配電站開關(guān)設(shè)備智能配電管理系統(tǒng)解決方案

史莉 上海納杰電氣成套有限公司 (200111)史莉（1978年~），女，大專，助理工程師，主要研究智能化配電、光伏發(fā)電。

0 設(shè)計基礎(chǔ)

我國供電系統(tǒng)目前一般存在供電部門管理的電網(wǎng)自動化程度高，電網(wǎng)終端用戶內(nèi)部自動化水平比較低，無論配電系統(tǒng)簡單或復(fù)雜，一般都依賴維修電工技術(shù)狀態(tài)和熟悉程度來檢測并解決配電故障，效率低下等現(xiàn)狀。因此，需求側(cè)科學(xué)管理用電非常有發(fā)展前景。需求側(cè)管理主要目的就是提高終端用電效率，因此所有措施都不能停留在人為的單純管理層面，科學(xué)細致的管理才能更好地實現(xiàn)管理目標(biāo)。

該系統(tǒng)設(shè)計主要服務(wù)于需求側(cè)合理、科學(xué)管理用電，優(yōu)化供電結(jié)構(gòu)和方式，提高用電效率。針對配電系統(tǒng)的自動化和智能化的需求，吸取國內(nèi)外產(chǎn)品的先進技術(shù)和多年從事配電設(shè)備設(shè)計制造的經(jīng)驗，采用多種技術(shù)，配合開關(guān)柜研發(fā)成功了該套綜合自動化系統(tǒng)。實現(xiàn)了需求側(cè)用電管理的“四遙”、友好人機界面、通訊數(shù)據(jù)上傳和存儲、故障報警定位、預(yù)設(shè)用電方案、短信報警等功能，為需求側(cè)用戶提供可靠準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，指導(dǎo)用戶科學(xué)合理用電。

完善的配電管理離不開狀態(tài)監(jiān)控和控制系統(tǒng)。特別是在供電末端需求側(cè)的用電監(jiān)管也越來越被廣泛關(guān)注。作為終端用電管理者和執(zhí)行者，指導(dǎo)用電科學(xué)性操作最基礎(chǔ)的方法是電力數(shù)據(jù)，只有做到了對用電清晰明確的掌握和監(jiān)測，才能更進一步的實施監(jiān)管。

該解決方案針對配電站內(nèi)10kV變配到400V系統(tǒng)開關(guān)設(shè)備智能配電解決思路，以普通通用型配電站為例：10kV高壓開關(guān)柜（12臺）、變壓器10/0.4（2臺溫控儀）、400V低壓開關(guān)柜（16個低壓配電系統(tǒng)50多塊智能儀表以及一些開關(guān)狀態(tài)采集與監(jiān)控 ）適于遠程電參量實時監(jiān)測與電能計量。

監(jiān)控室設(shè)置在值班室，對整個系統(tǒng)進行監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集、存儲以及數(shù)據(jù)記錄、報警等。

1 系統(tǒng)實現(xiàn)方法

1.1 應(yīng)用的技術(shù)

將移動通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、MODBUS現(xiàn)場總線技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、計算機技術(shù)、遠程監(jiān)控技術(shù)、智能測控技術(shù)和智能配電柜集成創(chuàng)新。

(1) 移動通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用：基于GSM移動通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控，解決配電設(shè)備故障跳閘后快速自動發(fā)送到手機的短信報警功能。

(2) 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用：現(xiàn)代工業(yè)建立工業(yè)以太網(wǎng)的協(xié)議規(guī)范，以實現(xiàn)使用以太網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建通訊接口，用開放式規(guī)約的規(guī)范使得不同廠商的工業(yè)控制設(shè)備通過標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)整合。

(3) MODBUS現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用：通用現(xiàn)場通訊系統(tǒng)，解決設(shè)備通訊中數(shù)字雙向傳輸?shù)膯栴}，通過應(yīng)答響應(yīng)，實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備或元件的訪問。

(4) 計算機技術(shù)的應(yīng)用：實現(xiàn)與子系統(tǒng)和母系統(tǒng)的直接連通，做到信息共享，直觀視覺界面效果對設(shè)備實時狀態(tài)進行監(jiān)控。

(5) 遠程監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用：對多個監(jiān)測站同時進行遠距離的通信，通過通信網(wǎng)絡(luò)，總控制中心設(shè)在中央控制室，各配電間采用分布式監(jiān)測技術(shù)，采用總線方式將總控制中心計算機和各監(jiān)測站計算機或配電設(shè)備聯(lián)系起來。

2 系統(tǒng)設(shè)計原則

電力監(jiān)控系統(tǒng)是一套完整的配電室智能化電力監(jiān)控系統(tǒng)，它完成對配電室內(nèi)主要設(shè)備和輸配電線路的自動監(jiān)視、測量、控制、保護以及與上級系統(tǒng)通信等綜合性的自動化功能。其保護、測量、監(jiān)視、控制功能通過高、低壓智能型保護測控裝置和專業(yè)型智能型測控裝置來實現(xiàn)。根據(jù)可靠性和高效率配電管理的要求，綜合智能配電系統(tǒng)的設(shè)計遵循幾點原則。

2.1 實用性

綜合智能配電系統(tǒng)的組成一定要符合現(xiàn)場配電的實際情況，不能追求華而不實，非重要的出線回路中一些不必要的電參數(shù)如果進行測量則必須配備具備該功能的電力儀表，這樣勢必造成投資過大，遠超出實際需要。因此，在能夠充分實現(xiàn)用戶所需功能的情況下，系統(tǒng)的實用性是首先應(yīng)遵循的第一設(shè)計原則。同時，系統(tǒng)的前端產(chǎn)品和系統(tǒng)軟件均有良好的可學(xué)習(xí)性和可操作性。特別是操作性，使具備計算機初級操作水平的管理人員，通過簡單的培訓(xùn)就能掌握系統(tǒng)的操作要領(lǐng)，達到能完成值班任務(wù)的操作水平。

2.2 安全性

配電網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)配置不同于其他的行業(yè)，任何一點的疏忽將是巨大的安全隱患，這要求系統(tǒng)中的所有設(shè)備及配件在性能安全可靠運轉(zhuǎn)的同時，還應(yīng)符合國內(nèi)或國際有關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)，并可在非理想環(huán)境下有效工作。強大的實時監(jiān)控功能和聯(lián)動功能可充分保證使用者環(huán)境的安全性。

2.3 實時性

電力系統(tǒng)中的電參量時刻都處在變化中，超負荷、不平衡等因素將會對配電設(shè)備造成巨大的損害，然而這些因素的產(chǎn)生并不是預(yù)期的，所以對系統(tǒng)的實時性要求非常關(guān)鍵，系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)實時性監(jiān)測，還應(yīng)對一些必要的事件具有記錄存儲的功能。

2.4 穩(wěn)定性

由于綜合智能配電系統(tǒng)是一項長期不間斷運行的系統(tǒng)，肩負著監(jiān)測配電網(wǎng)絡(luò)的運行狀況，并具有一定的處理事件的功能，所以系統(tǒng)的穩(wěn)定性顯得尤為重要。要求系統(tǒng)要有數(shù)年以上市場的成功應(yīng)用經(jīng)驗，擁有相應(yīng)的用戶群和用戶服務(wù)體系。

2.5 可擴展性

系統(tǒng)的設(shè)計并不是一成不變的，如根據(jù)需要將工程擴建、改造、或者與其他系統(tǒng)的兼容、并入等，這要求系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)預(yù)留多路與其他系統(tǒng)的通訊接口，當(dāng)追加變配電子站系統(tǒng)及與上級調(diào)度系統(tǒng)，如樓宇自動化控制系統(tǒng)（BAS）、管理信息系統(tǒng)(MIS)、消防控制系統(tǒng)(FCS)等運行，可實現(xiàn)系統(tǒng)擴展。

2.6 易維護性

綜合智能配電系統(tǒng)在運行過程中的維護應(yīng)盡量做到簡單易行。從計算機的配置到系統(tǒng)的配置，前端設(shè)備的配置都充分仔細地考慮了系統(tǒng)可靠性，并實施了相應(yīng)的認證。在做到系統(tǒng)故障率最低的同時，也考慮到即使因為意想不到的原因而發(fā)生問題時，保證數(shù)據(jù)的方便保存和快速恢復(fù)，并且保證緊急時能迅速地打開通道。整個系統(tǒng)的分層管理保證了網(wǎng)絡(luò)一旦出現(xiàn)故障，不會因為某部分設(shè)備的維護，而停止所有設(shè)備的正常運作。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，即站控管理層、網(wǎng)絡(luò)通訊層和現(xiàn)場設(shè)備層，拓撲圖見圖1、結(jié)構(gòu)圖見圖2。

圖1 配電管理系統(tǒng)拓撲圖

圖2 配電管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(1) 現(xiàn)場設(shè)備層

現(xiàn)場設(shè)備層主要是連接于網(wǎng)絡(luò)中用于電參量采集測量的各類型的儀表和保護裝置等，也是構(gòu)建該配電系統(tǒng)必要的基本組成元素。不僅肩負著采集數(shù)據(jù)的重任，同時也是執(zhí)行后臺控制命令的終端元件。這些設(shè)備可為各系列帶通訊網(wǎng)絡(luò)電力儀表、溫濕度控制器、開關(guān)量監(jiān)測模塊和電動機保護器等。

(2) 通訊控制層

通訊控制層主要是由通訊服務(wù)器、接口轉(zhuǎn)換器件及總線網(wǎng)絡(luò)等組成。該層是數(shù)據(jù)信息交換的橋梁，不同的接口轉(zhuǎn)換器件提供了RS232、RS422、RS485、SPABUS、SMBUS等及以太網(wǎng)等各種接口，組網(wǎng)方式靈活，支持點對點的通訊、現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)等類型的組態(tài)網(wǎng)絡(luò)。通訊服務(wù)器主要用于直接對現(xiàn)場儀器儀表轉(zhuǎn)達上位機的各種控制命令，并負責(zé)對現(xiàn)場儀器儀表回送的數(shù)據(jù)信息進行采集、分類和存儲等工作，如電壓/電流等電參量、輸入開關(guān)量狀態(tài)、修改儀表內(nèi)部參數(shù)或各種控制繼電器斷開/閉合的操作命令等；微機保護裝置主要是為保證上位機的正常工作，避免網(wǎng)絡(luò)中不穩(wěn)定信號對其造成的干擾或破壞；接口轉(zhuǎn)換器件則是由于現(xiàn)場儀表或其他系列的裝置與上位機的通訊接口存在差異，需要進行轉(zhuǎn)換方可進行數(shù)據(jù)交換。

(3) 管理測控層

管理測控層針對配電網(wǎng)絡(luò)的管理人員，該層直接面向用戶。該層也是系統(tǒng)的最上層部分，主要是由電力監(jiān)控系統(tǒng)軟件和必要的硬件設(shè)備如計算機、打印機、UPS等。其中軟件部分具有良好的人機交互界面，通過數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議讀取前置機采集的現(xiàn)場各類數(shù)據(jù)信息，自動經(jīng)過計算處理，以圖形、數(shù)顯、聲音等方式反映現(xiàn)場的運行狀況，并可接受管理人員的操作命令，實時發(fā)送并檢測操作的執(zhí)行狀況，以保證供用電單位的正常工作；電能計量管理功能設(shè)計各種符合用戶的報表格式，報表內(nèi)數(shù)據(jù)嚴(yán)格按照各種標(biāo)準(zhǔn)進行計量，用戶只需查找打印即可，方便操作，提高了工作效率。

3.2 通訊設(shè)備及線纜

現(xiàn)場儀表均采用低煙無鹵型屏蔽雙絞線連接，配電站至值班室線纜根據(jù)實際采用雙絞線直拉或光纖方式。

3.3 站控設(shè)備

監(jiān)控室主要完成遠程數(shù)據(jù)采集、處理與顯示，并完成向上級調(diào)度的轉(zhuǎn)發(fā)。站控設(shè)備的配備綜合考慮用戶實際需求，配置監(jiān)控主機、顯示器、小型網(wǎng)絡(luò)機柜及串口通訊服務(wù)器及監(jiān)控軟件，考慮到通訊可靠性及防雷等因素，配置串口隔離設(shè)備。

3.4 主要參數(shù)

系統(tǒng)以智能電力監(jiān)控裝置、微機繼電保護裝置、計算機網(wǎng)絡(luò)、能量管理應(yīng)用組態(tài)軟件為基礎(chǔ)，滿足國內(nèi)電力行業(yè)規(guī)范及相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，采用完全分層分布式結(jié)構(gòu)，是一種智能化、網(wǎng)絡(luò)化、單元化、全開放的能量管理系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)低壓能量管理的特點，完成對變配電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、運行監(jiān)視、事故預(yù)警、事故記錄和分析、自動控制、繼電保護等功能，同時把能耗預(yù)警、電源質(zhì)量管理系統(tǒng)融為一體，提高了用電的可靠性、安全性、管理水平，是一個面向用戶的、真正的能量管理系統(tǒng)。其主要特點如下(主要性能依賴于現(xiàn)場設(shè)備選擇)：

(1) 實時數(shù)據(jù)采集功能及處理功能

系統(tǒng)能夠?qū)ΜF(xiàn)場所有的模擬量、脈沖量及開關(guān)量、測量量，外部輸入信號等進行實時和定時數(shù)據(jù)采集，定時數(shù)據(jù)可根據(jù)設(shè)定的時間間隔自動轉(zhuǎn)存于硬盤，生成歷史數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)能夠?qū)b測量進行值越限檢查及告警，并進行最大值、最大值時間、最小值、最小值時間、平均值、供電合格率等的統(tǒng)計、記錄，以及開關(guān)分合閘次數(shù)統(tǒng)計、遙信變位啟動事故追憶記錄等。

(2) 數(shù)據(jù)遠傳及控制功能

系統(tǒng)對于每次遙控操作，均對操作員、操作時間、監(jiān)視員、操作類型進行記錄生成遙控操作記錄表并將此記錄存盤以備查詢；通過主站微機對控制對象進行分合操作，控制對象包括開關(guān)和斷路器隔離開關(guān)的分合（跳合）操作，設(shè)備運行檢修。

(3) 屏幕顯示功能

系統(tǒng)動態(tài)刷新顯示主接線圖，對各開關(guān)運行狀態(tài)，在線運行參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)通訊狀態(tài)，曲線趨勢等，對實時及歷史時間，復(fù)費率統(tǒng)計和需量統(tǒng)計等功能采用模擬圖的方式實時顯示。運行狀態(tài)監(jiān)視圖分為主接線圖（主畫面、分畫面）、負荷曲線圖、波形分析圖以及用戶推出的其他需要顯示的運行狀態(tài)畫面；主要運行參數(shù)均可采用柱形圖、餅形圖等多種圖形顯示。

(4) 報表記錄及打印功能

系統(tǒng)可以定時、隨機、召喚打印如下內(nèi)容：各類故障及事故報警信息打印、事件順序記錄打印、報表、曲線打印、運行日志打印、運行參數(shù)打印、事故追憶打印、畫面拷貝打印等。

(5) 報警功能

當(dāng)出現(xiàn)開關(guān)事故變位、遙測越限、保護動作、開關(guān)跳閘或其他報警信號時，系統(tǒng)能發(fā)出音響提示，并在屏幕上顯示報警內(nèi)容或推出特定的報警畫面。報警設(shè)備能根據(jù)不同類型的報警信號發(fā)出不同的聲音。

(6) 用戶管理功能

系統(tǒng)提供完善的用戶權(quán)限及口令控制，對重要的操作（如遙控、遙測以及整定值下發(fā)等）設(shè)置雙重驗證。

(7) 歷史數(shù)據(jù)管理功能

周期性存儲運行數(shù)據(jù)，保存操作記錄、設(shè)備運行狀態(tài)、保護動作記錄、事故記錄等信息，形成完備的歷史數(shù)據(jù)庫。

(8) 通訊管理功能

系統(tǒng)具備廣泛、開放的數(shù)據(jù)通訊接口，支持IEC60870-5系列、CDT、SPABUS、LONWORK、CA NBUS、PROFIBUS、DNP、MODBUS-RTU、TCP/IP等多種通訊協(xié)議，模塊化設(shè)計結(jié)構(gòu)，提供通訊數(shù)據(jù)開發(fā)接口，便于現(xiàn)場接入其他智能控制裝置。

(9) 自診斷功能

系統(tǒng)定期進行自檢，對外設(shè)、監(jiān)控節(jié)點狀態(tài)、軟件進行檢驗，發(fā)生異常時自行修復(fù)；系統(tǒng)提供遠程維護接口，可實施遠程升級、下載程序、遠程診斷等功能。

3.5 技術(shù)指標(biāo)

(1) 重要遙測更新周期：<2s

(2) 一般遙測更新周期：<3s

(3) 事故時遙信變位傳送時間：≤1s

(4) 事故推畫面時間：<2s

(5) 遙信變位：<1s

(6)遙控過程完成：<3s

(7) 模擬量測量綜合誤差：<0.5%

(8) 電網(wǎng)頻率測量誤差：<0.01Hz

(9) 調(diào)用畫面響應(yīng)時間：1～3s

(10) 單元控制裝置接受命令到開始執(zhí)行時間：≤1s

(11) 網(wǎng)絡(luò)速率：10M或100M

(12) 事件記錄正確率：≥99.9%

(13) 遙信正確率：100%

(14) 遙控正確率：100%

(15) 遙調(diào)正確率：100%

(16) 遙測正確率：≥99.9%

(17) 海拔高度：≤4000m

(18) 工作環(huán)境溫度范圍：-20～+65℃

(19) 存儲環(huán)境溫度范圍：-40～+85℃

(20) 相對濕度：≤95%（25℃）

(21) 在實時數(shù)據(jù)庫容量支持到10 000點基本保持以下系統(tǒng)指標(biāo)：

(22) 系統(tǒng)使用壽命≥10年

(23) 系統(tǒng)平均無故障時間：系統(tǒng)MTBF≥30 000h

(24) CPU負載：正常情況下負荷率≤15%（任意5分鐘內(nèi)平均）

事故情況下負荷率≤35%（任意1分鐘內(nèi)平均）

系統(tǒng)調(diào)試驗收后，對現(xiàn)場安排的管理人員進行培訓(xùn)，可實時完成用戶提出的要求并進行修改。

4 總結(jié)

該系統(tǒng)方案可廣泛應(yīng)用于各種現(xiàn)場總線技術(shù)、移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能化管理技術(shù)，向用戶提供各種使用簡便、經(jīng)濟實用、運行可靠的分布式智能單元、智能網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)智能管理軟件，為用戶實現(xiàn)企業(yè)配電智能化提供全方位高性價比的綜合解決方案和智能管理手段，是自主創(chuàng)新、達到國際先進水平的智能配電系統(tǒng)。