港口變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

閔 梁 駿

[馬鞍山港口(集團(tuán))有限責(zé)任公司, 安徽 馬鞍山 243023]

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,港口的規(guī)?；同F(xiàn)代化步伐不斷加快,大型港口裝卸設(shè)備和輔助裝備不斷增加,用電負(fù)荷的數(shù)量和容量同時(shí)也在迅速增加,這對港口電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提出更高的要求。變電站作為電網(wǎng)運(yùn)行過程中的重要樞紐,起著分流和變壓的作用。港口變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)將有利于提升港口變電站的自動(dòng)化水平和管理水平,使得港口電氣與現(xiàn)代化港口的自動(dòng)化裝卸線和裝卸機(jī)械(先進(jìn),高效,自動(dòng)化程度高)相匹配,提高港口內(nèi)部電網(wǎng)乃至外部大電網(wǎng)的安全可靠系數(shù),進(jìn)而提升全員勞動(dòng)生產(chǎn)率,達(dá)到減人增效的目的[1]。

1 系統(tǒng)概述

港口變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)是在港口傳統(tǒng)的變電站二次系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,采用全微機(jī)化的新型二次設(shè)備代替常規(guī)二次設(shè)備,利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、通信技術(shù)和信息處理技術(shù)等實(shí)現(xiàn)對變電站二次設(shè)備(包括繼電保護(hù)、控制、測量、信號、故障錄波、自動(dòng)裝置及遠(yuǎn)動(dòng)裝置等)的功能進(jìn)行重新組合、優(yōu)化設(shè)計(jì),系統(tǒng)會(huì)將設(shè)備信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)收集,并進(jìn)行深入的分析和相應(yīng)的處理,并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布至相關(guān)部門,實(shí)現(xiàn)對變電站進(jìn)行監(jiān)視、測量、控制、保護(hù)、通信、協(xié)調(diào)等綜合性的自動(dòng)化管理。港口變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)較傳統(tǒng)的變電站控制系統(tǒng),測控單元雖然還是相互獨(dú)立,但是在計(jì)算機(jī)技術(shù)以及通信系統(tǒng)的輔助之下測控單元彼此之間能夠進(jìn)行信息共享,相互之間也可以交流信息和數(shù)據(jù),并且變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)在減少電纜和設(shè)備配置以及投入成本的同時(shí),還增加許多新功能[2]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

港口變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)采用集中監(jiān)控、分散布置的模式,分層、分布式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在保證系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠的基礎(chǔ)上,使得系統(tǒng)實(shí)施、維護(hù)和擴(kuò)展更方便、靈活。按照分層式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),系統(tǒng)主要由站內(nèi)主控層、通信管理層和現(xiàn)場設(shè)備層組成。

站內(nèi)主控層主要由系統(tǒng)軟件、通信控制器、監(jiān)控工作站等設(shè)備組成,采用基于客戶機(jī)/服務(wù)器(Client/Server)模式的分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)集中控制室對各變電站內(nèi)供配電設(shè)備的監(jiān)視、操控、報(bào)警、統(tǒng)計(jì)、分析等功能,并負(fù)責(zé)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)與綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。

通信管理層主要由工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、智能通信控制器、綜合布線系統(tǒng)提供的通信鏈路和介質(zhì)等組成,具備數(shù)據(jù)采集、規(guī)約轉(zhuǎn)換、通信故障診斷、路由等功能,實(shí)現(xiàn)主控層與設(shè)備層之間的通信,是系統(tǒng)與其監(jiān)控對象的橋梁。

現(xiàn)場設(shè)備層是系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集來源,主要由微機(jī)綜合測控保護(hù)裝置、直流屏、智能儀表等設(shè)備組成,實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場基礎(chǔ)設(shè)備數(shù)據(jù)的采集、測量、分析、記錄等功能。

港口變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 港口變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)配置

2.2.1 站內(nèi)設(shè)備配置

站內(nèi)設(shè)備層配置由微機(jī)保護(hù)裝置、直流屏、溫控儀、無功補(bǔ)償控制器、0.4 kV智能儀表等設(shè)備組成。

微機(jī)保護(hù)裝置是對站內(nèi)所有的電氣設(shè)備進(jìn)行保護(hù),包括線路保護(hù)、變壓器保護(hù)、電容器保護(hù)、分段保護(hù)及備自投等。各類保護(hù)應(yīng)具有電壓/電流保護(hù)、電量測量、開關(guān)量狀態(tài)監(jiān)控、故障錄波、報(bào)警/跳閘、控制、通信等功能。

直流屏裝置是一種數(shù)字化控制、保護(hù)、管理、測量的直流系統(tǒng)。監(jiān)控主機(jī)部分高度集成化,采用單板結(jié)構(gòu),內(nèi)含絕緣監(jiān)測、電池、接地選線、電池活化、硅鏈穩(wěn)壓、微機(jī)中央信號等功能。主機(jī)配置大液晶觸摸屏,各種運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)均以漢字顯示,整體設(shè)計(jì)方便簡潔,人機(jī)界面友好,符合用戶使用習(xí)慣。直流屏系統(tǒng)為遠(yuǎn)程檢測和控制提供強(qiáng)大的功能,并具有遙控、遙調(diào)、遙測、遙信功能和遠(yuǎn)程通信接口。通過遠(yuǎn)程通信接口可在遠(yuǎn)程獲得直流電源系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù),還可通過該接口設(shè)定和修改運(yùn)行狀態(tài)及定值,滿足電力自動(dòng)化和電力系統(tǒng)無人值守變電站的要求;配有標(biāo)準(zhǔn)RS-232/485串行接口和以太網(wǎng)接口,可方便納入電站自動(dòng)化系統(tǒng)。

溫控儀檢測并巡回展示三相線包繞組溫度或只顯示三相線包繞組中溫度最高的一相繞組溫度,故障聲光報(bào)警、風(fēng)機(jī)起動(dòng)和關(guān)閉功能、超溫報(bào)警功能、自動(dòng)跳閘功能、手動(dòng)起動(dòng)/關(guān)閉風(fēng)機(jī)功能、風(fēng)機(jī)定時(shí)檢測功能、控制功能自檢、所有溫度的設(shè)置均可通過面板上的輕觸鍵直接設(shè)置。為防止閑雜人員設(shè)置,溫控器應(yīng)設(shè)有密碼,只有密碼輸入正確才能設(shè)置,否則只能查看而不能設(shè)置,為變壓器設(shè)備提供全面的監(jiān)控和保護(hù)作用。

無功補(bǔ)償控制器裝置通過對負(fù)荷的電壓、電流、無功功率和功率因數(shù)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、分析,計(jì)算出無功功率,并與預(yù)先設(shè)定的數(shù)值進(jìn)行比較,自動(dòng)選擇能達(dá)到最佳補(bǔ)償效果的補(bǔ)償容量并發(fā)出指令,實(shí)現(xiàn)快速、無沖擊地投入并聯(lián)電容器組。

智能儀表以工業(yè)級微處理器為核心,處理速度高,能夠提供高精度的電壓、電流和功率等基本測量數(shù)據(jù),高級產(chǎn)品還具有復(fù)費(fèi)率、需量計(jì)算、諧波計(jì)算、歷史電能記錄、最大/最小值記錄等功能;通過RS-485通信方式與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換,可實(shí)現(xiàn)智能化的電能管理。電表采用模塊化設(shè)計(jì),配置靈活,便于功能擴(kuò)展。

2.2.2 通信網(wǎng)絡(luò)配置

通信管理層的配置遵循區(qū)域就近的原則,按照各變電所、電氣智能設(shè)備的分布情況,考慮網(wǎng)絡(luò)載荷平均分布及通信線纜、施工維護(hù)方便等多方面因素,將整個(gè)系統(tǒng)劃分為若干區(qū)域,各區(qū)域內(nèi)設(shè)備就近接入相應(yīng)的通信、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。同時(shí),通信管理層的配置充分考慮系統(tǒng)擴(kuò)容、接口擴(kuò)展等內(nèi)容,預(yù)留足夠的通信接口。

工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)采用模塊化工業(yè)型,實(shí)現(xiàn)各種現(xiàn)場總線的互通互聯(lián)、設(shè)備的冗余以及設(shè)備的實(shí)時(shí)通信等;性能上除適應(yīng)外界惡劣的環(huán)境外,在電磁兼容性(EMI)、溫度、濕度以及防塵等方面有比較好的耐受性。

智能通信管理機(jī)具有多個(gè)下行通信接口及一個(gè)或者多個(gè)上行網(wǎng)絡(luò)接口,相當(dāng)于前置機(jī)(即監(jiān)控計(jì)算機(jī)),將變電所內(nèi)所有的智能監(jiān)控、微機(jī)保護(hù)裝置的通信數(shù)據(jù)整理匯總后上傳至上級主站系統(tǒng)(監(jiān)控中心后臺機(jī)和DCS),完成遙信、遙測功能。另外,接收后臺系統(tǒng)主機(jī)下達(dá)的命令轉(zhuǎn)發(fā)給變電所內(nèi)的智能監(jiān)控裝置,完成對變電所內(nèi)各開關(guān)設(shè)備的分、合閘遠(yuǎn)方控制或裝置的參數(shù)整定,實(shí)現(xiàn)遙控、遙調(diào)。同時(shí)還應(yīng)配備多個(gè)串行接口,便于變電所內(nèi)的其他智能設(shè)備進(jìn)行通信。

光纖轉(zhuǎn)換器將站內(nèi)交換機(jī)或智能通信管理機(jī)通信轉(zhuǎn)換為光纖通信模式進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸,并在后臺系統(tǒng)中心將光纖通信轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)通信,并接入系統(tǒng)后臺主機(jī),完成整個(gè)系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)。

2.2.3 系統(tǒng)軟件配置

系統(tǒng)軟件采用分層分布式、開放式的模塊化結(jié)構(gòu)和圖模庫一體化技術(shù),系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中,單一模塊的故障不影響整體系統(tǒng)的運(yùn)行,對于硬盤損壞、病毒感染、文件誤刪等,系統(tǒng)也可進(jìn)行快速恢復(fù)。系統(tǒng)以Windows平臺為操作系統(tǒng)平臺,可視化全中文操作界面,具有使用向?qū)Чδ芎筒僮魈崾竟δ?可進(jìn)行系統(tǒng)的啟動(dòng)和關(guān)閉、畫面的縮放、遙控和遙調(diào)、應(yīng)用程序調(diào)用等過程的便捷操作,支持實(shí)時(shí)多用戶、多任務(wù)的處理。存儲采用專用數(shù)據(jù)庫存儲,能兼容支持當(dāng)前主流數(shù)據(jù)庫,具有開放的數(shù)據(jù)庫連接功能,并提供數(shù)據(jù)庫維護(hù)工具,一鍵式系統(tǒng)備份和還原操作過程等功能。同時(shí),系統(tǒng)支持服務(wù)器冗余、網(wǎng)絡(luò)冗余、設(shè)備冗余、客戶端冗余等多種冗余方式,并采用多級數(shù)據(jù)存儲冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),利用海量數(shù)據(jù)存儲功能的通信管理機(jī),當(dāng)通信中斷恢復(fù)時(shí),通信管理機(jī)存儲的數(shù)據(jù)可自動(dòng)進(jìn)行斷點(diǎn)續(xù)傳。

2.3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.3.1 人機(jī)界面顯示及操作

通過豐富的圖元、圖庫、設(shè)備模板、功能控件、熱點(diǎn)區(qū)域編輯等,無須編程即可迅速搭建適宜用戶的實(shí)時(shí)監(jiān)控人機(jī)界面。引入面向?qū)ο蟮膱D元概念,提供包含多種電力系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)圖元的圖元庫,支持圖元庫自定義,同時(shí)提供工具,使用戶可以建立專用的圖庫和元件庫。圖形用戶界面不僅可以組態(tài)出數(shù)字化的監(jiān)控界面,還具有實(shí)時(shí)(歷史)趨勢顯示、棒圖顯示、表盤式數(shù)據(jù)顯示、視頻監(jiān)控、位圖動(dòng)畫、畫面循環(huán)播放等重要功能,使用戶可以任意組合成生動(dòng)、豐富的圖形。在實(shí)時(shí)監(jiān)控界面上,還具有實(shí)時(shí)報(bào)警提示、圖形界面遙控、遙控閉鎖、遙調(diào)、置數(shù)等功能,可設(shè)置相應(yīng)條件,實(shí)現(xiàn)熱點(diǎn)區(qū)域的變色、閃爍以及浮動(dòng)窗口顯示數(shù)據(jù)、棒圖和曲線等人機(jī)交互效果,為用戶提供生動(dòng)的畫面展示效果。用不同的顏色顯示帶電與失電區(qū)域,按電壓等級以標(biāo)準(zhǔn)顏色顯示帶電區(qū)域,表現(xiàn)整個(gè)電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

10 kV總配電氣主接線圖界面如圖2所示。

圖2 10 kV總配電氣主接線圖界面

變壓器監(jiān)控界面如圖3所示。

2.3.2 遙測、遙信、遙控、遙調(diào)、遙視

(1) 遙測。系統(tǒng)具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集程序,具有完善的遙測數(shù)據(jù)讀取和處理機(jī)制。數(shù)據(jù)采集讀取的遙測數(shù)據(jù)包括變電站內(nèi)各智能監(jiān)測儀表全電量數(shù)據(jù)、直流用電設(shè)備數(shù)據(jù)、變壓器溫控儀溫度數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)采集程序具有完整的數(shù)據(jù)完整性檢查功能,對缺失的數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)充,支持多種數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一轉(zhuǎn)換。此外,還可自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)斷點(diǎn)續(xù)傳,主備數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)一致性檢查與同步,以及零點(diǎn)嵌位、信號傳送死區(qū)、自動(dòng)歸零等處理。

圖3 變壓器監(jiān)控界面

(2) 遙信。系統(tǒng)采集各種遙信信息,包括保護(hù)動(dòng)作信號和開關(guān)量位置信號。所有遙信點(diǎn)名稱和報(bào)警信息均支持自定義修改,并在監(jiān)控畫面實(shí)時(shí)刷新,以便操作員及時(shí)了解現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí),系統(tǒng)可提供計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)、通道運(yùn)行狀態(tài)等虛擬遙信點(diǎn),支持在監(jiān)控畫面上顯示各個(gè)通道和節(jié)點(diǎn)的通信狀態(tài)信息。

(3) 遙控。系統(tǒng)可對變電站內(nèi)的任何一個(gè)可遙控的對象進(jìn)行合、分遙控。遙控具有完善的操作密碼驗(yàn)證和監(jiān)護(hù)員機(jī)制,可靈活設(shè)置不同的操作權(quán)限配合操作密碼進(jìn)行。所有操作都具有事件記錄,存儲在數(shù)據(jù)庫中,事后可供查詢、分析。遙控方式除單控還可批量遙控。

此外,系統(tǒng)支持對受控對象進(jìn)行遙調(diào),以及通過與綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換以實(shí)現(xiàn)遙視。

圖形開票界面如圖4所示。

2.3.3 統(tǒng)計(jì)分析及報(bào)表打印

系統(tǒng)用戶可根據(jù)監(jiān)測以及管理的需要,設(shè)定屏幕輸出或打印輸出各種監(jiān)測數(shù)據(jù),系統(tǒng)可自動(dòng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,輸出相關(guān)的變化曲線、長期趨勢曲線、棒圖及報(bào)表,同時(shí)支持用戶自定義報(bào)表格式和類型。

錄波分析界面如圖5所示。

趨勢曲線界面如圖6所示。

電量日報(bào)表界面如圖7所示。

圖4 圖形開票界面

圖5 錄波分析界面

圖6 趨勢曲線界面

圖7 電量日報(bào)表界面

3 結(jié) 語

港口變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)施應(yīng)用后,實(shí)現(xiàn)對港口變電站的遠(yuǎn)程化、集中化、無人化管理,系統(tǒng)精確、可靠、實(shí)時(shí)、有效。同時(shí),也為推進(jìn)港口電力節(jié)能技術(shù)和管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保障,符合現(xiàn)代化港口智能、平安、綠色的發(fā)展方向,對港口未來的轉(zhuǎn)型升級、可持續(xù)發(fā)展具有一定的促進(jìn)作用。