理層之間的網(wǎng)絡(luò)連接、轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)、命令傳輸與交換,通過以太網(wǎng)還可以實(shí)現(xiàn)與火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、安全防范系統(tǒng)等其他系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信,共享信息資源。

(3) 系統(tǒng)管理層通常配置高性能工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、顯示器、打印機(jī)、不間斷電源(Uninterruptible Power Supply,UPS)、報(bào)警器、動(dòng)態(tài)模擬屏等,設(shè)置于電氣總控制室或值班室內(nèi),計(jì)算機(jī)內(nèi)安裝專用控制軟件,將中間層傳來的現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備數(shù)據(jù)通過人機(jī)界面的方式顯示,控制人員可發(fā)送命令給現(xiàn)場(chǎng)控制層設(shè)備,完成相應(yīng)的操作和整定設(shè)置。

3　不同現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層設(shè)備的對(duì)比分析

在實(shí)際工程中,高壓配電回路、變壓器、直流屏等設(shè)備數(shù)量相對(duì)較少,監(jiān)控功能相對(duì)簡(jiǎn)單,控制單元較固定。0.4 kV配電系統(tǒng)回路往往數(shù)量多、監(jiān)控功能復(fù)雜,所配置的控制單元種類較多,對(duì)系統(tǒng)的功能、造價(jià)影響很大?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層4種不同設(shè)備功能的比較如表2所示。

表2現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層4種不同設(shè)備功能的比較

比較項(xiàng)目智能斷路器的微機(jī)單元多功能電力網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控儀表開關(guān)量輸入/輸出模塊PLC電能管理電參量種類只有基本電參量有多種電參量測(cè)量精度較低較高分時(shí)計(jì)費(fèi)等無可選電能質(zhì)量分析無可選——設(shè)備監(jiān)控設(shè)備運(yùn)維開關(guān)遙控可靠一般故障、事件報(bào)警種類多 因接點(diǎn)有限報(bào)警種類少開關(guān)設(shè)定、顯示及校驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)無開關(guān)信息采集可實(shí)現(xiàn)無開關(guān)運(yùn)維信息可實(shí)現(xiàn)無 較可靠 可獨(dú)立控制、可靠性高、速度快 取決于斷路器的輸入輸出接點(diǎn) 可根據(jù)報(bào)警事件作預(yù)定的處置 — —價(jià)格高較高 低 高

由表2可見,4種監(jiān)控單元的功能側(cè)重點(diǎn)不同,造價(jià)也不同。

智能斷路器的微機(jī)單元側(cè)重設(shè)備監(jiān)控和運(yùn)維,由于通過微機(jī)單元通信接口直接傳輸斷路器的狀態(tài)、故障、設(shè)定值等信息,因此在電力監(jiān)控系統(tǒng)的管理計(jì)算機(jī)上可獲得更多的配電設(shè)備狀態(tài)信息,便于設(shè)備的故障分析和運(yùn)維。但在電能管理方面存在測(cè)量的電參量少、測(cè)量精度較低等缺點(diǎn),且高端系列微機(jī)單元的造價(jià)很高。

多功能電力網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控儀表側(cè)重配電系統(tǒng)的電參量測(cè)量,可根據(jù)系統(tǒng)要求配置不同功能的儀表,測(cè)量各類電氣參數(shù),測(cè)量精度通常較高。因此,在電力監(jiān)控系統(tǒng)的管理計(jì)算機(jī)上可獲得配電系統(tǒng)運(yùn)行情況。但由于儀表和斷路器的輸入/輸出接點(diǎn)數(shù)量有限,通常只能作一些簡(jiǎn)單的控制和報(bào)警,監(jiān)控系統(tǒng)無法獲知具體的故障。

鑒于多功能電力網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控儀表的輸入/輸出接點(diǎn)數(shù)量較少,一般可采用監(jiān)控儀表+開關(guān)量輸入/輸出模塊的方案,可兼顧電氣參數(shù)測(cè)量和設(shè)備監(jiān)控等功能。

上述監(jiān)控單元由系統(tǒng)計(jì)算機(jī)集中控制,其控制的可靠性受網(wǎng)絡(luò)管理層影響,尤其是監(jiān)控儀表和開關(guān)量輸入/輸出模塊的可靠性也會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生不利的影響。因此,對(duì)特別重要的電力控制系統(tǒng)應(yīng)采用PLC直接控制一次設(shè)備,既可以受系統(tǒng)管理主機(jī)控制,也不依賴網(wǎng)絡(luò)管理層和系統(tǒng)管理主機(jī)而獨(dú)立運(yùn)行,根據(jù)報(bào)警事件按預(yù)定程序處置,具有可靠性高、速度快等優(yōu)點(diǎn)。

4　電力監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性問題

電力監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層設(shè)備大多采用RS-485網(wǎng)絡(luò)通信接口,通過現(xiàn)場(chǎng)總線將相關(guān)設(shè)備連接起來,上傳信息至網(wǎng)絡(luò)管理層的通信服務(wù)器或現(xiàn)場(chǎng)管理機(jī)。由于RS-485總線支持一主多從的通信模式,對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的電力監(jiān)控儀表、輸入/輸出模塊等設(shè)備采用輪詢的方式通信,通信主機(jī)通過呼叫從機(jī)的地址碼來控制現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控單元的相關(guān)動(dòng)作。電力監(jiān)控監(jiān)控儀表鏈接示意如圖2所示。

圖2　電力監(jiān)控監(jiān)控儀表鏈接示意

理論上,1臺(tái)電力監(jiān)控儀表(RS-485總線)完成所有電參量的測(cè)控需要450～600 ms(遙信50～100 ms+間隔100 ms+遙測(cè)50～100 ms+間隔100 ms+電度50～100 ms +間隔100 ms),如某電力監(jiān)控儀表的實(shí)測(cè)值為562 ms。那么如果通信服務(wù)器的1條RS-485總線連接5臺(tái)儀表,其通信時(shí)間間隔為2.25～3.00 s;連接10臺(tái)儀表,其通信時(shí)間間隔為4.5～6.0 s;連接20臺(tái)儀表,其通信時(shí)間間隔為9～12 s。

因此,對(duì)于一個(gè)實(shí)時(shí)性控制要求高的電力系統(tǒng),必須考慮RS-485總線的通信時(shí)間。在電力監(jiān)控儀表數(shù)量確定的前提下,1條RS-485總線接的設(shè)備越少,整個(gè)電力監(jiān)控系統(tǒng)需配置的現(xiàn)場(chǎng)管理機(jī)或通信服務(wù)器越多,系統(tǒng)的造價(jià)越高。因此,必須根據(jù)電力監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性需求進(jìn)行合理配置。

另外,在有些高端電力監(jiān)控儀表中配置了以太網(wǎng)口,可以直接連接以太網(wǎng),采用TCP/IP模式通信,但由于造價(jià)較高,一般僅用于特別重要的系統(tǒng)。

5　電力監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)選擇

電力監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性,應(yīng)采用高性能的工業(yè)控制計(jì)算機(jī),并配以穩(wěn)定的UPS。當(dāng)變配電系統(tǒng)為一般的中小型系統(tǒng),監(jiān)控系統(tǒng)的控制要求不高,建議采用單主機(jī)型式;當(dāng)變配電系統(tǒng)為重要的大型系統(tǒng),監(jiān)控系統(tǒng)的控制要求較高,建議采用雙主機(jī)在線冗余運(yùn)行,互為備份,確保系統(tǒng)安全、可靠;當(dāng)變配電系統(tǒng)中有部分特別重要的、對(duì)實(shí)時(shí)性控制要求高的監(jiān)控系統(tǒng),可采用高可靠性的PLC直接對(duì)該部分編程控制。

6　電力監(jiān)控系統(tǒng)與電能管理系統(tǒng)的關(guān)系

根據(jù)建筑節(jié)能相關(guān)規(guī)范,目前新建工程都需設(shè)置完整的電能管理系統(tǒng),除了滿足對(duì)照明、空調(diào)、動(dòng)力、特殊類負(fù)荷的分類計(jì)量外,通常還需對(duì)租戶進(jìn)行分戶計(jì)量及對(duì)單臺(tái)大于50 kW的用電設(shè)備計(jì)量等。

電力監(jiān)控系統(tǒng)與電能管理系統(tǒng)示意如圖3所示。

圖3　電力監(jiān)控系統(tǒng)與電能管理系統(tǒng)示意

從監(jiān)控范圍來看,電力監(jiān)控系統(tǒng)的主要監(jiān)控對(duì)象是變配電所和發(fā)電機(jī)房的配電系統(tǒng),而電能管理系統(tǒng)是除了上述系統(tǒng)以外,還需監(jiān)控整個(gè)建筑內(nèi)需要計(jì)量的租戶、設(shè)備等電氣參數(shù),范圍更廣。

從監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求來看,電力監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性和可靠性要求較高。而電能管理系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性和可靠性要求不高,而側(cè)重于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)分析。

因此在工程設(shè)計(jì)中,建議在變配電主系統(tǒng)中設(shè)計(jì)電力監(jiān)控系統(tǒng),其功能除了滿足該系統(tǒng)的要求外,還應(yīng)兼顧電能管理系統(tǒng)的需求,尤其關(guān)注系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性,然后將電力監(jiān)控系統(tǒng)采集到的電能參數(shù)打包上傳至電能管理系統(tǒng)。電能管理系統(tǒng)除了接收上述數(shù)據(jù)外,還需采集工程中其他區(qū)域所需計(jì)量的電能參數(shù),而電能管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管理層對(duì)通信實(shí)時(shí)性和可靠性的要求相對(duì)較低,可節(jié)省投資。

7　結(jié)　語

電力監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控功能、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層設(shè)備的選擇、通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性、監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)的型式等問題應(yīng)根據(jù)建筑物的性質(zhì)、特點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)條件和電力系統(tǒng)的條件,經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定,這樣才能充分利用資金構(gòu)建安全、節(jié)能、高效、實(shí)用的電力監(jiān)控系統(tǒng)。

[1]住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)管司,中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施——電氣[M].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2009.

[2]中國(guó)建筑學(xué)會(huì)建筑電氣分會(huì).民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范實(shí)施指南[M].北京:中國(guó)電力出版社,2008.

[3]中國(guó)航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].3版.北京:中國(guó)電力出版社,2005.

Discussion About Design of Power Monitoring and Control System

ZHU Wen

(Shanghai Institure of Architectural Design & Research Co., Ltd.,Xian Dai Architectural Design Group, Shanghai 200041, China)

This paper introduced the monitoring and control functions of power monitoring and control system,and elaborated the frame and functions of field monitoring and control layer,network management layer,system management layer.The function and price of four different devices for monitoring and control layer were compared.The communication time interval was analyzed according to the communication mode of field bus RS-485.The reasonable quantities of power meters for each field control bus were suggested to meet the diffierent real-time requirements of power monitoring system.The differences between power monitoring and control system and power energy management system were analyzed.It is suggested that the power monitoring and control system should be designed in the power transformation and distribution main system,which not only meets the requirements of system,but also satisfies the requirements of power energy management system.The reliability and instantaneity of power monitoring and control system are particularly focused.

power monitoring system; field monitoring and control layer; network management layer; system management layer

朱文(1970—),男,高級(jí)工程師,從事建筑電氣供配電設(shè)計(jì)與智能化設(shè)計(jì)。

TU 852

B

1674-8417(2016)07-0026-05

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.07.007

2016-06-30