10kV電站自動化系統(tǒng)在智能建筑中的應(yīng)用

嵇文津/ 張明莉

1. AECOM（艾奕康咨詢（深圳）有限公司）， 北京 100025; 2. 北京聯(lián)合大學(xué)，北京 100101

現(xiàn)代建筑中的電氣系統(tǒng)愈來愈復(fù)雜，給系統(tǒng)的設(shè)計和運(yùn)營帶來了許多新的問題。首先，建筑規(guī)模的擴(kuò)大，例如20～30萬m2的建筑，一個變電站已無法滿足其用電需求，需要4、5個變電站。其次，龐大的建筑內(nèi)，機(jī)電系統(tǒng)每天都有各種運(yùn)行操作，僅僅靠增加運(yùn)行人員已無法保證建筑高效智能化運(yùn)行;對于變電站的監(jiān)控要求，原有的樓宇自控系統(tǒng)已顯得落后，需要一種根據(jù)變配電系統(tǒng)自身特點(diǎn)運(yùn)行的自動化系統(tǒng)來完成智能操作的需求。在變配電系統(tǒng)中引入電站自動化系統(tǒng)技術(shù)已成為智能建筑機(jī)電系統(tǒng)中不可或缺的組成部分，并且隨著綠色建筑理念的應(yīng)用，以該系統(tǒng)為平臺的能源管理技術(shù)也不斷地擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。

在智能建筑中的10kV變配電系統(tǒng)中引入電站自動化系統(tǒng)需要解決下列相關(guān)設(shè)計問題。

1 10kV變電所中的電站自動化系統(tǒng)的設(shè)計

如圖1所示，10kV變電站的電站自動化系統(tǒng)由三個層面組成，包括現(xiàn)場監(jiān)控層、通信管理層和系統(tǒng)管理層。

（1）現(xiàn)場監(jiān)控層：在現(xiàn)場安裝網(wǎng)絡(luò)電力儀表和監(jiān)控模塊，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集和就地顯示功能，經(jīng)RS485通信接口接入現(xiàn)場總線。其中，10kV高壓開關(guān)柜執(zhí)行元件一般由綜合繼電保護(hù)單元構(gòu)成，低壓配電柜內(nèi)的執(zhí)行元件則分別由與框架開關(guān)或塑殼開關(guān)配套的電力儀表和開關(guān)監(jiān)控單元構(gòu)成。

（2）通信管理層：完成監(jiān)控層和管理層之間的網(wǎng)絡(luò)連接、轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)、命令的交換。系統(tǒng)使用Modbus協(xié)議。

（3）系統(tǒng)管理層：由監(jiān)控主機(jī)、監(jiān)視器、打印機(jī)和UPS電源等組成。監(jiān)控主機(jī)采用工控機(jī)或服務(wù)器，通過專業(yè)的電站自動化監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)對變電站及整個低壓配電系統(tǒng)的監(jiān)控。

通過上述系統(tǒng)，結(jié)合電力系統(tǒng)監(jiān)控的專用軟件，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對10kV變電所設(shè)備的遙信、遙測、遙控和遙調(diào)等電站自動化操作功能，系統(tǒng)軟件基本功能包括以下四點(diǎn)：

（1）遙測：進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)采集，可遠(yuǎn)程測量并通訊，傳輸所有電力參數(shù)，包括三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、頻率、諧波及電度等。

（2）遙信：可遠(yuǎn)程檢測斷路器分合狀態(tài)、輔助觸點(diǎn)狀態(tài)、變壓器超溫信號及瓦斯?fàn)顟B(tài)等，并且可做事故紀(jì)錄，以便查找造成事故發(fā)生的根源。

（3）遙控：可遠(yuǎn)程遙控斷路器分閘和合閘（要求開關(guān)有電動操作機(jī)構(gòu)、RTU選型帶繼電器控制輸出）。

（4）遙調(diào)：可遠(yuǎn)程對智能監(jiān)控模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及調(diào)整，包括密碼、地址、通訊速率、電壓變比、電流變比、整定值及時間等（功能可選）。

上述軟件和硬件組合的系統(tǒng)，使用Windows平臺，通過人機(jī)交互界面，可以很好地實(shí)現(xiàn)對10kV 變電站系統(tǒng)設(shè)備的監(jiān)視和控制操作。見圖2。

2 多個10kV變電站的電站自動化系統(tǒng)的設(shè)計

在許多智能建筑中，特別是超高層建筑，由于建筑體量很大，1個10kV變電站已無法滿足建筑用電要求。首先，建筑高度或跨度超過供電半徑；其次，用電容量超過單組雙路供電容量。在這樣的建筑物中，會由4～5個10kV變電站組成一個變電站群。為了提高系統(tǒng)運(yùn)行性能和加強(qiáng)管理，需要將這些變電站的各自獨(dú)立的電站自動化系統(tǒng)聯(lián)接成網(wǎng)，組成一個電站自動化監(jiān)控網(wǎng)。通過設(shè)置在主變電站的指定主監(jiān)控機(jī)進(jìn)行各個變電站的監(jiān)控和運(yùn)行，如圖3所示。

如圖3所示，電站自動化監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)是由各個變電站自控系統(tǒng)的主機(jī)通過與上一層的互聯(lián)而形成的。這里面有三個主要環(huán)節(jié)：首先是網(wǎng)絡(luò)的搭建，各站之間網(wǎng)路是以站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)管理層為基礎(chǔ)構(gòu)成的；第二，對于電站自動化系統(tǒng)來說，站間網(wǎng)絡(luò)的可靠性是十分重要的。為了保證系統(tǒng)的可靠性， 建議采用雙光纖方式，這種方式既可以提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，又能夠保證系統(tǒng)的傳輸速度；第三，通常，整個項目會設(shè)置一臺主監(jiān)控計算機(jī)，一般采用服務(wù)器級別的計算機(jī)，通過雙光纖通訊方式與各個10kV變電站的計算機(jī)聯(lián)接。在純技術(shù)角度上，該主機(jī)與各站的主機(jī)是同一級別，而其高于其他主機(jī)的方式是通過軟件的操作口令分級來確定。一般情況下，各變電站站內(nèi)各種操作是由各站的主機(jī)獨(dú)立完成的；同時，將站內(nèi)的信息資料通過雙光纖網(wǎng)絡(luò)上傳至項目主機(jī)。項目主機(jī)對各個變電站的運(yùn)行只監(jiān)不控，這樣可以有效了解各變電站的運(yùn)行情況，完成監(jiān)控整個項目電氣系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的工作，也不對各站內(nèi)的運(yùn)行產(chǎn)生干擾，充分發(fā)揮集散系統(tǒng)設(shè)計理念的優(yōu)勢。特殊情況下，當(dāng)需要進(jìn)行跨站間操作時，通過輸入更高操作級別口令，主機(jī)直接與通過兩個變電站通訊層與操控設(shè)備聯(lián)系，進(jìn)行信息交換，下達(dá)操作指令和接受反饋信息，直接進(jìn)行跨站之間操作。

3 電站自動化系統(tǒng)在智能建筑機(jī)電系統(tǒng)中的擴(kuò)展

電站自動化系統(tǒng)作為一個由計算機(jī)為主體構(gòu)建的自控平臺，通過對軟件平臺的不斷開發(fā)和拓展，配合適當(dāng)?shù)耐獠拷涌诓考哂袕?qiáng)大的功能和擴(kuò)展其工作范圍的能力。其不但能夠持續(xù)地深化變電站內(nèi)的監(jiān)控操作性能，同時，還可以擴(kuò)展到變電站外和變配電系統(tǒng)外，突出表現(xiàn)在下列幾個方面。

1）電站自動化系統(tǒng)在內(nèi)部的擴(kuò)展

（1）與漏電火災(zāi)報警系統(tǒng)的結(jié)合

通過擴(kuò)展電力儀表的功能，已經(jīng)有廠家開發(fā)出兼有漏電火災(zāi)報警模塊功能的電力儀表，通過一套電力儀表模塊可以將低壓配電柜中的漏電火災(zāi)報警探測功能納入電站自動化系統(tǒng)中。如果將該種電力儀表模塊植入變電所外的建筑樓層配電箱中，接入漏電探測CT的采集信號，通過485總線手拉手連接成網(wǎng)絡(luò)，最終接入電站自動化系統(tǒng)中，可使系統(tǒng)具備漏電火災(zāi)報警功能。

（2）與電費(fèi)計量系統(tǒng)的結(jié)合

能源管理功能的實(shí)現(xiàn)是建筑智能化電能管理系統(tǒng)的另一個擴(kuò)展功能，通過對建筑電能消耗的記錄，并參照歷史數(shù)據(jù)的分析，建立本建筑機(jī)電系統(tǒng)和設(shè)備的電能消耗模型，制定出建筑在不同季節(jié)各系統(tǒng)設(shè)備或不同區(qū)域的能源消耗指標(biāo)。在實(shí)時監(jiān)視過程中及時發(fā)現(xiàn)電能消耗異常現(xiàn)象，能夠采取有效措施進(jìn)行設(shè)備改造，以避免電能不正常損耗；對建筑配電系統(tǒng)內(nèi)部的各用電單位進(jìn)行電能分配、計量和監(jiān)控，優(yōu)化配電系統(tǒng)運(yùn)行模式，并有針對性地對高耗電設(shè)備進(jìn)行改造或更新，提高管理效率、降低運(yùn)營成本；通過數(shù)據(jù)分析，使用戶更合理有效地利用設(shè)備，避免了資源浪費(fèi)，節(jié)約資金；根據(jù)建筑設(shè)備運(yùn)行需要結(jié)合上級電網(wǎng)峰谷平電價運(yùn)行管理要求，調(diào)整設(shè)備運(yùn)行時間、消峰填谷，降低建筑運(yùn)行費(fèi)用。

2）電站自動化系統(tǒng)向外部的的擴(kuò)展

通過設(shè)置網(wǎng)關(guān)設(shè)備，提供標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)接口和通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)將Modbus協(xié)議轉(zhuǎn)換為TCP/IP協(xié)議。通過以太網(wǎng)形式實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)與建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BMS）等自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，達(dá)到資源共享。這樣，該系統(tǒng)可以向上加入樓宇自控系統(tǒng)（BMS系統(tǒng)），成為BMS系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

10kV電站自動化系統(tǒng)是智能建筑設(shè)計理念在建筑變配電系統(tǒng)不斷深化發(fā)展的新成果，它以計算機(jī)為平臺，通過通訊系統(tǒng)構(gòu)成變電站自動化系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對變電站的四遙控制功能。同時，通過不同的擴(kuò)展方式，其功能還可以延伸到其他電氣系統(tǒng)領(lǐng)域，擴(kuò)大和增強(qiáng)了智能建筑的功能，成為智能建筑的一個重要的組成部分。

[1]呂金山, 戴樂. 智能化電能管理系統(tǒng)在軟件產(chǎn)業(yè)基地中的實(shí)踐[J]. 機(jī)電信息, 2009, 25(10).

[2]周鐵軍. 地鐵電能量管理系統(tǒng)[J].電器工業(yè)， 2011,9.