Riyear-PowerNet配電監控系統的運用

胡建剛 陳 平

（常熟開關制造有限公司，江蘇 常熟 215500）

1 引言

隨著電力技術的發展和用戶需求的不斷提高，配電行業對電器性能的要求越來越高，要求有帶通信功能的電器以實現配電網絡的遙控、遙測、遙調和遙信的“四遙”功能。

所謂的低壓電器智能化配電系統就是通信網絡把眾多的帶有通信接口的低壓開關和控制設備與主計算機連接起來，由計算機進行智能化管理，實現集中數據處理、集中監控、集中分析和集中調度的新型配電系統。實現智能化配電系統中設備的互連互通就由現場總線來實現。

智能化配電系統與傳統的配電系統相比具有穩定性好、可靠性高、利于集中控制、能實現無人值守、組網后能降低大量費用等優點。可以預見，可通信智能電器設備將逐步取代傳統的電器設備。對于現在的智能建筑來說，配電系統是其他系統的基礎，實現配電系統的智能化也是智能建筑不可或缺的重要組成部分。

常熟開關制造有限公司（原常熟開關廠）一直致力于智能低壓電器的研究，通過不斷努力，已取得了一定的成績。除原有的帶有通信接口的CW系列智能型萬能式斷路器、CM 系列智能型可通信塑殼斷路器外，公司還進一步開發出其他智能化產品如電動機保護器、電動機軟起動器、雙電源切換控制裝置、網絡電力儀表、智能 I/O模塊等一大批產品。公司在2006年末推出了Riyear-PowerNet配電監控系統，系統集成了專業的Riyear-PowerNet配電監控組態軟件，配合公司的智能配電元件，形成了一個完整的產品體系。

2 Riyear-PowerNet配電監控系統概述

從電力供應質量和供電安全的關注角度考慮，工業界對電網控制與管理提出了更高的要求。電器元件融入數字化和可通信技術，也將信息技術引入電力行業。Riyear-PowerNet智能網絡配電與控制系統，可以支持多種現場總線在變配電和控制領域的運用，有力地推動了變配電控制的信息化和網絡化的發展。

Riyear-PowerNet系統包括一系列具備自動化功能的工業級配電元件以及完整的上位機軟件、網絡布線方案，支持各種通信總線的連接，包括Modbus、ModbusTCP、Profibus-DP、DeviceNet等。通過高效率的數據采集，用戶可以在任何時間任何地點實時掌控整個配電系統的運行情況。現場的工作狀態、趨勢曲線、歷史記錄、操作及報警記錄等均可輕松瀏覽，幫助用戶能在最短的時間內建立起適合自己的完善的配電自動化網絡。

Riyear-PowerNet系統支持各種最新的數據解決方案，包括支持遠程數據庫、OPC服務器、Web服務器等，大大減少用戶組織計算機系統的成本和時間。比如通過安裝本公司的Web服務器組件，用戶在網絡上無需任何附加軟件就可通過 IE瀏覽器進行數據和畫面的瀏覽。

Riyear-PowerNet系統除支持本公司所有的可通信元件外，同時也支持各種不同廠商的可通信元件，并且可以無限升級擴充，是具有開放性、通用性的功能強大的監控系統。

圖1 Riyear-PowerNet配電監控系統的典型結構

3 Riyear-PowerNet配電監控系統的配置方案

Riyear-PowerNet配電監控系統配置方案主要根據系統規模大小和系統組成分布情況而定，按系統組成通常可分為三層：智能元件層（由各種智能型可通信設備組成，包括斷路器、電力儀表、I/O模塊等）、通信網絡層（由現場總線或者工業以太網組成，在連接介質上可使用雙絞線、光纖或者GPRS無線等）、系統軟件層（由Riyear-PowerNet系統軟件、監控主機、打印機、UPS等組件組成）。

圖2 系統構成圖

3.1 系統軟件層

由Riyear-PowerNet系統軟件、監控主機、打印機、UPS電源等組成。通過計算機軟件實現系統管理功能，提供用戶界面、系統組態、數據儲存管理、報警提示、故障記錄等功能，是整個Riyear-PowerNet系統的核心。

在系統軟件層可實現整個配電系統的運行狀態監控、數據管理、系統安全管理以及設備維護管理等等功能。

按照不同工程用戶的需要，也可靈活配置系統軟件層，例如，按主機數量來分：

（1）單主機系統：一個客戶端/服務器應用。

（2）多主機系統：一個服務器和多個客戶端應用。

圖3 多主機系統示意圖

3.2 通信網絡層

提供底層智能元件和上位監控主機間的連接，進行數據傳輸，包括通信協議的轉換。系統提供包括現場總線、工業以太網等多種解決方案，實現底層設備和監控主機間的無縫連接。通信網絡層現場總線通信系統采用通信協議必須是標準開放的，如Profibus-DP、Modbus-RTU、DeviceNet等。

圖4 使用Modbus現場總線方案圖

通信網絡層采用的介質除了常見的雙絞線、光纖，另外還可采用無線通信的形式。目前可供用戶選用的無線通信有GPRS無線、CDMA無線、ZigBee等，這些無線組網形式是常規通信網絡的補充，解決了一些難以實施布線場合的用戶需要。

圖5 使用GPRS無線組網方案圖

3.3 智能元件層

智能元件層是指現場安裝的智能儀表和裝置，各類現場智能元件負責采集底層信息和現場智能控制，數據通信接口和通信總線提供給監控主機管理，是Riyear-PowerNet系統的基礎。

智能元件層設備包括：①CM 系列可通信塑殼斷路器；②CW 系列可通信萬能式框架斷路器；③CE系統可通信智能儀表；④CA系列自動轉換開關；⑤CD4系列電動機控制保護器；⑥CR2系列智能型電動機軟起動器；⑦其他第三方可通信產品。

4 Riyear-PowerNet配電監控系統中的智能型低壓成套設備

通常智能型低壓成套設備包括：采用標準開放的現場總線通信技術將具有通信功能的低壓智能設備（如：智能型斷路器、智能型保護控制裝置、智能型測控裝置及智能儀表等等設備）由通信電纜相互連接起來，通過后臺主控系統（PLC或PC系統）實現對整個配電系統數據采集和運行狀態的遠程監視、控制（“四遙”功能）以及系統數據的存儲分析和設備運行管理等等功能的低壓成套設備。智能型低壓成套設備是全新設計的總線式的智能化開關柜（如 CGZ1），也可以是 GCK、GCS、MNS、GGD等傳統柜的智能化改造。

圖6 在常熟開關制造有限公司CGZ1總線型配電柜中的實際應用

智能型低壓成套設備相對于傳統低壓成套設備最主要的區別是他采用可通信智能型保護、測量及控制設備取代了傳統熱磁保護設備、指針表及繼電器控制設備，提高了保護動作的準確性、測量的精確性及控制的可靠性，同時運用計算機技術和現場總線通信技術很好地實現了配電系統的遠程智能化監控管理功能。

智能型低壓成套設備相對于傳統低壓成套設備在結構上的主要區別是采用了數字式可通信智能設備、增加了現場總線通信網絡，為了保證通信系統的穩定運行，必須考慮如何提高設備和通信網絡的抗干擾能力和系統可維護性。

4.1 通信電纜選型

考慮到配電柜正常運行后環境溫升較高、電磁場干擾較大，所以通信電纜需建議選用A類屏蔽雙絞線，其技術指標要求見表1。

表1

4.2 通信電纜敷設

同樣為了提高通信網絡的運行可靠性和系統可維護性，要求設立專用的通信電纜敷設通道，遠離強電環境。

我公司的CGZ1型可通信配電柜均設計有專用的輔助電纜隔室和通信電纜通道的隔室，分別用于布置各種控制信號線和通信電纜，并且該二個隔室分別完全與主回路或大電流母線隔離。

圖7 CGZ1上的通信電纜隔室和通信電纜隔室圖

4.3 通信電纜連接

智能設備之間和配電柜之間通信電纜的連接，必須考慮連接的可靠性，并且通信電纜的屏蔽層不能在總線任何中間位置斷裂。分支線路即總線分叉到子站的距離應盡可能短，且不大于20m，避免過多的星形接法。

圖8 電纜的連接示意圖

4.4 系統接地

根據工程實際情況要求，通信接地方式有多種（通常采用單點接地），但通信屏蔽層接地必須可靠，以提高系統通信的穩定性。由于柜體的地并不純凈，一般以通信板卡的地作為基準，而不是柜體作為通信的接地。

5 Riyear-PowerNet配電監控系統中的智能化電器設備選型

智能化電器設備的選型主要是指針對根據工程總體設計需要對現場層智能型保護設備、測控裝置等設備進行配置。在對設備功能、質量穩定性和外形進行選擇的同時必須充分考慮到現場總線通信接口規范（物理接口、協議、傳輸速率、數據量等）。

5.1 進線、聯絡及饋線（大電流）回路

采用智能型萬能式斷路器（如CW1、CW2、CW3系列等等），在考慮這些設備的相關保護特性及分斷指標的同時還需考慮如何實現配電系統的遠程監控功能（“四遙”功能、管理維護功能等）。

（1）智能型斷路器配置通信接口功能，直接實現回路的遠程監控管理功能。

需明確要求斷路器通信接口規范，CW1、CW2、CW3系列斷路器能夠直接實現Modbus-RTU現場總線通信。

若系統設計為 Profibus-DP現場總線通信網絡，則可以通過外加協議轉換模塊來實現 Profibus-DP現場總線通信，DeviceNet總線系統也采用相同解決辦法。目前支持的協議轉換模塊有CN1DP-MP（Modbus轉 Profibus-DP適配器）、CN1DP-MD（Modbus轉DeviceNet適配器）、CN1EG/10（Modbus TCP網關）、CN1DP-MC（Modbus轉CAN適配器）。

CW2/P型斷路器以及CW3/EA型以上型號是我公司近年來最新推出的產品，相比普通的通信型斷路器 CW1/H、CW2/H增加了電能參數測量功能，除原有的電流、線電壓測量外，還能對有功、無工、視在功率、電量、2～31次諧波等參數進行測量，CW3、EG還具備電機過頻、欠頻、逆功率保護功能，同時這些斷路器在測量精度上相比傳統型號有較大提高，在功能上可取代一般的多功能電力儀表。

使用具有通信接口的萬能式斷路器，在斷路器發生故障時，除了能夠進行報警以外，還能提供故障追憶功能，可以通過監控軟件把故障的原因及具體參數以多種形式的提醒方式（包括圖形、語音、短信等）告知相關的值班人員，幫助他們有針對性的快速排除現場故障。大大減少停電時間，減少停電損失。

（2）智能型斷路器未配置通信接口功能，采用外加智能電力儀表實現回路的遠程監控管理功能。

主要適用于不具備通信能力的斷路器的回路，采用搭配智能電力儀表的形式，同時這些外配智能型可通信模塊通信接口規范必須符合系統設計要求。

CE1Z是我公司開發的多功能網絡電力儀表，可測量電流、電壓、功率、頻率、電能、諧波等電力參數，具有精度高、體積小、功能全等特點。CE1Z可加裝專用的 I/O擴展模塊，直接對斷路器的合分狀態和報警狀態進行采集，并且通過繼電器輸出控制斷路器合分閘。但是由于使用的是普通型斷路器，在斷路器發生故障時可以進行報警，但無法獲得故障詳細信息來進行故障追憶。

圖9 CW2/P、CW3/EG智能型萬能式斷路器

圖10 CE1Z智能電力儀表+普通型萬能式斷路器

5.2 饋線及配電回路

采用智能型塑殼斷路器（如CM1z、CM2Z/T系列等），同樣在考慮這些設備的相關保護特性及分斷指標的同時還需考慮如何實現配電系統的遠程監控功能。

（1）智能型塑殼斷路器配置通信接口功能，直接實現回路的遠程監控管理功能。

主要適用于大電流等級或者重要的塑殼斷路器回路，需實現比較完善的遠程監控管理功能。設備配置符合系統設計要求的標準開放現場總線通信接口。

常熟開關制造有限公司的CM1z、CM2Z/T智能型塑殼斷路器具備RS-485通信接口，可實現完整的“遙測、遙信、遙調、遙控”四遙功能，在斷路器發生故障時，也可以通過通信接口來獲得故障詳細信息進行故障追憶。

圖11 CM1z、CM2Z/T智能型塑殼斷路器

（2）智能型斷路器未配置通信接口功能，采用外加網絡電力儀表實現回路的遠程監控管理功能。

使用普通斷路器，可通過網絡電力儀表（如常熟開關制造有限公司的CE1系列網絡電力儀表）或來實現回路的遠程監控管理功能。

CE1系列提供多種可選電力參數測量功能，可根據用戶需要進行靈活的配置。通過CE1的I/O模塊采集塑殼斷路器的工作狀態，通過CE1的I/O模塊對塑殼斷路器進行遠程控制（通過電操或者分勵線圈）。由于配合的是普通型斷路器，因此能提供故障報警，但無法提供故障追憶功能。

使用儀表的監控方案適合配電柜改造，對柜內線路改動較少。

圖12 普通型塑殼斷路器+ CE1系列網絡電力儀表

（3）智能型斷路器未配置通信接口功能，采用外加遠程I/O模塊實現回路的遠程監控管理功能。

使用普通斷路器，可通過遠程 I/O模塊（如常熟開關制造有限公司的CI1系列遠程I/O模塊）或來實現回路的遠程監控管理功能。

CI1可以提供簡單的電流測量功能，通過 CI1采集塑殼斷路器的工作狀態，通過CI1對塑殼斷路器進行遠程控制（通過電操或者分勵線圈）。由于是普通型斷路器，同樣無法提供故障追憶功能

這種方案適合配電柜改造，柜內線路改動較少，改造成本較低。

圖13 普通型塑殼斷路器+CI1系列遠程I/O模塊

5.3 電動機回路

采用智能型電動機保護控制單元/智能型控制實現電動機的各種保護功能、測量功能、操作功能和事件記錄功能等等。配置通信接口功能可實現電動機回路的遠程運行監控管理功能。

主要適合于傳統電動機回路（塑殼斷路器/熔斷器+接觸器+保護裝置）設計方案，設備通信接口規范必須符合現場總線通信系統設計要求。該方案中的保護裝置采用智能型電動機保護控制單元（如CD4等）。同樣設備的通信接口規范必須完全滿足設計要求。

常熟開關制造有限公司的 CD4電動機保護器具備RS-485通信接口，全面支持“四遙”功能，提供故障追憶功能。并能提供手持式編程器，在失電狀態下仍可進行維護。

另外，常熟開關制造有限公司最新推出的CB1系列控制與保護開關電器，內部集成斷路器、接觸器、熱繼電器及隔離器為一體，具有短路分斷能力高、體積小、功能全、操作壽命長、可靠性高等特點，可用于頻繁操作。同樣CB1具備通信接口，可以實現“四遙”功能。

CB1適用于一些電流等級較小的電動機回路，完全可以取代傳統的斷路器、接觸器、熱繼電器。

圖14 CD4電動機控制器+CK3交流接觸器

圖15 CB1系列控制與保護開關電器

對于需要軟起動的電動機回路，可選擇常熟開關制造有限公司的CR2系列電動機軟起動器，CR2具備RS-485通信接口，全面支持“四遙”功能，并可提供故障追憶功能。針對不同的負載，還可選擇對應的應用設置，CR2提供6條過載曲線可供選擇。

圖16 CR2軟起動器

5.4 雙電源切換

自動轉換開關適用于額定工作電壓 AC400V 50Hz、額定電流 6～800A 的兩路中性點接地的電源（常用電源和備用電源或常用電源和發電電源），因一路電源發生異常而進行電源之間的切換，保證其供電的可靠性和安全性。其中CA1 為CB級雙斷路器連鎖結構，CAP1為PC級雙電源切換，切換速度快（CAP1-32～100在 100ms以內，CAP1-125～400在200ms以內），可適用于緊急供電系統。

CA1、CAP1均有帶通信功能的 Z型控制器，可實現“四遙”操作（一般情況下，雙電源切換開關不使用“遙控”操作）。

圖17 CA1系列雙電源切換

圖18 CAP1系列雙電源切換

6 Riyear-PowerNet配電監控系統支持的現場總線類型

根據項目的實際需要和系統造價綜合考慮系統的網絡結構和總線類型。目前在國內電力自動化系統中常用的總線協議有4種。

6.1 Modbus-RTU總線

優點：協議簡單、成本低、大多數廠家均能供貨、采用A類屏蔽雙絞線實際通信距離可達到1km（理論值1.2km），當通信距離大于1km可通過增加中繼器或采用光電轉換模塊（RS-485轉光接口）實現距離的延伸。

缺點：通信速率不高，一般情況下波特率小于100kbps，通常使用波特率為19.2kbps。

6.2 Profibus-DP總線

優點：通信速率高，通常情況下波特率可達1.5Mbps，最高波特率可達 12Mbps；當現場通信距離超過標準要求時，可通過增加Profibus光電轉換器或Profibus中繼器（最多9個）來實現距離的延伸。

缺點：成本相對較高，協議復雜（但提供協議轉換芯片和開發工具包）。

6.3 CAN總線

優點：相對于RS485傳輸距離和波特率都有很大改善。

表2 波特率與距離關系

表3 波特率與距離關系

缺點：CAN總線沒有定義應用層協議，所以在項目實施的時候會因為通信協議的問題帶來很大的麻煩，也不便于系統的維護；另外，由于CAN總線采用短幀報文傳輸（最長為 8byte），所以對于信息量較大的電力設備來說，通信效率就會降低。

6.4 DeviceNet總線

優點：在CAN總線基礎上定義了應用層協議，統一了接口協議。

表4 波特率與距離關系

缺點：目前國內并未推廣開，只有少數廠家能供貨，且該成本很高。

通過上述比較，RS-485 Modbus-RTU總線不失為一種經濟型選擇方案； Profibus-DP總線通常應用在要求實時性較高的場合。另外，為了便于自動化系統的調試和維護，同一系統中的總線協議類型最好一致，盡量避免出現多種協議類型，特別是制造廠家自定義協議。

7 Riyear-PowerNet配電監控系統功能

Riyear-PowerNet配電監控系統采用具現場總線通信功能的智能型保護、測量及控制設備，它主要分：一次設備和二次設備，一次設備如智能型框架斷路器、智能型塑殼式斷路器，二次設備如智能型 PC測控裝置、智能型測控儀表、智能型電動機控制器等。

7.1 遙控功能

通過上位機對智能型低壓成套設備各電氣回路或電器設備實現遠程操作控制功能（具體各回路的可遙控的功能應根據設計需要確定）。

（1）配電回路：控制斷路器的分閘、合閘。

（2）電動機控制電路：電動機的起動、停車、復位等操作。

7.2 遙測功能

通過上位機遠程采集智能型低壓成套設備各電氣回路的電量參數(具體可遙測的參數應根據設計需要確定)。

（1）主進線電路：三相電流、三相電壓、有功功率、功率因素、有功電能、無功電能等。

（2）配電電路：三相電流、三相電壓（相電壓/線電壓）、有功功率、有功電能等。

（3）出線回路：三相或單相電流、有功功率、有功電能等。

（4）電動機回路：三相或單相電流、有功功率等。

（5）補償回路：功率因素（實際值/設定值）等。

（6）其他：電網頻率、諧波分量等。

圖19是“某低壓智能化配電監控管理系統”主界面圖（部分）。系統中400V系統采用具有Modbus 總線通信接口的智能斷路器測控裝置實現進線和饋線回路斷路器的遠程控制、電參量測量和運行狀態監視。

圖19 智能化監控管理系統1

圖20 智能化監控管理系統2

7.3 遙調功能

通過上位機遠程調整各個智能終端的的可變參數（如斷路器保護參數）。

下圖是智能型萬能式斷路器 CW2/H主要保護參數遠程下載和查看界面。

圖21 遙調功能

7.4 遙信功能

通過上位機對智能型成套設備各電氣回路或電器設備實現以下遙信功能，具體可遙信的功能應

根據設計需要確定。圖22是現場設備故障報警指示畫面。

（1）通信狀態。

（2）報警/故障信息。

（3）開關狀態、補償電容器投切狀態。

（4）設備操作次數/運行時間等。

圖22 遙信功能故障報警指示畫面

7.5 維護管理功能

系統能通過上位機對各從站實現以下維護管理功能：

（1）智能型成套設備的工程資料及設備信息管理。

（2）各回路的掛牌檢修功能。

（3）操作事件記錄功能。

（4）報警管理。

（5）故障管理。

（6）電能管理。

（7）負荷分析。

（8）報表打印等（包括實時報表、日報表、月報表及年報表）。

圖23是系統故障記錄管理功能界面。

圖24是系統操作記錄管理功能界面。

圖25是系統實時報表功能界面。

圖26是系統日報表功能界面。

圖23 故障記錄管理功能

圖24 操作記錄管理功能

圖25 實時報表功能

圖26 日報表功能

8 Riyear-PowerNet配電監控系統應用案例

（1）某智能化配電監控管理系統方案簡介

某工業園區智能低壓配電系統共有 4個變電站、1個測試中心和2個箱式變電站組成。為了實現低壓配電系統的保護、測控功能，在配電柜中安裝智能型萬能式斷路器，在電容補償柜上加無功補償控制器及電量監控儀作為顯示。

由于各變電站分布較遠，從站的節點數有 100多點，還需要為今后的發展和擴充留有余地，基本情況分兩個階段：

第一階段把1#、4#變電站和生活區箱式變電站安排在一個主控站，把2#、3#變電站和頂樓箱式變電站安排在一個主控站，生活水泵安排在一個主控站，五臺發電機控制和目前已運行的三期高壓系統組成一個高壓主控站。既方便操作又為以后發展留有余地，而各個主控站則通過工廠級以太網連接到中央控制室。在中央展示室通過以太網增加一個投影屏，實現對整個配電系統的顯示。

試驗站變電站單獨一個主控站，空壓機、空調機控制單獨一個主控站。將在第二階段安排實施。

多主站這種方式適合配電站相對分散，從站設備相對較多，數量大于32個的系統。采用多主站形式，多主站PC集中在中央控制室，進行集中監控，各個主站之間通過以太網與信息管理中心連接。

圖27 系統網絡拓撲結構

（2）某熱電廠智能化配電監控管理系統方案簡介

機組的運行以 Riyear-PowerNet 系統的主機為監控中心，實現爐、機、風機、水泵集中控制。在集中控制室內可完成機組正常運行工況的監視和調整、異常工況的報警和緊急事故處理，在少量就地運行人員的配合下，可實現機組的分階段半自動起/停。

集中控制室內的控制盤上布置大屏幕，顯示少量重要參數的監視儀表和報警信號光字牌以及部分操作按鈕，當系統出現全局故障時，可安全停機。

控制室具有支持大范圍的 I/O能力，具有功能強大的組態能力，遠程 I/O是執行控制邏輯，數據采集的控制模件，具有很高的可靠性和對工業過程的適用性。

中控室設備包括人機接口站和工程師站，系統中的 2臺人機接口站采用高性能的 DELL主機，WINDOWS操作系統作為平臺。工程師站采用1臺高性能的DELL機，兼操作員站。

圖28 系統網絡拓撲結構

9 結論

針對目前智能型斷路器的網絡化控制的發展趨勢，只有總線接口完備的產品，才能盡可能的滿足各種用戶的需要，也才能在市場上擁有更好的產品競爭力。

我們要在保證產品質量的基礎上，不斷完善產品各項性能，包括在斷路器通信功能上，在提供給用戶各種具有通信功能的產品基礎上，同時在通信網絡集成上也要形成一整套滿足用戶需要的方案，努力與國外同類產品減少技術上的差距。這樣產品的技術層次才能不斷提高，企業競爭力才能不斷增強。