【解决方案】在太阳能电池工厂中电力监控系统的研究与分析

 

未晓妃

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

0 引 言

  随着计算机技术、网络技术、工业控制技术的不断发展，越来越多的用户开始重视智能化电力监控系统的建设，近几年电力监控系统给人们带来的节省人力成本、提高工作效率、提高生产安全可靠性等诸多优点得到了业内人士的一致认同。太阳能电池工厂生产工艺复杂，动力配套设施庞大，对供配电系统的可靠性、安全性、实时性、易用性、兼容性及无人值守、缩小故障影响范围提出更高的要求；同时，太阳能电池工厂还具有高能耗的特点，对能源管理也有较高要求。所以，电力监控系统显得尤为重要。本文结合某大型太阳能电池工厂一期变电站工程的工作，简要介绍该工程电力监控系统的实施情况。
  该工程全厂占地面积4.8万m²,建筑面积19.2万m²,主要建筑为主厂房和综合动力站及若干辅助建筑物，主厂房长400m,宽90m,共四层；综合动力站长90 m,宽45m,共二层；全厂用电设备装设容量29.8 MW。一期工程在主厂房和综合动力站内共设置6个变电站，其中1号站、2号站、3号站在主厂房一层。变电站主要设备有26台10 kV开关柜、14台变压器、99台0.4 kV配电柜、3套直流屏、2台柴油发电机组等，各变电站内均为后期工程预留足够设备安装位置。

1电力监控系统架构
  变电站内主要设备均纳入电力监控系统范围，该工程在综合动力站一层设置有控制室，即电力监控系统的主站。电力监控系统子系统按变电站划分为6个部分，分别建立各自的监控分站，管理就近的供配电设备，同时将这些分站的数据信号发送到建在控制室的主站监控中心，以便实现控制分散、管理集中、整体运行管理智能化的要求。各分站间采用光纤形成环型网络结构，l号光纤、3号光纤、4号光纤、5号、6号光纤沿室内电缆桥架敷设，2号光纤沿埋地排管敷设，7号光纤沿室外电缆桥架敷设。全厂各分站网络拓扑图.如图1所示。

  为了确保供配电系统运行安全可靠、管理高*，该工程采用可靠的综合继电保护产品、采取远程终端技术、计算机技术、现场总线技术、电力管理软件产品等形成“变电站PowerLogic电力监控系统”。整个系统的硬件和软件设计都着眼于高可靠性、高实用和高扩展性，为实现变电站科学化、智能化管理提供了可靠的平台。
  为了达到系统要求的功能综合化、测量显示数字化、操作监视屏幕化、运行管理智能化，设计为每个监控站采集10 kV高压系统的电源电压、电流、频率、有功电度、无功电度及开关运行、故障状态；监测变压器的温度状态；以及0.4 kV低压配电系统的电源电压、电流、功率因数、各总断路器及联络开关的运行及故障跳闸状态，远程分合闸控制；同时实时检测站内直流屏设备的运行情况；监测柴油发电机组发电机组运行，监测电流、电压、频率、功率因数及转速、温度、油压等状态。
2系统功能
（1）记录包括：遥测超越记录、遥信记录、事件顺序记录、具有自动投切设备的投停记录、柴油发电机组起动、停止记录；操作记录。

（2）事件顺序记录：事故发生时，在比较高的时间精度记录下发生位置、设备编号、时间、动作保护名称、故障参数、保护动作时刻。

（3）操作记录：设备控制、设备编号、时间、性质、操作人、监护人；保护名称、修改时间、操作人、监护人。
2.1人机界面设定
（1）电气接线图及实时数据画面显示：全厂供电系统图、各变电站10 kV接线图、直流屏接线

图，0.4 kV接线图。

（2）实时数据的各种报表、曲线等的显示、各种参数的在线设置和修改、控制操作检查和闭锁。负荷趋势见图2。

图2 负荷趋势图
（3）实时数据的调用菜单、引导图、各种报表、画面、表格等生成的工具俱全.1号站网络拓扑图如图3所示

（4）报警：报警具有声响、闪光、语言等方式。
2.2 操作控制功能

（1）10 kV系统：断路器，负荷开关的分、合闸控制、主变压器有载分接头调节，操作防止误闭领功能。

（2）0.4 kV系统：每台变压器低压总进线断路器、联络断路器及重要断路器的分、合闸控制及防误操作闭锁。

2.3数据统计和处理功能

（1）10 kV系统：对继电保护中各种限值、运行状态进行监视及报警处理、闭锁和解除；直流电源状态。

（2）对系统设备状态监视；运行数据计算和统计、电量累加、分时统计，运行日报表、月报表、年报表统计，*大值、*小值、负荷率、各种事故的统计，历史数据库的显示与存储。
2.4 实时数据采集功能

（1）遥测实时数据：母线电压、线路电流、功率、电度、变压器温度等。

（2）遥信包括断路器的位置，柴油发电机状态等。

（3）保护设备的状态、动作记录等数据。
3 系统网络构成
  该工程电力监控系统由三层网络构成：设备层，采用Modbus RS-485现场总线技术；通信管理层，实现通信协议的转换及数据压缩；监控管理层，即计算机监控层。
3.1 设备层

  采用Modbus RS-485现场总线，通讯介质采用多层屏蔽RS485双绞线，传输带宽可达38.4 kh/s,传输距离可达1200 m。现场采集设备主要为施耐德SEPAM系列的综保设备SEPAMS20、MT断路器、多功能电力监测仪表以及直流屏、柴油发电机组通信模块等，均带有标准RS-485通信接口，并且都采用相同的Modbus通信协议，互相连接形成RS-485的总线网络。在电力监控软件上可以直接显示出现场设备的运行状况，从而达到了远程监测、管理、控制的目的。

3.2通信管理层

  由工业以太网交换机、通信服务器、多串口服务器及通信设备柜等构成，它连接设备层和计算机监控管理层，进行数据的预处理、压缩，通过10M/100M自适应以太网RJ45 UTP接口与计算机监控管理层连接。多中口服务器实现系统规模的扩充，16条串口实现*多512个现场智能设备的连接，随时可将附属的供配电设备信息接入本系统。通信服务器实现通信协议的高速转换，同时压缩数据，增加数据传输带宽，提高数据吞吐量。工业以太网交换机支持多台主机同时对其进行访问，TCP/IP通信方式开放、灵活，便于灵活构成分布式监控系统。为分站和总站通信设备均配置UPS作为备用电源，提高系统可靠性。以上通信设备以及UPS电源、过电压保护设备等一*化布置在通信设备柜内，整洁美观。现场运行图见图4、图5。

3.3计算机监控管理层

  由管理控制局域网以及监控主机和监控管理软件构成。监控主机采用高性能、高可靠性、大容量存储器的品牌计算机，配置大屏幕高分辨率显示器，安装中文Micrusoft Windows NT实时多任务操作系统，电力监控软件采用电力监控组态软件，它内置强大的图形功能、数据显示功能、报警功能、历史数据记录分析功能、报表功能等；内嵌编程语言，可以编制各种功能强大的智能管理软件，实现用户对配电系统的科学化、智能化管理的要求。

4系统特点

  系统特点如下：整体性能力很强，完整解决方案；科学管理，节约成本；结构合理、产品系统安全可靠；组网灵活，通用性强；操作简单，免维护；接口规范，安全扩展；监控软件具有良好的自诊断与自恢复功能。

5安科瑞Acrel-2000Z电力监控系统解决方案

5.1概述

  针对用户变电站（一般为35kV及以下电压等级），通过微机保护装置、开关柜综合测控装置、电气接点无线测温产品、电能质量在线监测装置、配电室环境监控设备、弧光保护装置等设备组成综合自动化的综合监控系统，实现了变电、配电、用电的安全运行和全*管理。监控范围包括用户变电站、开闭所、变电所及配电室等。

  Acrel-2000Z电力监控系统是安科瑞电气股份有限公司根据电力系统自动化及无人值守的要求，针对35kV及以下电压等级研发出的一套分层分布式变电站监控管理系统。该系统是应用电力自动化技术、计算机技术、网络技术和信息传输技术，集保护、监测、控制、通信等功能于一体的开放式、网络化、单元化、组态化的系统，适用于35kV及以下电压等级的城网、农网变电站和用户变电站，可实现对变电站全*位的控制和管理，满足变电站无人或少人值守的需求，为变电站安全、稳定、经济运行提供了坚实的保障。

5.2应用场所

  适用于轨道交通，工业，建筑，学校，商业综合体等35kV及以下用户端供配电自动化系统工程设计、施工和运行维护。

5.3系统架构

  Acrel-2000Z电力监控系统采用分层分布式设计，可分为三层：站控管理层、网络通信层和现场设备层，组网方式可为标准网络结构、光纤星型网络结构、光纤环网网络结构，根据用户用电规模、用电设备分布和占地面积等多方面的信息综合考虑组网方式。

5.4系统功能

（1）实时监测：直观显示配电网的运行状态，实时监测各回路电参数信息，动态监视各配电回路有关故障、告警等信号。

（2）电参量查询：在配电一次图中，可以直接查看该回路详细电参量。

（3）曲线查询：可以直接查看各电参量曲线。

（4）运行报表：查询各回路或设备时间的运行参数。

（5）实时告警：具有实时告警功能，系统能够对配电回路遥信变位，保护动作、事故跳闸等事件发出告警。

（6）历史事件查询：对事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

（7）电能统计报表：系统具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况。

（8）用户权限管理：设置了用户权限管理功能，可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限。

（9）网络拓扑图：支持实时监视并诊断各设备的通讯状态，能够完整的显示整个系统网络结构。

（10）电能质量监测：可以对整个配电系统范围内的电能质量和电能可靠性状况进行持续性的监测。

（11） 遥控功能：可以对整个配电系统范围内的设备进行远程遥控操作。

（12）故障录波：可在系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各种电气量的变化情况。

（13） 事故追忆：可自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时稳态信息。

（14） Web访问：展示页面显示变电站数量、变压器数量、监测点位数量等概况信息，设备通信状态，用电分析和事件记录。

（15）APP访问：设备数据页面显示各设备的电参量数据以及曲线。

6系统硬件配置

7结语

   该工程电力监控系统验收投运后，实际运行情况达到预期效果，得到了使用方的满意评价。其便利及实用性主要反映在以下几个方面：工作人员可以方便和实时地监控电力系统的运行状态，为优化电力设备运行提供了有效参考，对现场的用电设备进行统一管理，免去到现场记录的繁琐工作，效率提高，实现了无人值守智能变电站的目标；形成了一个基础的能源管理系统，可以完成对能源数据进行在线的采集、计算、分析及处理从而实现对能源物料平衡、调度与优化、能源设备运行与管理等方面发挥着重要的作用；由于全厂工程庞大而分期实施，系统设计时为后期预留了充足的接口，使用方在后期实施的扩容工程中得到了很大的便利。

  该项目存在各变电站内部两台变压器互相备用、变电站之间变压器互相备用的情况，0.4 kV进线和母联MT断路器间互投关系复杂，在方案设计阶段需要充分理解电力系统的运行方式，明确各断路器间的投切逻辑关系，以指导硬件连接和软件编写。在电力系统正式投运前还进行了联动调试进行验证，这是该电力监控系统实施的难点。

  由于电力监控系统属于智能化供配电系统的一部分，其集成度相当高，工程移交前编写了用户操作手册，并组织使用人员进行了3天的理论培训和上机培训，对疑点、难点进行了详细的讲解，让使用人员对电力监控系统的操作有了深入了解的同时，也使该系统在以后的运行中功能得到充分利用奠定了基础。

参考文献：

[1] GB50052-2009供配电系统设计规范[S].

[2] DL/T5003-2005电力系统调度自动化设计技术规程[S].

[3] IEC870-5-101远动设备及系统传输规约[S].

[4] IEC870-5-103继电保护信息接口标准[S].

[5] 刁先强.杨志锋.冉科.某大型太阳能电池工厂电力监控系统的实施

[6] 安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版.