基于網絡控制技術的供電自動化的設計和實踐

戚少庸

（杭州電化集團有限公司，浙江 杭州 311228）

計算機網絡控制技術已被廣泛地應用在工業生產和控制領域中，在工廠供電自動化系統中，網絡技術同樣發揮重要的作用。通過應用控制技術、信息處理和通信技術，由計算機系統和自動裝置提高供配電系統的安全可靠性和電氣管理、調度的及時性、合理性和準確性。

在杭州電化集團有限公司搬遷項目中，通過應用網絡控制技術，對變電站綜合自動化系統、整流監控系統、配電監控系統以及與企業EMS系統通信的設計和實踐，實現了信息共享。

1 基于SEL保護裝置的變電站綜合自動化系統

1.1 工程規模

杭州電化集團有限公司搬遷工程共有1個110 kV總降和5個10 kV高壓配電所，整個項目規模為110 kV進線兩回，采用內橋接線及50 MVA主變2臺，電壓等級為110/35/10 kV。35 kV及10 kV均采用單母線分段，其中，35 kV供6臺容量為16 000 kVA的整流變壓器。

1.2 網絡結構

整個自動化系統設計為雙機雙網冗余結構，整個系統結構分3層，即間隔層、通信管理層和主站層。110 kV變電站綜合自動化網絡結構圖見圖1。

（1）間隔層。設備包括進線、母聯、變壓器、整流變、母線PT、電動機、電容器、各配電室間隔所有SEL微機保護及測控裝置，所有保護和測控裝置均以“一對一”的方式接入通信管理層通信處理器。

（2）通信管理層。由SEL-2032通信管理機組成，負責接入間隔層保護、測控裝置，監控主機和間隔層設備。通過通信管理器進行數據交換，完成數據采集和控制命令下發。

（3）主站層。總變電站設主備服務器2臺，5個10 kV配電室各設監控主機1臺，7臺相互獨立的計算機通過以太網組成，可非常方便地與其他變電站或計算機網絡接口。采用主備或平行工作方式，任何一臺計算機故障均不會影響其他計算機的正常運行。配備1臺工程師工作站用于保護裝置遠方整定及故障錄波數據調用。

（4）全站設1臺GPS同步時鐘（具IRIG-B輸出），對全站系統及全部通信、保護、測控裝置進行IRIG-B對時,確保所有裝置時差小于1 ms。

（5）系統布置：總降110 kV主變、35 kV系統及整流機組組屏安裝；總降10 kV、10 kV高配所有間隔層微機保護直接安裝布置于高壓開關柜面板上；通訊管理機以屏體方式布置于110 kV總降、10 kV高配。110 kV變電站綜合自動化網絡結構圖見圖1。

1.3 變電站綜合自動化系統設計中應注意的問題

作為整流行業的企業變電站綜合自動化系統，其自身的供電特色和供電要求具有與一般的供電企業不同的技術要求和特點，需要考慮以下問題。

（1）產品選型。氯堿企業供電要求高可靠性，同時整流行業具有不同于一般企業的強電場、磁場以及諧波干擾，因此，作為變電站綜自系統的核心保護測控裝置，杭電化選用美國SEL微機保護裝置。

（2）可靠性考慮：保護及測控功能相互獨立，各子系統與主站系統相互獨立，任一功能裝置或子系統故障均不能影響另一功能裝置或子系統/主站系統的正常運行；同時，數據庫服務器及操作員工作站應采用雙機配置，并具備自動切換功能。

（3）通訊性能。作為110 kV變電站和各10 kV子站的通訊管理機，應采用與微機綜保同品牌通訊管理機，以實現較好的通信可靠性，該公司選用SEL-2032通訊管理機。

（4）故障錄波及事故分析。所有微機保護裝置應具有故障錄波功能，因此，應當為每臺微機保護裝置提供硬件對時接口，以保證對時信號能精確地達到毫秒級，故障錄波應能通過通訊網絡上傳到后臺監控系統專用的保護工程師工作站，在保護工程師工作站內應安裝專用的故障錄波分析軟件，實現故障錄波的統一調用、存儲、分析。

（5）抗干擾及防雷擊措施.變電站之間的數據傳輸應采用光纜通訊，與電力調度等其他系統接口配備防雷擊隔離器。

2 整流網絡監控系統

2.1 工程規模

杭州電化集團有限公司搬遷工程20萬t/a燒堿項目采用日本氯工程BITAC-891型復極電槽，單槽產量為1.67萬t/a，6臺復極電槽形成10萬t/a燒堿。整流系統采用一拖二方式，即1臺整流變壓器帶2套整流柜供2臺電槽的供電模式。

2.2 整流網絡監控系統的結構

10萬t/a燒堿整流系統采用1個監控系統，整流裝置計算機控制和監測系統主要由現場控制柜（包括PLC），遠控柜，監控主機及監控備機站組成。系統的主要功能是，采用分布式結構，6臺整流柜既可以獨立工作，又可以通過網絡構成一個整流監控系統。整個監控系統設計為三機三網冗余結構，見圖2。

（1）采用工業以太網的監控網絡。采用以太網模塊CP243-1實現S7-200和上位機（監控主機）之間的通訊，通過OPC的方式進行，而且只能S7-200作為Server端，上位機作為Client端來訪問S7-200的數據

（2）采用MPI協議的監控網絡。通過擴展EM277通信模塊，實現S7-200和上位機（監控備機）之間的通訊，監控備機

作為網絡主站，S7-200作為從站。

（3）采用PPI協議的監控網絡。利用S7-200內置通訊接口，采用西門子專用點對點的通訊協議（PPI）與每臺整流系統

各配置的西門子觸摸屏PT178進行通訊。

2.3 實現的功能

（1）實時數據顯示。整流變壓器、整流柜、水系統的實時數據。

（2）操作界面。直流電流的升/降、有載開關檔位顯示及升降操作、直流開關狀態以及開/斷操作、極化整流器開停、水泵開停。

（3）系統故障監測界面。

（4）有關參數的歷史數據記錄存儲和歷史數據曲線顯示功能。

3 變電站綜合自動化系統和整流監控系統與企業生產執行系統（MES）之間的通訊

企業生產執行系統（MES）是近年來比較先進的企業信息化建設的體系模型，MES能通過信息傳遞對從訂單下達到產品完成的整個生產過程進行優化管理。杭電化的MES系統是以生產實時數據庫為核心的生產執行系統，對各個生產裝置的DCS系統，公用工程DCS系統以及供電系統的過程實時數據進行采集、處理，實現生產的實時監控和生產調度管理等功能。

供電系統的過程實時數據由裝設于110 kV總變的變電站綜合自動化系統進行采集、處理，將遙測、遙信數據以標準OPC協議，送至MES系統實時數據庫。MES系統實時數據庫通過1臺計算機作為數據采集網關，實現數據連接。在生產過程監控畫面繪制110 kV總變和各10 kV高配的主接線圖，實時顯示供電設備的數據和開關狀態。

由于整流監控系統需要查看的數據較少，為各整流柜的直流電壓、直流電流以及極化整流器的運行狀態和實時數據，因而，均采用模擬量信號進入工藝DCS系統數據庫，由工藝DCS系統采集和處理，在MES系統生產過程監控畫面實時顯示。

4 存在的問題

4.1 現階段整流監控網絡的缺陷分析

之前，由于晶閘管整流采用模擬控制技術，可靠性和穩定性較差，各整流設備制造廠家著重提高整流控制系統性能。目前，主流制造廠家整流控制系統均實現模擬控制向以單片機為核心的微機控制，但與變電站綜合自動化的技術相比，在網絡控制技術方面的應用和實踐有較大的差距。

（1）MPI協議的監控網絡中，1臺PLC-200出現通訊死機，導致整個系統的通訊癱瘓。在杭電化采用MPI協議的監控網絡中，加裝CP5611卡的監控上位機作為網絡主站，6臺PLC-200加裝EM277，作為從站，以MPI協議與上位機通訊。而MPI協議，是采用令牌環，按照邏輯順序，令牌從一個裝置傳遞到下一個裝置，傳遞到最后一個裝置后，再回到第一個裝置，如此周而復始，形成1個邏輯環。當某一個裝置出現通訊死機，令牌標志將重復訪問該裝置，將出現其他裝置數據更新緩慢，甚至通訊中斷。當然，對于數據總線類的結構，其鏈路是由每個接頭并聯而成，如果聯絡中某個接頭出現松動，將導致其后續裝置的通訊中斷。

（2）在故障狀態下，有時出現數據記錄不準確的現象。原因之一是與網絡通訊速率有關，而通訊速率由通訊協議所決定。MPI協議的理論上最大通訊速率為187.5 kb/s，工業以太網理論上最大通訊速率為10 Mb/s。但是，整流脈沖觸發、調節控制器一般由制造廠家自行研發，通訊接口為RS485通訊，基于PPI協議與PLC通訊，最大通訊速率只能達到19.2 kb/s。因而，無論采用EM277實現MPI通訊，還是采用CP243-1實現工業以太網通訊，其原始的通訊速率只有19.2 kb/s。因而，在發生故障時，不能準確和實時記錄各類數據，對分析故障原因帶來困難。原因之二是，與組態軟件有關。杭電化組態軟件選用國產組態王，組態王作為一個通用型軟件，并不完全適合作為電氣（整流）系統監控軟件，其驅動與西門子系統的EM277和CP243-1連接是否經過嚴格測試也未知。因而，組態軟件選用WINCC與西門子PLC通訊更好。

4.2 低壓配電監控系統有待于完善

（1）低壓供電數據實時采集和顯示。各類供電饋線均采用帶有RS485通訊功能的智能儀表，采集所在回路的電流、電壓及電度量信息，采用MODBUSRTU通信協議，經NPORT-5630通信管理機接入變電站綜合自動化系統FCAU數據采集系統。

（2）低壓供電饋線斷路器未能實現遙控操作。在失電情況下，為盡快恢復低壓系統的供電。在項目實施期間，曾考慮在電氣值班人員的值守地110 kV總變主控室實現低壓供電饋線斷路器遙控操作。在低壓斷路器的選型上，采用施耐德MT系列帶通訊功能的智能型斷路器，采用MODBUS-RTU通信協議，經NPORT-5630通信管理機接入變電站綜合自動化系統的FCAU數據采集系統。后考慮到RS485通信的可靠性和穩定性相對較差，該功能未能實現。因而，對于低壓供電饋線斷路器實現遙控操作還有待于進一步實踐。

5 建議和展望

通過杭電化搬遷工程供電系統自動化的設計和實踐，顯現出國內整流器制造廠家在網絡控制技術研發和應用上，與變電站綜合自動化系統集成廠家相比，還存在較大的差距。

（1）由于采用通用組態軟件，在系統開發環境的開放性、工業以太網的應用方面存在缺陷。建議整流器制造廠家針對整流設備的性能和特點，參考變電站監控系統的組態軟件，采用最新的網絡控制技術，研發適合于整流裝置的監控組態軟件。

（2）如前所述，目前以單片機為核心的整流控制器，其與上位機的通訊均需要通過PLC進行通訊協議的轉換，才能將數據送到上位機組態軟件，顯示相關參數和狀態。目前，已有整流器制造廠正在研發整流控制器和上位機之間直接實現工業以太網通訊。若成功應用，將使國內整流網絡監控技術得到質的提升。