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趙斌
上海安科瑞電氣股份有限公司 嘉定 201801
摘 要：本文以Acrel-2000智能電力監(jiān)控系統(tǒng)的三層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為核心，分析了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選型，以及智能電力監(jiān)控系統(tǒng)功能和性能指標(biāo)。
關(guān)鍵詞：電網(wǎng)用戶側(cè) Acrel-2000智能電力監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 設(shè)計
1 概述
智能電力監(jiān)控系統(tǒng)是數(shù)字化和信息化時代應(yīng)運而生的產(chǎn)物，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)用戶側(cè)樓宇、體育場館、科研設(shè)施、機(jī)場、交通、醫(yī)院、電力和石化行業(yè)等諸多領(lǐng)域的高/低壓變配電系統(tǒng)中。例如，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，智能建筑已成為城市現(xiàn)代化、信息化的重要標(biāo)志。智能建筑的組成通常有三個要素，即建筑物自動化系統(tǒng)（BAS）、通訊自動化系統(tǒng)（CAS）和辦公自動化系統(tǒng)（OAS）。BAS是對整個系統(tǒng)進(jìn)行綜合控制管理的統(tǒng)一體，它以計算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)為通信基礎(chǔ)，用于設(shè)備運行管理、數(shù)據(jù)采集和過程控制。智能電力監(jiān)控系統(tǒng)便是BAS中的一個重要組成部分，通過智能電力監(jiān)控系統(tǒng)可大大提高整個變配電系統(tǒng)的管理水平,方便地與其它BAS聯(lián)網(wǎng),構(gòu)成完整的樓宇自動化管理系統(tǒng)。因此，智能電力監(jiān)控系統(tǒng)是智能建筑必不可少的組成部分,可以說沒有智能電力監(jiān)控的建筑稱不上是智能建筑。
智能電力監(jiān)控系統(tǒng)對高壓開關(guān)柜、低壓開關(guān)柜、應(yīng)急發(fā)電機(jī)組、電力變壓器和EPS/UPS/ATS 等的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。通過實時記錄單相/三相電壓、單相/三相電流、功率、功率因數(shù)、電度、頻率和電流開關(guān)狀態(tài)等各項參數(shù)實現(xiàn)監(jiān)測，當(dāng)參數(shù)值超出允許的范圍時便產(chǎn)生預(yù)警、報警，并對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行控制。它以較少的投資，極大地提高了供配電系統(tǒng)的可靠性、安全性和自動化水平。
2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)
智能電力監(jiān)控系統(tǒng)是由智能測控裝置、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及計算機(jī)設(shè)備等互聯(lián)布局而成。系統(tǒng)因項目規(guī)模不同、功能性能不同、重要程度不同、用戶投資水平不同，可采取不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但是無論采取何種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都是采用了“站控管理層——網(wǎng)絡(luò)通訊層——現(xiàn)場設(shè)備層”的分層分布式設(shè)計思想。這種分層設(shè)計，符合當(dāng)前通訊體系設(shè)計實現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)，在每層都能相對地完成監(jiān)視控制功能，即可以實現(xiàn)遠(yuǎn)方的監(jiān)視控制，也能夠在上層故障時不影響本層和下一層的功能。Acrel-2000智能電力監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D
各個結(jié)構(gòu)層的具體形式如下：
�。�1）主站層（站控管理層）
位于監(jiān)控室內(nèi)，具體包括：安裝有智能電力監(jiān)控系統(tǒng)的后臺主機(jī)等相關(guān)外設(shè)。負(fù)責(zé)將通訊間隔層上傳的數(shù)據(jù)解包，進(jìn)行集中管理和分析，執(zhí)行相關(guān)操作，負(fù)責(zé)整個變配電系統(tǒng)的整體監(jiān)控。智能電力監(jiān)控系統(tǒng)提供專用的通訊功能模塊，通過專用的以太網(wǎng)硬件通訊接口，以O(shè)PC方式或其它通訊協(xié)議向上一級系統(tǒng)（如：BAS 、DCS 或調(diào)度系統(tǒng)）發(fā)送相關(guān)的數(shù)據(jù)和信息，實現(xiàn)系統(tǒng)的集成。
（2）通訊間隔層（網(wǎng)絡(luò)通訊層）
采用通訊管理機(jī)，負(fù)責(zé)與現(xiàn)場設(shè)備層的各類裝置進(jìn)行通訊，采集各類裝置的數(shù)據(jù)、參數(shù)，進(jìn)行處理后集中打包傳輸?shù)街髡緦�，同時作為中轉(zhuǎn)單元，接受主站層下發(fā)的指令，轉(zhuǎn)發(fā)給現(xiàn)場設(shè)備層各類裝置。
�。�3）現(xiàn)場設(shè)備層
位于中低壓變配電現(xiàn)場，具體包括：微機(jī)保護(hù)裝置、多功能儀表、直流屏、溫濕控制器、電動機(jī)保護(hù)器等。負(fù)責(zé)采集電力現(xiàn)場的各類數(shù)據(jù)和信息狀態(tài)，發(fā)送給通訊間隔層，同時也作為執(zhí)行單元，執(zhí)行通訊間隔層下發(fā)的各類指令。
3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選型
在智能變配電系統(tǒng)設(shè)計時，需要準(zhǔn)確判斷網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備正確選擇。系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、實時性等方面的性能與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。
3.1 整體要求
智能電力監(jiān)控系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然可以統(tǒng)一為三層結(jié)構(gòu)，但是對整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及分層細(xì)節(jié)設(shè)計十分重要，設(shè)計選型過程會受到諸多因素的制約。因此，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選型是設(shè)計院、用戶及系統(tǒng)集成商進(jìn)行決策的重點環(huán)節(jié)，將對項目的整體報價與系統(tǒng)性能產(chǎn)生很大的影響。
網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選型需要考慮系統(tǒng)功能、項目規(guī)模等因素。
3.1.1系統(tǒng)功能的要求
智能變配電系統(tǒng)按功能可劃分為以下幾種：
�。�1）監(jiān)視型
只監(jiān)視不控制。只對系統(tǒng)的運行、故障狀態(tài)和運行參數(shù)進(jìn)行集中實時監(jiān)測和自動采集、記錄，不具備遠(yuǎn)程操作等控制功能。
�。�2）控制型
包括監(jiān)視型的全部功能，同時可以人工對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、參數(shù)設(shè)置。
�。�3）自動型
包括控制型的全部功能，同時可以進(jìn)行設(shè)備節(jié)能運行控制、邏輯控制、順序控制等。
�。�4）復(fù)合型
上述功能與用戶特殊需求的組合。系統(tǒng)功能的復(fù)雜性越高，對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)處理能力的要求越高，主要體現(xiàn)在對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的冗余設(shè)計、設(shè)備數(shù)量、設(shè)備型號、現(xiàn)場總線的選擇上。
3.1.2項目規(guī)模的要求
在不考慮其它因素的前提下，項目規(guī)模往往是確定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的首要因素。智能電力監(jiān)控系統(tǒng)首先要滿足系統(tǒng)的基本運行要求，還需滿足系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，但是應(yīng)避免設(shè)計余量過大，造成項目投資過大，帶來不必要的浪費。設(shè)計前對項目進(jìn)行深入的了解，考察項目的一次設(shè)備分布、距離間隔與設(shè)備數(shù)量。一次設(shè)備分布及距離間隔是確定通訊間隔層通訊子站數(shù)量的依據(jù)，一個子區(qū)域的設(shè)備數(shù)量是確定通訊子站類型及通訊接口的依據(jù)。項目整體設(shè)備數(shù)量與子站數(shù)量是確定主站層結(jié)構(gòu)的依據(jù)。典型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有集中監(jiān)控系統(tǒng)模式，區(qū)域供電集中監(jiān)控系統(tǒng)模式以及光纖自愈環(huán)網(wǎng)集中監(jiān)控模式。如圖2是區(qū)域供電集中監(jiān)控系統(tǒng)模式的示意圖。
圖2 電力智能監(jiān)控系統(tǒng)的區(qū)域供電集中監(jiān)控模式
3.2 主站層設(shè)計
智能電力監(jiān)控系統(tǒng)的主站用于運行專業(yè)化的電力監(jiān)控軟件，擁有強(qiáng)大且性能優(yōu)越的實時數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的是滿足用戶運行維護(hù)的需求，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性高、可靠性好、實時性強(qiáng)。對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計方法主要有：冗余設(shè)計、計算機(jī)設(shè)備數(shù)量的選擇、設(shè)備型號的選配。
電力監(jiān)控軟件多采用C/S 結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)功能可根據(jù)需要集中布局或分布布局，主站層網(wǎng)絡(luò)可采用雙以太網(wǎng)、雙主機(jī)、雙通訊機(jī)等冗余技術(shù)。這些技術(shù)對系統(tǒng)的性能影響較大，同時對系統(tǒng)的造價也產(chǎn)生很大的影響。
冗余技術(shù)包括網(wǎng)絡(luò)冗余、數(shù)據(jù)庫冗余、通訊冗余等。冗余設(shè)計的目的在于提高系統(tǒng)的可靠性，從而提高系統(tǒng)的性能。冗余設(shè)計首先需要監(jiān)控軟件支持冗余運行及動態(tài)快速切換，還需要計算機(jī)設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的支持。主站層的配置方式有：單主機(jī)、單通訊機(jī)、雙主機(jī)、雙通訊機(jī)及功能的組合。對于上述冗余方式，對配置兩臺及以上計算機(jī)的項目可以引入網(wǎng)絡(luò)冗余，以提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，每臺計算機(jī)需要配置雙網(wǎng)卡，需配置兩臺以太網(wǎng)交換機(jī)。
3.3 通訊間隔層設(shè)計
通訊間隔層處于通訊樞紐的地位，向上連接主站層，向下貫通現(xiàn)場設(shè)備層，是影響整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是智能配電系統(tǒng)運行的紐帶。智能監(jiān)控設(shè)備的信息通過通訊總線送到通訊間隔層通訊子站，然后將采集的所有運行/故障狀態(tài)信號和運行參數(shù)等信息通過通訊網(wǎng)絡(luò)上傳至主站，各通訊子站接收來自主站的遠(yuǎn)程控制命令對該變配電站相應(yīng)的配電設(shè)備進(jìn)行控制。
目前通訊間隔層的上行網(wǎng)絡(luò)極大多數(shù)采用以太網(wǎng)方式，極特殊情況下受通訊條件的限制采用串行通訊方式，在有特殊設(shè)備要求的情況下采用PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)（如采用SIEMENS 的PLC 作為通訊子站）。
通訊間隔層的下行網(wǎng)絡(luò)目前極大多數(shù)采用現(xiàn)場總線方式，智能配電系統(tǒng)常用的現(xiàn)場總線有RS232 、RS422 、RS485 、CANBUS 、MODBUS 、PROFIBUS 等，現(xiàn)場總線方式由選擇的現(xiàn)場智能儀表或第三方智能設(shè)備確定。以太網(wǎng)方式是未來的發(fā)展趨勢，但是支持的現(xiàn)場智能設(shè)備太少，目前只應(yīng)用于110kV 及以上電壓等級的高壓變電站內(nèi)。
通訊間隔層通訊子站的數(shù)量與監(jiān)控的一次設(shè)備地理分布密切相關(guān)，一般采取就近監(jiān)控的原則，還需考慮子站的通訊容量、用戶投資成本來綜合確定。通訊間隔層的通訊子站是該層的關(guān)鍵設(shè)備，根據(jù)項目的不同要求可采取不同的設(shè)備類型，目前，比較流行的方式：工控機(jī)、HMI 、PLC 、串口服務(wù)器等。
3.4 現(xiàn)場設(shè)備層設(shè)計
現(xiàn)場設(shè)備層位于中低壓變配電現(xiàn)場，具體包括：中壓繼電保護(hù)裝置、現(xiàn)場I/O 、智能電力儀表、PLC 、溫控儀、UPS 、EPS 、ATS 、直流屏、發(fā)電機(jī)等智能監(jiān)控設(shè)備。負(fù)責(zé)采集電力現(xiàn)場的各類數(shù)據(jù)和信息狀態(tài)，發(fā)送給通訊間隔層，同時也作為執(zhí)行單元，執(zhí)行通訊間隔層下發(fā)的各類指令。
4 網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)功能
智能電力監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具有完善的網(wǎng)絡(luò)管理功能，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)自上而下呈金字塔結(jié)構(gòu)，越向下網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，設(shè)備種類越多，設(shè)備數(shù)量越大，越難于管理與維護(hù)。安科瑞（Acrel）公司開發(fā)的Acrel-2000電力監(jiān)控系統(tǒng)具有強(qiáng)大、先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)管理子系統(tǒng)，把供配電系統(tǒng)的運行設(shè)備和運行狀態(tài)置于毫秒級、周波級的連續(xù)精確的監(jiān)視控制中。
a、友好的人機(jī)交互界面（HMI）
標(biāo)準(zhǔn)的變配電系統(tǒng)具有CAD一次單線圖顯示中、低壓配電網(wǎng)絡(luò)的接線情況；龐大的系統(tǒng)具有多畫面切換及畫面導(dǎo)航的功能；分散的配電系統(tǒng)具有空間地理平面的系統(tǒng)主畫面。主畫面可直觀顯示各回路的運行狀態(tài)，并具有回路帶電、非帶電及故障著色的功能。主要電參量直接顯示于人機(jī)交互界面并實時刷新。
b、用戶管理
本軟件可對不同級別的用戶賦予不同權(quán)限，從而保證系統(tǒng)在運行過程中的安全性和可靠性。如對某重要回路的合/分閘操作，需操作員級用戶輸入操作口令外，還需工程師級用戶輸入確認(rèn)口令后方可完成該操作。
c、數(shù)據(jù)采集處理
Acrel-2000型電力監(jiān)控系統(tǒng)可實時和定時采集現(xiàn)場設(shè)備的各電參量及開關(guān)量狀態(tài)（包括三相電壓、電流、功率、功率因數(shù)、頻率、電能、溫度、開關(guān)位置、設(shè)備運行狀態(tài)等），將采集到的數(shù)據(jù)或直接顯示、或通過統(tǒng)計計算生成新的直觀的數(shù)據(jù)信息再顯示（總系統(tǒng)功率、負(fù)荷最大值、功率因數(shù)上下限等），并對重要的信息量進(jìn)行數(shù)據(jù)庫存儲。
d、趨勢曲線分析
系統(tǒng)提供了實時曲線和歷史趨勢兩種曲線分析界面，通過調(diào)用相關(guān)回路實時曲線界面分析該回路當(dāng)前的負(fù)荷運行狀況。如通過調(diào)用某配出回路的實時曲線可分析該回路的電氣設(shè)備所引起的信號波動情況。系統(tǒng)的歷史趨勢即系統(tǒng)對所有已存儲數(shù)據(jù)均可查看其歷史趨勢，方便工程人員對監(jiān)測的配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行質(zhì)量分析。
e、報表管理
系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)的電能報表格式并可根據(jù)用戶需求設(shè)計符合其需要的報表格式，系統(tǒng)可自動統(tǒng)計。可自動生成各種類型的實時運行報表、歷史報表、事件故障及告警記錄報表、操作記錄報表等，可以查詢和打印系統(tǒng)記錄的所有數(shù)據(jù)值，自動生成電能的日、月、季、年度報表，根據(jù)復(fù)費率的時段及費率的設(shè)定值生成電能的費率報表，查詢打印的起點、間隔等參數(shù)可自行設(shè)置；系統(tǒng)設(shè)計還可根據(jù)用戶需求量身定制滿足不同要求的報表輸出功能。
f、事件記錄和故障報警
系統(tǒng)對所有用戶操作、開關(guān)變位、參量越限及其它用戶實際需求的事件均具有詳細(xì)的記錄功能，包括事件發(fā)生的時間位置，當(dāng)前值班人員事件是否確認(rèn)等信息，對開關(guān)變位、參量越限等信息還具有聲音報警功能，同時自動對運行設(shè)備發(fā)送控制指令或提示值班人員迅速排除故障。
g、五遙功能
Acrel-2000型電力監(jiān)控系統(tǒng)不僅能實現(xiàn)常規(guī)的“遙信”、“遙控”、“遙測”、“遙調(diào)”功能，還可以實現(xiàn)“遙設(shè)”功能。
遙信：實時對開關(guān)運行狀態(tài)、保護(hù)工作等開關(guān)量進(jìn)行監(jiān)視。計算機(jī)實時顯示和自動報警。
遙控：通過計算機(jī)屏幕選擇相應(yīng)的站號、開關(guān)號、合/分閘等信息，并在屏幕上將選擇的開關(guān)狀態(tài)反饋出來，確認(rèn)后執(zhí)行，實時記錄操作時間、類型、合開關(guān)號等。
遙測：通過計算機(jī)實時對系統(tǒng)電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、超限報警、頻率進(jìn)行不斷地采集、分析、處理、記錄、顯示曲線、棒圖，自動生成報表。
遙調(diào)：用于有載變壓器的調(diào)壓升/降。
遙設(shè)：用于遠(yuǎn)方修改分散繼電保護(hù)裝置的定值、控制字；以及調(diào)整各種儀表的工作狀態(tài)。
5 系統(tǒng)的性能指標(biāo)
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序號 |
內(nèi) 容 |
指標(biāo) |
序號 |
內(nèi) 容 |
指標(biāo) |
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1 |
事件記錄正確率 |
≥99.9% |
8 |
事故時遙信變位傳送時間 |
≤1s |
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2 |
遙信正確率 |
100% |
9 |
事故推畫面時間 |
＜2s |
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3 |
遙控正確率 |
100% |
10 |
遙信變位 |
＜1s |
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4 |
遙調(diào)正確率 |
100% |
11 |
遙控過程完成 |
＜3s |
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5 |
遙測正確率 |
≥99.9% |
12 |
模擬量測量綜合誤差 |
＜0.5% |
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6 |
重要遙測更新周期 |
＜2s |
13 |
電網(wǎng)頻率測量誤差 |
＜0.01Hz |
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7 |
一般遙測更新周期 |
＜3s |
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6 結(jié)束語
本文以Acrel-2000智能電力監(jiān)控系統(tǒng)的三層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為核心，分析了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選型，以及Acrel-2000電力監(jiān)控系統(tǒng)的功能和性能指標(biāo)。在電力監(jiān)控系統(tǒng)中，配置網(wǎng)絡(luò)電力儀表具有實施簡明、投資少等顯著優(yōu)點，可以方便和實時地監(jiān)控配電系統(tǒng)的運行狀態(tài)，對現(xiàn)場的用電設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理，免去工作人員到現(xiàn)場記錄的繁瑣工作，系統(tǒng)對各種用電設(shè)備的歷史運行數(shù)據(jù)和狀態(tài)進(jìn)行管理分析，便于維護(hù)人員明確設(shè)備狀況，制定詳細(xì)的設(shè)備維護(hù)計劃，減少工作人員，提高效率。同時，根據(jù)建立的電能計量體系，可以了解、分析建筑總體能耗，提出降耗計劃，采取節(jié)能降耗措施，逐步提高用電效率。
參考文獻(xiàn)：
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[2]上海浦元自動化科技有限公司產(chǎn)品手冊.
[3]《智能建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50314-2000 2
作者簡介：趙斌，男，本科，上海安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能電力監(jiān)控與電能管理系統(tǒng)，Email: acrelsh@126.com 手機(jī)：13917437076
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