電廠配電系統(tǒng)電能量智能采集的設(shè)計(jì)

沈發(fā)榮,趙明,吳艷偉,張浩

(1.云南電網(wǎng)公司電力研究院,昆明 650217；2.昆明能訊科技有限責(zé)任公司,昆明 650051)

電廠配電系統(tǒng)電能量智能采集的設(shè)計(jì)

沈發(fā)榮1,趙明1,吳艷偉2,張浩2

(1.云南電網(wǎng)公司電力研究院,昆明 650217；2.昆明能訊科技有限責(zé)任公司,昆明 650051)

為解決傳統(tǒng)手工方式抄表存在的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性差的問(wèn)題,對(duì)電廠配電系統(tǒng)電能量智能采集進(jìn)行設(shè)計(jì)和探討,提出采用三層垂直結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電廠電能量采集系統(tǒng),分析每一層的軟硬件組成和實(shí)現(xiàn)方式,提出適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合的三種電能表和采集終端部署方案,并對(duì)三種方案的優(yōu)劣進(jìn)行分析比較,給出優(yōu)選建議。

電廠配電系統(tǒng)；電能量采集；電能量采集終端

1 前言

電廠生產(chǎn)運(yùn)行及管理需要對(duì)發(fā)電量、上網(wǎng)電量及廠用電量等電能量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、匯總、分析及考核[1]。傳統(tǒng)方式下,這些數(shù)據(jù)都是由生產(chǎn)運(yùn)行人員以手工的方式進(jìn)行抄表、統(tǒng)計(jì)。專用的電能量采集系統(tǒng)能自動(dòng)完成電能量的采集、匯總、統(tǒng)計(jì)及分析,這樣不僅減少人力工作量,而且實(shí)時(shí)性好、準(zhǔn)確可靠,避免各種誤差的引入,使得相關(guān)指標(biāo)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確,從而為管理層決策提供更好的數(shù)據(jù)支撐。

2 電能量采集系統(tǒng)概述

電廠電能量采集系統(tǒng)是集電能表計(jì)、電能量數(shù)據(jù)采集終端、通信網(wǎng)絡(luò)、主站系統(tǒng)于一體,全面實(shí)現(xiàn)電能量數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、統(tǒng)計(jì)分析等功能的自動(dòng)化系統(tǒng)[2]。該系統(tǒng)能準(zhǔn)確靈活的對(duì)從數(shù)據(jù)終端采集上來(lái)的數(shù)據(jù)按不同要求進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì),并分類存儲(chǔ)到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)。不同權(quán)限的用戶可以通過(guò)WEB頁(yè)面完成全部或部分的監(jiān)控和管理功能。電廠電能量采集系統(tǒng)的主要功能包括：

1)發(fā)電及上網(wǎng)電能量采集部分：包括發(fā)電電能量和關(guān)口上網(wǎng)電能量。

2)廠用電電能量采集部分：包括廠用變壓器電能量、勵(lì)磁變壓器電能量、高壓廠用負(fù)荷的電能量、非生產(chǎn)用電電能量。

3)對(duì)采集到的電能量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、轉(zhuǎn)發(fā)、報(bào)表生成,提供WEB服務(wù)。

3 電能量采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

考慮到系統(tǒng)中廠用電部分的采集涉及到的物理范圍很廣,采集的計(jì)量點(diǎn)數(shù)較多,因而采取分層的方法進(jìn)行設(shè)計(jì),將系統(tǒng)垂直分為三層。

3.1 系統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)

1)底層：計(jì)量層。主要設(shè)備分類為計(jì)量單元,包括電能表或類似電能表的電測(cè)儀表,對(duì)具體設(shè)備的電能量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量、記錄；

2)中層：采集層。主要設(shè)備分類為電能量采集單元,分布于各大區(qū)域,從底層的各個(gè)計(jì)量單元采集電能量數(shù)據(jù),分別進(jìn)行存儲(chǔ),并與上層系統(tǒng)進(jìn)行通信；

3)上層：主站處理層。包括數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、WEB服務(wù)器、關(guān)口服務(wù)器等,從采集層招測(cè)數(shù)據(jù),并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、計(jì)算、發(fā)布及轉(zhuǎn)發(fā)。

考慮國(guó)家關(guān)于電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)分區(qū)的規(guī)定,位于安全Ⅱ區(qū)的采集層和位于安全Ⅲ區(qū)的主站處理層之間的數(shù)據(jù)傳送必須要經(jīng)過(guò)一個(gè)正向網(wǎng)絡(luò)安全隔離裝置,而且數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蛑荒苡散騾^(qū)的采集層單向發(fā)往Ⅲ區(qū)的主站處理層。

3.2 系統(tǒng)的典型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

圖1為電廠電能量采集系統(tǒng)的典型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹D1中,邏輯上位于中層采集層的電能量采集終端的物理位置放置在電能表所在的各個(gè)配電室中,電能表通過(guò)485通信線纜連接到采集終端的485接口上,采集終端通過(guò)其以太網(wǎng)口發(fā)送上行數(shù)據(jù)到采集服務(wù)器。

采集服務(wù)器邏輯上同樣位于中層采集層,其物理位置一般位于生產(chǎn)區(qū)集控樓的機(jī)房或者繼保間內(nèi),由于電能量采集終端與采集服務(wù)器的距離一般較遠(yuǎn),因而用單模光纖連接兩處,兩端用一對(duì)以太網(wǎng)光纖收發(fā)器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

圖1中可以看出,采集終端和采集服務(wù)器組成的采集層網(wǎng)絡(luò)與管理大區(qū)的主站處理層網(wǎng)絡(luò)之間被一個(gè)正向網(wǎng)絡(luò)安全隔離裝置物理隔斷,只有滿足隔離裝置規(guī)則的數(shù)據(jù)才被允許通過(guò),保證了電廠生產(chǎn)區(qū)的網(wǎng)絡(luò)安全。

3.3 各層的軟件實(shí)現(xiàn)方式

如圖1位于底層計(jì)量層的各電能表通過(guò)主從方式的485總線連接到采集終端,采集終端通過(guò)“多功能電能表通信規(guī)約”(DL/T645-1997或DL/T645-2007)與電能表進(jìn)行通信[3],每隔一定的時(shí)間間隔 (比如5分鐘),由采集終端主動(dòng)發(fā)起請(qǐng)求,從485總線上的電能表采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ)。

電能量采集終端與采集服務(wù)器位于同一個(gè)以太網(wǎng)段中,二者通過(guò)主站規(guī)約 (IEC 60870-5-102)進(jìn)行通信,采集服務(wù)器也按照相同的時(shí)間間隔 (比如5分鐘)主動(dòng)向采集終端發(fā)起數(shù)據(jù)召測(cè)請(qǐng)求 (包括電量、遙測(cè)量等),采集終端根據(jù)所請(qǐng)求數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型和時(shí)間范圍進(jìn)行響應(yīng)。

采集服務(wù)器上運(yùn)行的采集程序從采集終端獲取到數(shù)據(jù)后并不做存儲(chǔ),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理和封裝后,直接通過(guò)Socket方式發(fā)給主站處理層的服務(wù)端程序,服務(wù)端程序解析收到的報(bào)文并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中,并進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算、統(tǒng)計(jì)和分析整理。主站處理層的主站系統(tǒng)采用Java EE和B/S架構(gòu),管理區(qū)的用戶只要在瀏覽器中輸入IP地址即可訪問(wèn)系統(tǒng)。

需要注意的是,由于采集層位于正向隔離裝置的內(nèi)網(wǎng)側(cè),從管理區(qū)外部網(wǎng)絡(luò)無(wú)法訪問(wèn)采集層中的采集服務(wù)器和采集終端,從而無(wú)法進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)。因此,采集服務(wù)器上運(yùn)行的采集程序和采集終端的穩(wěn)定性就顯得尤為重要。

4 電能表與采集終端部署方案

由于電廠配電室現(xiàn)場(chǎng)的情況各異,電能表和采集終端的部署方案也有所不同,大致分為如下三種：

1)方案一：電能表分散部署、采集終端就地布置。圖1即為方案一的典型拓?fù)?電能表計(jì)分散部署在各個(gè)負(fù)荷的開(kāi)關(guān)柜中,電能量采集終端為尺寸較小的壁掛式采集器,就地布置在配電室現(xiàn)場(chǎng),電能表和采集終端之間用485線直接連接。此種方案的優(yōu)點(diǎn)是電能表就地安裝在各個(gè)開(kāi)關(guān)柜中,不需要占用額外的空間,且電能表和采集終端之間直接用485線連接,通信的穩(wěn)定性好,采集通信系統(tǒng)調(diào)試起來(lái)比較容易。

2)方案二：集中電能表屏、采集終端就地布置。圖2為方案二對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹７桨付c方案一非常相似,不同的地方在于：電能表集中安裝在電能表屏中,電能量采集終端、交換機(jī)、以太網(wǎng)光纖收發(fā)器等設(shè)備也一并布置在電能表屏中,由于有專門(mén)的屏柜來(lái)安放采集終端,因此可以采用尺寸較大但性能和可擴(kuò)展性更好的插箱式采集器。

圖2 集中電能表屏、采集終端就地布置方式的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

3)方案三：電能表分散部署、采集終端遠(yuǎn)程布置。圖3為方案三對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹７桨溉c前兩種區(qū)別較大,主要在于：電能量采集終端沒(méi)有布置在配電室現(xiàn)場(chǎng),而是遠(yuǎn)程布置在采集服務(wù)器所在的集控室機(jī)房或繼保間內(nèi),采集終端與電能表之間的距離較遠(yuǎn),超過(guò)了485通信線纜的最大距離,需要通過(guò)光纖連接,在兩端采用485數(shù)據(jù)光端機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

圖3 電能表分散部署、采集終端遠(yuǎn)程布置方式的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

方案一和方案二本質(zhì)上是一樣的,方案一更節(jié)省空間,不需要在配電室中單獨(dú)劃出區(qū)域安裝電能表屏,省去了方案二中電能表與負(fù)荷開(kāi)關(guān)柜之間的電纜,成本上要小一些。方案二成本較高,適用于負(fù)荷開(kāi)關(guān)柜中沒(méi)有空間安裝電能表的情況,且由于電能表集中安裝在電能表屏中,便于運(yùn)行人員進(jìn)行巡檢,另外采集終端也可以采用可擴(kuò)展性和性能更好的插箱式采集器。

方案一和方案二比方案三的穩(wěn)定性更好,更便于采集通信系統(tǒng)的調(diào)試,這是因?yàn)榉桨敢缓头桨付斜M量避免用到485數(shù)據(jù)光端機(jī),而485數(shù)據(jù)光端機(jī)相比起以太網(wǎng)光纖收發(fā)器而言,穩(wěn)定性較差,并且在施工過(guò)程中容易出現(xiàn)485數(shù)據(jù)線沒(méi)有一一對(duì)應(yīng)或者記錄錯(cuò)誤,導(dǎo)致采集終端無(wú)法正常采集部分電能表的數(shù)據(jù),調(diào)試起來(lái)也比較困難。方案二的成本在三種方案中相對(duì)較小,采集終端的數(shù)量也最少,適用于方案一和方案二都不能用的場(chǎng)合,比如配電室現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有位置安放壁掛式采集器和交換機(jī)等設(shè)備,但有位置安放光端機(jī)。

綜合考慮系統(tǒng)成本和穩(wěn)定性,在可能的情況下,盡量?jī)?yōu)先選擇方案一或者方案二,其次才是方案三。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中對(duì)電廠配電系統(tǒng)的電能量智能采集的設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討,通過(guò)三層垂直結(jié)構(gòu)的分層設(shè)計(jì),降低了各子系統(tǒng)的耦合度,提高了電廠電能量采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性,從而為電廠的電能量在線監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)提供準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的電能量數(shù)據(jù)來(lái)源。電廠通過(guò)全廠的電能量在線監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線地監(jiān)測(cè)各機(jī)組主要輔機(jī)的電能量參數(shù)和單耗、耗電率、廠用電率占比等性能指標(biāo),同時(shí)通過(guò)報(bào)表功能查詢?cè)露取⒛甓鹊男阅苤笜?biāo),為電廠降低廠用電率、進(jìn)行節(jié)能改造提供數(shù)據(jù)支撐和依據(jù)。

[1]陳嘉.2X600 MW電廠電能量采集系統(tǒng)探討 [J].科技與企業(yè),2012(15)：154.

[2]孫迤,劉輝,朱超.電能量采集系統(tǒng)故障分析與現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè),2010(34)：145-147.

[3]曾曉梅.發(fā)電廠廠用電量綜合管理系統(tǒng)淺析 [J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè),2008(24)：173-174.

Design and Discussion of Intelligent Electric Energy Acquisition for Power Distribution System

SHEN Farong1,ZHAO Ming1,WU Yanwei2,ZHANG Hao2
(1.Yunnan Electric Power Rresearch Institute,Kunming 650217；2.Kunming ENERSUN technology co.,LTD.,Kunming 650051)

In order to solve the traditional manual meter reading data accuracy and real-time performance of the existing problems, design and discussion the intelligent electric energy acquisition of power distribution system,put forward by three layers of vertical structure design of power plant electric energy acquisition system,analyzing each layer of the hardware and software composition and implementation approach,put forward suitable for different applications of three kinds of watt-hour meter and acquisition terminal deployment scheme,and analyzes and compares the advantages and disadvantages of three kinds of scheme,optimization suggestions are given.

Power distribution systems；electric energy acquisition；electric energy collection terminal

TM76

B

1006-7345(2014)02-0081-03

2013-11-26

沈發(fā)榮 (1963),男,高級(jí)工程師,云南電網(wǎng)公司電力研究院。主要從事火電機(jī)組性能試驗(yàn)研究、技術(shù)服務(wù)、節(jié)能減排工作(e-mail)bestok888@163.com。