【解決方案】在太陽能電池工廠中電力監控系統的研究與分析

 

未曉妃

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

0 引 言

  隨著計算機技術、網絡技術、工業控制技術的不斷發展，越來越多的用戶開始重視智能化電力監控系統的建設，近幾年電力監控系統給人們帶來的節省人力成本、提高工作效率、提高生產安全可靠性等諸多優點得到了業內人士的一致認同。太陽能電池工廠生產工藝復雜，動力配套設施龐大，對供配電系統的可靠性、安全性、實時性、易用性、兼容性及無人值守、縮小故障影響范圍提出更高的要求；同時，太陽能電池工廠還具有高能耗的特點，對能源管理也有較高要求。所以，電力監控系統顯得尤為重要。本文結合某大型太陽能電池工廠一期變電站工程的工作，簡要介紹該工程電力監控系統的實施情況。
  該工程全廠占地面積4.8萬m²,建筑面積19.2萬m²,主要建筑為主廠房和綜合動力站及若干輔助建筑物，主廠房長400m,寬90m,共四層；綜合動力站長90 m,寬45m,共二層；全廠用電設備裝設容量29.8 MW。一期工程在主廠房和綜合動力站內共設置6個變電站，其中1號站、2號站、3號站在主廠房一層。變電站主要設備有26臺10 kV開關柜、14臺變壓器、99臺0.4 kV配電柜、3套直流屏、2臺柴油發電機組等，各變電站內均為后期工程預留足夠設備安裝位置。

1電力監控系統架構
  變電站內主要設備均納入電力監控系統范圍，該工程在綜合動力站一層設置有控制室，即電力監控系統的主站。電力監控系統子系統按變電站劃分為6個部分，分別建立各自的監控分站，管理就近的供配電設備，同時將這些分站的數據信號發送到建在控制室的主站監控中心，以便實現控制分散、管理集中、整體運行管理智能化的要求。各分站間采用光纖形成環型網絡結構，l號光纖、3號光纖、4號光纖、5號、6號光纖沿室內電纜橋架敷設，2號光纖沿埋地排管敷設，7號光纖沿室外電纜橋架敷設。全廠各分站網絡拓撲圖.如圖1所示。

  為了確保供配電系統運行安全可靠、管理高*，該工程采用可靠的綜合繼電保護產品、采取遠程終端技術、計算機技術、現場總線技術、電力管理軟件產品等形成“變電站PowerLogic電力監控系統”。整個系統的硬件和軟件設計都著眼于高可靠性、高實用和高擴展性，為實現變電站科學化、智能化管理提供了可靠的平臺。
  為了達到系統要求的功能綜合化、測量顯示數字化、操作監視屏幕化、運行管理智能化，設計為每個監控站采集10 kV高壓系統的電源電壓、電流、頻率、有功電度、無功電度及開關運行、故障狀態；監測變壓器的溫度狀態；以及0.4 kV低壓配電系統的電源電壓、電流、功率因數、各總斷路器及聯絡開關的運行及故障跳閘狀態，遠程分合閘控制；同時實時檢測站內直流屏設備的運行情況；監測柴油發電機組發電機組運行，監測電流、電壓、頻率、功率因數及轉速、溫度、油壓等狀態。
2系統功能
（1）記錄包括：遙測超越記錄、遙信記錄、事件順序記錄、具有自動投切設備的投停記錄、柴油發電機組起動、停止記錄；操作記錄。

（2）事件順序記錄：事故發生時，在比較高的時間精度記錄下發生位置、設備編號、時間、動作保護名稱、故障參數、保護動作時刻。

（3）操作記錄：設備控制、設備編號、時間、性質、操作人、監護人；保護名稱、修改時間、操作人、監護人。
2.1人機界面設定
（1）電氣接線圖及實時數據畫面顯示：全廠供電系統圖、各變電站10 kV接線圖、直流屏接線

圖，0.4 kV接線圖。

（2）實時數據的各種報表、曲線等的顯示、各種參數的在線設置和修改、控制操作檢查和閉鎖。負荷趨勢見圖2。

圖2 負荷趨勢圖
（3）實時數據的調用菜單、引導圖、各種報表、畫面、表格等生成的工具俱全.1號站網絡拓撲圖如圖3所示

（4）報警：報警具有聲響、閃光、語言等方式。
2.2 操作控制功能

（1）10 kV系統：斷路器，負荷開關的分、合閘控制、主變壓器有載分接頭調節，操作防止誤閉領功能。

（2）0.4 kV系統：每臺變壓器低壓總進線斷路器、聯絡斷路器及重要斷路器的分、合閘控制及防誤操作閉鎖。

2.3數據統計和處理功能

（1）10 kV系統：對繼電保護中各種限值、運行狀態進行監視及報警處理、閉鎖和解除；直流電源狀態。

（2）對系統設備狀態監視；運行數據計算和統計、電量累加、分時統計，運行日報表、月報表、年報表統計，*大值、*小值、負荷率、各種事故的統計，歷史數據庫的顯示與存儲。
2.4 實時數據采集功能

（1）遙測實時數據：母線電壓、線路電流、功率、電度、變壓器溫度等。

（2）遙信包括斷路器的位置，柴油發電機狀態等。

（3）保護設備的狀態、動作記錄等數據。
3 系統網絡構成
  該工程電力監控系統由三層網絡構成：設備層，采用Modbus RS-485現場總線技術；通信管理層，實現通信協議的轉換及數據壓縮；監控管理層，即計算機監控層。
3.1 設備層

  采用Modbus RS-485現場總線，通訊介質采用多層屏蔽RS485雙絞線，傳輸帶寬可達38.4 kh/s,傳輸距離可達1200 m?，F場采集設備主要為施耐德SEPAM系列的綜保設備SEPAMS20、MT斷路器、多功能電力監測儀表以及直流屏、柴油發電機組通信模塊等，均帶有標準RS-485通信接口，并且都采用相同的Modbus通信協議，互相連接形成RS-485的總線網絡。在電力監控軟件上可以直接顯示出現場設備的運行狀況，從而達到了遠程監測、管理、控制的目的。

3.2通信管理層

  由工業以太網交換機、通信服務器、多串口服務器及通信設備柜等構成，它連接設備層和計算機監控管理層，進行數據的預處理、壓縮，通過10M/100M自適應以太網RJ45 UTP接口與計算機監控管理層連接。多中口服務器實現系統規模的擴充，16條串口實現*多512個現場智能設備的連接，隨時可將附屬的供配電設備信息接入本系統。通信服務器實現通信協議的高速轉換，同時壓縮數據，增加數據傳輸帶寬，提高數據吞吐量。工業以太網交換機支持多臺主機同時對其進行訪問，TCP/IP通信方式開放、靈活，便于靈活構成分布式監控系統。為分站和總站通信設備均配置UPS作為備用電源，提高系統可靠性。以上通信設備以及UPS電源、過電壓保護設備等一*化布置在通信設備柜內，整潔美觀。現場運行圖見圖4、圖5。

3.3計算機監控管理層

  由管理控制局域網以及監控主機和監控管理軟件構成。監控主機采用高性能、高可靠性、大容量存儲器的品牌計算機，配置大屏幕高分辨率顯示器，安裝中文Micrusoft Windows NT實時多任務操作系統，電力監控軟件采用電力監控組態軟件，它內置強大的圖形功能、數據顯示功能、報警功能、歷史數據記錄分析功能、報表功能等；內嵌編程語言，可以編制各種功能強大的智能管理軟件，實現用戶對配電系統的科學化、智能化管理的要求。

4系統特點

  系統特點如下：整體性能力很強，完整解決方案；科學管理，節約成本；結構合理、產品系統安全可靠；組網靈活，通用性強；操作簡單，免維護；接口規范，安全擴展；監控軟件具有良好的自診斷與自恢復功能。

5安科瑞Acrel-2000Z電力監控系統解決方案

5.1概述

  針對用戶變電站（一般為35kV及以下電壓等級），通過微機保護裝置、開關柜綜合測控裝置、電氣接點無線測溫產品、電能質量在線監測裝置、配電室環境監控設備、弧光保護裝置等設備組成綜合自動化的綜合監控系統，實現了變電、配電、用電的安全運行和全*管理。監控范圍包括用戶變電站、開閉所、變電所及配電室等。

  Acrel-2000Z電力監控系統是安科瑞電氣股份有限公司根據電力系統自動化及無人值守的要求，針對35kV及以下電壓等級研發出的一套分層分布式變電站監控管理系統。該系統是應用電力自動化技術、計算機技術、網絡技術和信息傳輸技術，集保護、監測、控制、通信等功能于一體的開放式、網絡化、單元化、組態化的系統，適用于35kV及以下電壓等級的城網、農網變電站和用戶變電站，可實現對變電站全*位的控制和管理，滿足變電站無人或少人值守的需求，為變電站安全、穩定、經濟運行提供了堅實的保障。

5.2應用場所

  適用于軌道交通，工業，建筑，學校，商業綜合體等35kV及以下用戶端供配電自動化系統工程設計、施工和運行維護。

5.3系統架構

  Acrel-2000Z電力監控系統采用分層分布式設計，可分為三層：站控管理層、網絡通信層和現場設備層，組網方式可為標準網絡結構、光纖星型網絡結構、光纖環網網絡結構，根據用戶用電規模、用電設備分布和占地面積等多方面的信息綜合考慮組網方式。

5.4系統功能

（1）實時監測：直觀顯示配電網的運行狀態，實時監測各回路電參數信息，動態監視各配電回路有關故障、告警等信號。

（2）電參量查詢：在配電一次圖中，可以直接查看該回路詳細電參量。

（3）曲線查詢：可以直接查看各電參量曲線。

（4）運行報表：查詢各回路或設備時間的運行參數。

（5）實時告警：具有實時告警功能，系統能夠對配電回路遙信變位，保護動作、事故跳閘等事件發出告警。

（6）歷史事件查詢：對事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

（7）電能統計報表：系統具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節點的用電情況。

（8）用戶權限管理：設置了用戶權限管理功能，可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限。

（9）網絡拓撲圖：支持實時監視并診斷各設備的通訊狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構。

（10）電能質量監測：可以對整個配電系統范圍內的電能質量和電能可靠性狀況進行持續性的監測。

（11） 遙控功能：可以對整個配電系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。

（12）故障錄波：可在系統發生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各種電氣量的變化情況。

（13） 事故追憶：可自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時穩態信息。

（14） Web訪問：展示頁面顯示變電站數量、變壓器數量、監測點位數量等概況信息，設備通信狀態，用電分析和事件記錄。

（15）APP訪問：設備數據頁面顯示各設備的電參量數據以及曲線。

6系統硬件配置

7結語

   該工程電力監控系統驗收投運后，實際運行情況達到預期效果，得到了使用方的滿意評價。其便利及實用性主要反映在以下幾個方面：工作人員可以方便和實時地監控電力系統的運行狀態，為優化電力設備運行提供了有效參考，對現場的用電設備進行統一管理，免去到現場記錄的繁瑣工作，效率提高，實現了無人值守智能變電站的目標；形成了一個基礎的能源管理系統，可以完成對能源數據進行在線的采集、計算、分析及處理從而實現對能源物料平衡、調度與優化、能源設備運行與管理等方面發揮著重要的作用；由于全廠工程龐大而分期實施，系統設計時為后期預留了充足的接口，使用方在后期實施的擴容工程中得到了很大的便利。

  該項目存在各變電站內部兩臺變壓器互相備用、變電站之間變壓器互相備用的情況，0.4 kV進線和母聯MT斷路器間互投關系復雜，在方案設計階段需要充分理解電力系統的運行方式，明確各斷路器間的投切邏輯關系，以指導硬件連接和軟件編寫。在電力系統正式投運前還進行了聯動調試進行驗證，這是該電力監控系統實施的難點。

  由于電力監控系統屬于智能化供配電系統的一部分，其集成度相當高，工程移交前編寫了用戶操作手冊，并組織使用人員進行了3天的理論培訓和上機培訓，對疑點、難點進行了詳細的講解，讓使用人員對電力監控系統的操作有了深入了解的同時，也使該系統在以后的運行中功能得到充分利用奠定了基礎。

參考文獻：

[1] GB50052-2009供配電系統設計規范[S].

[2] DL/T5003-2005電力系統調度自動化設計技術規程[S].

[3] IEC870-5-101遠動設備及系統傳輸規約[S].

[4] IEC870-5-103繼電保護信息接口標準[S].

[5] 刁先強.楊志鋒.冉科.某大型太陽能電池工廠電力監控系統的實施

[6] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.05版.