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電網(wǎng)用戶側智能電力監(jiān)控系統(tǒng)拓撲結構的設計
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)絡拓撲結構為核心，分析了網(wǎng)絡拓撲結構的選型，以及智能電力監(jiān)控系統(tǒng)功能和性能指標。
關鍵詞：電網(wǎng)用戶側 Acrel-2000智能電力監(jiān)控系統(tǒng)拓撲結構 設計
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運而生的產(chǎn)物，已經(jīng)被廣泛應用于電網(wǎng)用戶側樓宇、體育場館、科研設施、機場、交通、醫(yī)院、電力和石化行業(yè)等諸多領域的高/低壓變配電系統(tǒng)中。例如，隨著信息技術的發(fā)展，智能建筑已成為城市現(xiàn)代化、信息化的重要標志。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)進行綜合控制管理的統(tǒng)一體，它以計算機局域網(wǎng)絡為通信基礎，用于設備運行管理、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*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)對高壓開關柜、低壓開關柜、應急發(fā)電機組、電力變壓器和EPS/UPS/ATS 等的工作狀態(tài)進行監(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、頻率和電流開關狀態(tài)等各項參數(shù)實現(xiàn)監(jiān)測，當參數(shù)值超出允許的范圍時便產(chǎn)生預警、報警，并對相關設備進行控制。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)絡拓撲的結構
智能電力監(jiān)控系統(tǒng)是由智能測控裝置、網(wǎng)絡設備及計算機設備等互聯(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，可采取不同的拓撲結構。但是無論采取何種拓撲結構都是采用了“站控管理層——網(wǎng)絡通訊層——現(xiàn)場設備層”的分層分布式設計思想。這種分層設計，符合當前通訊體系設計實現(xiàn)的標準，在每層都能相對地完成監(jiān)視控制功能，即可以實現(xiàn)遠方的監(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)絡拓撲結構如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖
各個結構層的具體形式如下：
（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)的后臺主機等相關外設。負責將通訊間隔層上傳的數(shù)據(jù)解包，進行集中管理和分析，執(zhí)行相關操作，負責整個變配電系統(tǒng)的整體監(jiān)控。智能電力監(jiān)控系統(tǒng)提供的通訊功能模塊，通過的以太網(wǎng)硬件通訊接口，以OPC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)絡通訊層）
采用通訊管理機，負責與現(xiàn)場設備層的各類裝置進行通訊，采集各類裝置的數(shù)據(jù)、參數(shù)，進行處理后集中打包傳輸?shù)街髡緦樱瑫r作為中轉單元，接受主站層下發(fā)的指令，轉發(fā)給現(xiàn)場設備層各類裝置。
（3）現(xiàn)場設備層
位于中低壓變配電現(xiàn)場，具體包括：微機保護裝置、多功能儀表、直流屏、溫濕控制器、電動機保護器等。負責采集電力現(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)絡拓撲結構的選型
在智能變配電系統(tǒng)設計時，需要準確判斷網(wǎng)絡拓撲結構，對網(wǎng)絡設備正確選擇。系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、實時性等方面的性能與網(wǎng)絡拓撲結構有著密切的關系。
3.1 整體要求
智能電力監(jiān)控系統(tǒng)的拓撲結構雖然可以統(tǒng)一為三層結構，但是對整體網(wǎng)絡結構及分層細節(jié)設計十分重要，設計選型過程會受到諸多因素的制約。因此，網(wǎng)絡結構選型是設計院、用戶及系統(tǒng)集成商進行決策的重點環(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)絡結構選型需要考慮系統(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)進行集中實時監(jiān)測和自動采集、記錄，不具備遠程操作等控制功能。
（2）控制型
包括監(jiān)視型的全部功能，同時可以人工對設備進行遠程控制、參數(shù)設置。
包括監(jiān)視型的全部功能，同時可以人工對設備進行遠程控制、參數(shù)設置。
（3）自動型
包括控制型的全部功能，同時可以進行設備節(jié)能運行控制、邏輯控制、順序控制等。
（4）復合型
上述功能與用戶特殊需求的組合。系統(tǒng)功能的復雜性越高，對網(wǎng)絡結構與系統(tǒng)處理能力的要求越高，主要體現(xiàn)在對拓撲結構的冗余設計、設備數(shù)量、設備型號、現(xiàn)場總線的選擇上。
上述功能與用戶特殊需求的組合。系統(tǒng)功能的復雜性越高，對網(wǎng)絡結構與系統(tǒng)處理能力的要求越高，主要體現(xiàn)在對拓撲結構的冗余設計、設備數(shù)量、設備型號、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)絡拓撲結構的首要因素。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)的可擴展性，但是應避免設計余量過大，造成項目投資過大，帶來不必要的浪費。設計前對項目進行深入的了解，考察項目的一次設備分布、距離間隔與設備數(shù)量。一次設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)。項目整體設備數(shù)量與子站數(shù)量是確定主站層結構的依據(jù)。典型的系統(tǒng)結構有集中監(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，擁有強大且性能*的實時數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。網(wǎng)絡結構設計的目的是滿足用戶運行維護的需求，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性高、可靠性好、實時性強。對拓撲結構的設計方法主要有：冗余設計、計算機設備數(shù)量的選擇、設備型號的選配。
電力監(jiān)控軟件多采用C/S 結構，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)絡可采用雙以太網(wǎng)、雙主機、雙通訊機等冗余技術。這些技術對系統(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。
冗余技術包括網(wǎng)絡冗余、數(shù)據(jù)庫冗余、通訊冗余等。冗余設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，還需要計算機設備或網(wǎng)絡設備的支持。主站層的配置方式有：單主機、單通訊機、雙主機、雙通訊機及功能的組合。對于上述冗余方式，對配置兩臺及以上計算機的項目可以引入網(wǎng)絡冗余，以提高網(wǎng)絡的可靠性，每臺計算機需要配置雙網(wǎng)卡，需配置兩臺以太網(wǎng)交換機。
3.3 通訊間隔層設計
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)場設備層，是影響整體拓撲結構的關鍵環(huán)節(jié)，是智能配電系統(tǒng)運行的紐帶。智能監(jiān)控設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)絡上傳至主站，各通訊子站接收來自主站的遠程控制命令對該變配電站相應的配電設備進行控制。
目前通訊間隔層的上行網(wǎng)絡極大多數(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，在有特殊設備要求的情況下采用PROFIBUS 網(wǎng)絡（如采用SIEMENS 的PLC 作為通訊子站）。
通訊間隔層的下行網(wǎng)絡目前極大多數(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)場智能設備太少，目前只應用于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)控的一次設備地理分布密切相關，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鍵設備，根據(jù)項目的不同要求可采取不同的設備類型，目前，比較流行的方式：工控機、HMI 、PLC 、串口服務器等。
3.4 現(xiàn)場設備層設計
現(xiàn)場設備層位于中低壓變配電現(xiàn)場，具體包括：中壓繼電保護裝置、現(xiàn)場I/O 、智能電力儀表、PLC 、溫控儀、UPS 、EPS 、ATS 、直流屏、發(fā)電機等智能監(jiān)控設備。負責采集電力現(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)絡管理系統(tǒng)功能
智能電力監(jiān)控系統(tǒng)應具有完善的網(wǎng)絡管理功能，網(wǎng)絡的拓撲結構自上而下呈金字塔結構，越向下網(wǎng)絡結構越復雜，設備種類越多，設備數(shù)量越大，越難于管理與維護。安科瑞（Acrel）公司開發(fā)的Acrel-2000電力監(jiān)控系統(tǒng)具有強大、*的網(wǎng)絡管理子系統(tǒng)，把供配電系統(tǒng)的運行設備和運行狀態(tài)置于毫秒級、周波級的連續(xù)的監(jiān)視控制中。
a、友好的人機交互界面（HMI）
標準的變配電系統(tǒng)具有CAD一次單線圖顯示中、低壓配電網(wǎng)絡的接線情況；龐大的系統(tǒng)具有多畫面切換及畫面導航的功能；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)場設備的各電參量及開關量狀態(tài)（包括三相電壓、電流、功率、功率因數(shù)、頻率、電能、溫度、開關位置、設備運行狀態(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、負荷zui大值、功率因數(shù)上下限等），并對重要的信息量進行數(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)用相關回路實時曲線界面分析該回路當前的負荷運行狀況。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)絡進行質量分析。
e、報表管理
系統(tǒng)具有標準的電能報表格式并可根據(jù)用戶需求設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)復費率的時段及費率的設定值生成電能的費率報表，查詢打印的起點、間隔等參數(shù)可自行設置；系統(tǒng)設計還可根據(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、開關變位、參量越限及其它用戶實際需求的事件均具有詳細的記錄功能，包括事件發(fā)生的時間位置，當前值班人員事件是否確認等信息，對開關變位、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”功能。
l 遙信：實時對開關運行狀態(tài)、保護工作等開關量進行監(jiān)視。計算機實時顯示和自動報警。
l 遙控：通過計算機屏幕選擇相應的站號、開關號、合/分閘等信息，并在屏幕上將選擇的開關狀態(tài)反饋出來，確認后執(zhí)行，實時記錄操作時間、類型、合開關號等。
l 遙測：通過計算機實時對系統(tǒng)電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、超限報警、頻率進行不斷地采集、分析、處理、記錄、顯示曲線、棒圖，自動生成報表。
l 遙調(diào)：用于有載變壓器的調(diào)壓升/降。
l 遙設：用于遠方修改分散繼電保護裝置的定值、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
| 序號 | 內(nèi) 容 | 指標 | 序號 | 內(nèi) 容 | 指標 |
| 1 | 事件記錄正確率 | ≥99.9% | 8 | 事故時遙信變位傳送時間 | ≤1s |
| 2 | 遙信正確率 | * | 9 | 事故推畫面時間 | ＜2s |
| 3 | 遙控正確率 | * | 10 | 遙信變位 | ＜1s |
| 4 | 遙調(diào)正確率 | * | 11 | 遙控過程完成 | ＜3s |
| 5 | 遙測正確率 | ≥99.9% | 12 | 模擬量測量綜合誤差 | ＜0.5% |
| 6 | 重要遙測更新周期 | ＜2s | 13 | 電網(wǎng)頻率測量誤差 | ＜0.01Hz |
| 7 | 一般遙測更新周期 | ＜3s | | | |
6 結束語
本文以Acrel-2000智能電力監(jiān)控系統(tǒng)的三層網(wǎng)絡拓撲結構為核心，分析了網(wǎng)絡拓撲結構的選型，以及Acrel-2000電力監(jiān)控系統(tǒng)的功能和性能指標。在電力監(jiān)控系統(tǒng)中，配置網(wǎng)絡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)場的用電設備進行統(tǒng)一管理，免去工作人員到現(xiàn)場記錄的繁瑣工作，系統(tǒng)對各種用電設備的歷史運行數(shù)據(jù)和狀態(tài)進行管理分析，便于維護人員明確設備狀況，制定詳細的設備維護計劃，減少工作人員，提率。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：
[1]上海安科瑞電氣股份有限公司產(chǎn)品手冊.2010.08版.
[2]上海浦元自動化科技有限公司產(chǎn)品手冊.
[3]《智能建筑設計標準》GB/T50314-2000 2
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