區域供能SCADA系統構建研究與設計

周一軍 陳建平 吳佳

(上海工業自動化儀表研究院1,上海 200233;上海虹橋商務區新能源投資發展有限公司2,上海 200335)

區域供能SCADA系統構建研究與設計

周一軍1陳建平2吳佳1

(上海工業自動化儀表研究院1,上海 200233;上海虹橋商務區新能源投資發展有限公司2,上海 200335)

針對區域供能系統由多種供能設備構成這一現狀,提出建立一套集中管控系統用以對區域供能系統進行統一有效管理。考慮到各設備參數的復雜性及多樣性,提出應用數據采集與監視(SCADA)技術建設一套能源中心運行管理自控系統(即區域供能SCADA系統)。SCADA系統實現了區域能源生產、管溝輸送、用戶換能站的實時監控和生產運行調度的集中管理,滿足核心區內用戶的全部冷/熱空調用能、生活熱水需求。系統的成功建設對同類工程項目具有示范作用。

區域供能 數據采集與監視(SCADA) 集中管理 控制系統 三聯供系統

0 引言

近年來,北京、上海、廣州、深圳、天津等眾多城市提出并加快推進城市中心商務區的建設計劃,力爭給城市產業轉型升級提供空間載體。城市中心商務區大都通過功能高度集聚以追求能級效應,這往往會形成較大的開發建設規模和較高的建設強度。為盡量減少對生態環境的影響,開辟新時代商務區建設發展的新模式,越來越多的城市提出了建設低碳商務區的構想。

分布式供能是實現低碳商務區構想的有效措施之一。它是在能源的梯級利用基礎上,將供熱、發電及制冷過程一體化的多聯供總能系統,又稱為“能源島系統”。系統具有靠近用戶、梯級利用、能源利用率高、能源供應安全可靠等優點。

本文針對分布式供能系統,研究科學的管控系統對分布式供能設備進行實時調度控制,滿足商務區內用戶的冷、熱需求,保證商務區低碳建設理念的實現。

1 建設區域供能系統的意義

大城市90%以上的碳排放來自能源消耗。因此,低碳實踐從能源使用入手,區域集中供能就是供能優化工程的核心內容。所謂區域集中供能,就是對一定區域內的建筑群,由一個或多個能源站集中制取冷水、熱水或蒸汽等冷熱媒,通過區域管網輸配到各單體建筑內,為用戶提供能源服務[1]。

相對于傳統集中供電系統,區域集中供能具有節能、高效、環保和安全等特點,近年來在世界范圍內的應用日益廣泛[2-7]。

我國分布式供能技術已經發展近20年。在分布式供能系統的建設方面,國內外已有較多類似已建和在建的工程項目,這些項目在設計及運行技術方面已趨于成熟。初期,分布式供能項目都以單體建筑物項目為主。其后,隨著各種分布式能源設備性能不斷改進,分布式供能成本不斷降低,應用范圍也不斷擴大,覆蓋了包括辦公樓、賓館、商店、飯店、住宅、學校、醫院、福利院、療養院、大學、體育場館等多種場所,其應用對象是一個從小到大、從單體建筑到群體建筑甚至較大規模城區的發展過程。國家“十二五”新興能源產業發展規劃提出,在“十二五”期間我國要建設1 000個分布式供能示范項目。

數據采集與監視控制系統(supervisory control and data acquisition,SCADA)與區域供能系統是相輔相成的。SCADA系統是以計算機為基礎的集散控制系統(distributed control system,DCS)與電力自動化監控系統。在電力系統中,SCADA系統應用最為廣泛,技術發展也最為成熟。SCADA系統在遠動系統中占重要地位,可以對現場的運行設備進行監視和控制,以實現數據采集、設備控制、測量、參數調節以及各類信號報警等各項功能,即“四遙”功能[8-9]。

2 區域供能系統功能定位

設計旨在構建一個集“可靠性、先進性、經濟性、實用性”為一體的能源中心運行管理自控系統,即SCADA系統,實現對能源生產(三聯供系統、水蓄冷系統、冷水機組、燃氣熱水鍋爐等)、管溝輸送、用戶換能站的實時監控和生產運行調度管理,滿足區域內用戶的電、熱、冷用能需求。

設計中首先考慮如何在保證變配電系統的安全穩定運行的情況下,合理調配各供能設備的協調運行。然后通過系統運行過程中對運行數據的積累及分析,完成對控制策略的優化,最終達到供能系統安全、運行經濟的目標。

區域供能SCADA系統的建設通過構建冗余的光纖環網,鏈接下層各供能子系統,實現生產運行數據的采集。通過科學的數據分析,實現能源輸送的優化調度;通過開發完整的軟件平臺,實現各功能模塊的統一管理。

3 區域供能系統建設方案

3.1 SCADA監控系統構成

區域供能SCADA系統由SCADA監控中心(計算機監控管理系統)、各供能子系統(分布式供能系統、冷水機、燃氣熱水鍋爐、變配電、建筑智能化系統、管溝子系統等)控制系統以及千兆工業通信網絡組成,遵循“集中管理、分散控制、資源共享”的原則。

①監控中心計算機監控管理系統包括:監控操作員站、監控管理員站、數據服務器、應用服務器、建模運算服務器、磁盤陣列等附屬網絡交換設備。

②三聯供控制系統的控制對象包括:發電機組、溴化鋰機組、熱交換設備、并網控制柜、冷卻塔、三聯供管路公共閥門、三聯供管路公共儀表、三聯供管路附屬設備。

③供冷控制系統由冷凍機組群控系統及水蓄冷槽、冷水二次泵、管道閥門儀表等相關設備兩部分組成。冷凍機組群控系統由承包商成套提供;水蓄冷槽、冷水二次泵、管道閥門儀表等相關設備的控制由SCADA系統集成。

④供熱控制系統由鍋爐群控系統和熱水二次泵、管道閥門儀表等相關設備兩部分組成。鍋爐群控系統由承包商成套提供;熱水二次泵、管道閥門儀表等相關設備的控制由SCADA系統集成。

⑤管網控制系統由管網PLC站和管溝地面沉降監測系統組成。

⑥電能管理系統包括電能監控主站。

⑦建筑智能系統包括建筑智能系統主控站。

3.2 初步設計原則

整個控制系統是由各子系統的控制系統和區域SCADA控制中心組成。在區域SCADA系統正常運行的情況下,由區域SCADA控制中心進行控制;當區域SCADA系統無法正常運行時,通過對各子系統的控制系統實施人工干預,實現能源中心的正常生產運行。

區域供能SCADA監控中心是一個具有客戶機/服務器(client/server)結構的計算機控制系統,其組成整個區域供能的監控管理層。

監控中心可采集供能各子系統的全部運行參數和信息,實時監控整個能源生產和輸送流程、設備運行狀況,通過權限約定,在線調度遙控各子系統運行。構成的自動控制系統以實現區域生產現場的無人值守為目標和全系統計算機智能化管理,為具有先進水平的現代化供能企業提供一個生產監控和運營管理的信息交換處理平臺。

大規模的區域性冷、熱、電聯供裝機容量在國內沒有成熟的運行調度控制經驗,而且用戶端需隨地塊開發逐步推進,在短期內無法達到穩定。所以在機組運行初期,采用人工干預的方式進行控制較為適宜;待各子系統運行穩定后,經過一定的運行參數積累,在條件成熟時進行系統的自動運行調試。

三聯供機組在供冷模式下,根據區域內冷需負荷來優化協調冷水機組、溴化鋰制冷及蓄冷水槽制/放冷的組合,實現最高能效、最低成本的運行。三聯供機組在供熱模式下,根據區域內熱需負荷來優化協調燃氣熱水鍋爐、三聯供熱交換設備的組合,實現最高能效、最低成本的運行。

區域供能SCADA監控中心如圖1所示。

圖1 區域供能SCADA監控中心Fig.1 The monitoring center of regional energy supply SCADA system

3.3 區域供能SCADA系統功能

區域供能SCADA系統由SCADA監控中心、各供能子系統以及千兆工業通信網絡組成。其功能描述示意圖如圖2所示。

圖2 區域供能SCADA系統功能描述圖Fig.2 Functional descriptions of regional energy supply SCADA system

SCADA監控中心監控功能:實現能源生產、管溝輸送、換能站運行的實時監控,協調各子系統運行。

SCADA監控中心管理功能:優化調度、客戶管理、能效管理及安全生產。

各子系統管控功能:各成套子系統群控主機對子系統自身設備進行協調控制及聯鎖保護,控制系統由專業廠家完成。

為了保證區域供能SCADA系統與各站點之間數據交換的實時性,使其及時、準確、可靠、協調、高效率地工作,區域供能SCADA系統需達到如下要求。

①數據讀取吞吐量達到300 000點/s。

②單點方式同步/異步查詢實時值平均時間≤10 ms。

③批量點(100點)方式同步/異步查詢實時數據平均時間≤1 s。

④批量方式同步/異步查詢實時數據總吞吐量≥126 000 TPS。

在區域供能SCADA系統的統一調度、協調下,各子系統實現最優化運行,并采用區域供能SCADA中心控制級和各子系統群控主機控制級兩級控制模式。

第一級為各子系統群控主機控制級。各個子系統群控主機通過通信網絡對子系統自身所有過程變量及設備運行狀態進行數據采集、監視控制及聯鎖保護。

第二級為區域供能SCADA中心控制級。對南/北區區域供能所有子系統進行遠程監控,實行統一調度管理。

各子系統群控主機控制系統至少應實現以下操作模式:①支持區域供能SCADA中心集中監視和遠程調度控制;②各子系統群控主機具有手動/自動控制功能。

3.4 區域供能SCADA系統應用實例

虹橋商務區作為上海首個低碳商務社區,是區域供能的一個應用實例。虹橋商務區北區設立一套能源中心運行管理自控系統,對南、北區區域能源生產、管溝輸送、用戶換能站的實時監控和生產運行調度實現集中管理,滿足核心區(一期)內用戶的全部冷/熱空調用能、生活熱水需求。

區域SCADA監控中心設立在北區。北區域供能SCADA系統由下列系統組成:監控中心計算機監控管理系統、三聯供控制系統、供冷控制系統、供熱控制系統、管網控制系統、電能管理系統、建筑智能系統以及千兆工業通信網絡。

南區供能SCADA系統由下列系統組成:監控計算機管理系統、三聯供控制系統、供冷控制系統、供熱控制系統、管網控制系統、電能管理系統、建筑智能系統以及千兆工業通信網絡。

南、北兩區以光纖貫通,由中國電信敷設一根12芯的單模鎧裝光纜,接入點位置由建設方確定。

依據虹橋商務區全區域供能的總體規劃,將設立1個供能SCADA監控中心(三號供能中心)、4個供能監控站。目前,設立于北區的SCADA監控中心屆時可整體遷移到三號供能中心。通過全區域貫通的光纖網絡,該SCADA監控中心實現對全區域的能源生產、管溝輸送、用戶換能站的實時監控和生產運行調度、管理。北區SCADA系統拓撲圖如圖3所示。

圖3 北區SCADA系統拓撲圖Fig.3 Topological structure of the North SCADA system

4 結束語

區域供能系統在提高能源利用效率、節能減排等環境保護方面有突出的作用,SCADA系統對確保區域供能系統穩定高效的運作提供了必不可少的監控平臺。該平臺在虹橋商務區的建設,可促進商務區的綠色發展、確保商務區用電安全可靠,對整個上海市的能源建設具有示范作用。

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[2] 李永兵,岳建華,沈炳耘.冷熱電分布式供能系統的應用和發展[J].燃氣輪機技術,2008,21(3):4-7.

[3] 邱紅,金廣君,林姚宇.CBD新區規劃設計中的低碳理念探討[J].華中建筑,2011(1):10-13.

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[6] 汪勛.論集中供熱自動化控制系統[J].區域供熱,1997(5):22-23.

[7] 王華忠.監控與數據采集(SCADA)系統及其應用[M].北京:電子工業出版社,2010.

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[9] 謝明.基于Internet的SCADA數據傳輸系統研究[D].南京:南京理工大學,2003.

Research and Design of Construction of the SCADA System for Regional Energy Supply

Regional energy supply system is constituted by a variety of equipment for energy supply,thus establishing a set of centralized management and control system is proposed to implement unified and effective management of regional energy supply system.Considering the complexity and diversity of the parameters of each device;by applying SCADA technology,the automatic control system of energy center operation and management(i.e.,regional energy supply SCADA system)is constructed.The SCADA system realizes regional energy production,pipe canal transportation,real time monitoring of user transducer stations,and centralized management of production operation dispatching,it meets the demands for cooling/heating air conditioning,and domestic hot water of users in kernel area.The successful construction of the system possesses demonstration effect to similar engineering projects.

Regional energy supply Supervisory control and data acquisition(SCADA) Centralized management Control system Combined cooling heating power(CCHP)system

TP273

A

2012年上海市軟件和集成電路產業發展專項基金資助項目(編號:120449)。

修改稿收到日期:2014-02-13。

周一軍(1967-),男,1990年畢業于上海工業大學自動化及儀表專業,獲學士學位,教授級高級工程師;主要從事工業控制領域智能控制技術和信息技術應用的研究。