探究電力監控系統在火力發電工廠變電站的構思
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易允恒
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801
摘 要：介紹了工廠電力監控系統的實際應用及工程施工中所遇到的問題和解決措施。
關鍵詞：電力監控系統Modbus通信協議多功能電表分布式
0引言
系統功能概要變配電計算機監控管理系統，可以利用計算機通信網絡技術使變電站值班人員迅速而準確地獲得變電站運行的實時信息，完整地掌握變電站的實時運行狀態，及時發現變電站運行的故障并做出相應的決策和處理，同時可以使值班管理人員根據變配電系統的運行情況進行負荷分析、合理調度、遠控合分閘，減少和避免操作、誤判斷，縮短事故停電時間，實現對工廠變配電系統的現代化運行管理。
1變電站自動化監控系統構架
國內外變電站自動化技術的應用和發展大體經歷了集中式和分布式兩個階段。
1.1集中式變電站自動化系統架構
集中式變電站系統分為現場層、控制層和信息層。現場層主要包括高壓開關柜綜合保護繼電器、集合式多功能電表、故障波形記錄器與變壓器溫度儀表等。
控制層采用了1臺PI．C，負責采集各高低壓斷路器分合閘狀態、手車工作位置以及直流屏故障報警等信號。在主監控計算機的控制下，通過PLC輸出模塊將警報信號盤上光字牌
點亮并使聲光報警器動作。另外，控制層使用光纖收容箱和ZC-22通信轉換器將現場層的綜保繼電器數據轉換成RS-232通信方式，將數據傳送到電力監控計算機。
信息層主要是l臺工控機，安裝了Elipse ScadaV3．0電力監控軟件。電力監控系統的后臺數據庫為SOL Server 2000，用于保存電力監控系統采集的各種數據以生成用戶所需的報表和趨勢圖等。
集中式變電站自動化系統結構存在的主要問題是：信息層的工控機即前置管理機任務繁重、引線多，形成了信息的“瓶頸”，降低了整個系統的可靠性。在前置機故障情況下，將失去當地及遠方的所有信息及功能；自動化擴展需求的功能難以實現。
1.2分布式變電站自動化系統架構
整個變電站自動化系統網絡采用分層分布式結構，按照功能劃分為后臺機系統、服務器系統和前置機系統3個子系統。后臺機、服務器、前置機之間采用高速以太網通信，前置機和保護裝置、智能模塊之間采用主流工業接口(如RS-485等)，內嵌IEC 870—5—103、Modbus RTU等通信規約，同時為企業管理系統BA、OA、MIS等留有接口，便于企業內部各個系統無縫集成。分布式電力監控系統架構圖如圖l所示。
圖1分布式電力監控系統架構圖
1.3分布式系統結構相比集中式系統具有以下明顯的優點：
（1）可靠性高，任一部分設備故障只影響局部，風險分散；當站控層系統或網絡故障，只影響到監控部分，而重要的保護、控制功能在間隔層仍可繼續運行。
（2）間隔層任一智能單元損壞不會導致全站的通信中斷和長期占用全站的通信網絡。
（3）分布式結構可大大減少電纜，節約投資，簡化了調試過程。
2監控系統功能
2.1變配電計算機監控管理系統具有如下功能：
（1）變電站實時在線監視運行，采用變配電計算機監控管理系統，不僅能對系統各種運行開關量狀態和電量參數進行實時采集和顯示，而且安全、可靠、直觀。
（2）及時準確地進行故障報警和故障跳閘報警。
（3）可對潛在的事故進行預報警，同時實現各種電量的超限報警。
（4）改善配電系統管理。
（5）供電質量(諧波失真度THD／*大、*小、平均值／電壓合格率)實時分析功能，可實時監測電網供電質量的各項指標，便于分析電網故障原因。
3應用過程中應注意的問題
（1）電力監控系統在工廠實際應用過程中應注意如下問題：在電力監控硬件的選用上應注重質量穩定、保護功能齊全的硬件。曾經某項目選用l臺研華工控機(EIX；-4504 NPORT)，在使用不到1年的時間就發生故障，導致現場區域的電力監控癱瘓，無法實時監測各變電站高低壓開關設備狀態和變壓器工作溫度等重要參數，現場的電量統計報表也無法正常生成。雖然聯系原廠家進行維修，但是由于維修時間超過半個月，給用戶帶來很大的不便。
（2）在電力監控系統中應平衡好計算機監控系統與電能數據采集系統的關系。監控主機的首要任務是實時地觀察變電站內各高低壓開關設備的工作狀態以及報警信號，而電能數據采集是監控主機的次要任務。但在系統應用中，現場大量的多功能電表采集數據也接人監控主機，造成監控主機既要負責與變電站內各綜保繼電器數據通信，又要和現場大量的多功能電表進行通信，導致監控主機系統資源被大量占用，系統工作速度放慢，甚至發生死機現象。解決辦法為增加l臺IBM Server運行SQL Server2000的工作計算機，把監控系統分成操作主機與數據庫主機，改善數據庫占用計算機資源太大的問題。
（3）系統報警應及時準確，報警與現場故障時間同步，*低報警反應時間小于1秒，不能出現任何誤動作或誤報警。由于系統綜保繼電器的通信連接采用環形網絡架構，當連接的綜保繼電器數量較多時，監控主機的一次掃描周期就需要半分鐘以上，當其中1臺綜保繼電器發出的報警信息正好在主機掃描周期剛剛結束時發出，待掃描到新的報警信息時間還需要1個周期，系統報警時間將會超過1分鐘，因此不能及時地進行報警。解決辦法為優化系統的通信網絡架構和通信協議，變被動的系統掃描查詢報警信息模式為報警單元發出報警信息后系統主動接受和判別的模式，以提高系統報警響應時間。
（4）在電力監控工程施工中還應注意電力監控系統的線路不能影響繼電保護系統，繼電保護的控制回路不能進入站內監控系統，監控系統只是用來顯示，安全可靠性等級較低的系統不能影響等級高的系統；做好系統各報警點的功能測試，在系統完成后一定要進行各高低壓開關位置狀態和報警功能的測試，以防發生誤報和漏報。
4安科瑞Acrel-2000Z電力監控系統解決方案
4.1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面管理。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，可實現對變電站全方位的控制和管理，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。
4.2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。
4.3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。
4.4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。
5系統硬件配置
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應用場合 |
型號 |
圖 片 |
保護功能 |
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電力監控系統 |
Acrel- 2000Z |
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電力監控主要針對10/0.4kV地面或地下變電所，對變電所高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀表進行保護和監控，對0.4kV出線配置多功能計量儀表，用于測控出線回路電氣參數和用能情況，可實時監控高低壓供配電系統開關柜、變壓器微機保護測控裝置、發電機控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調、事故報警及記錄等。 |
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網關 |
ANet- 2E8S1 |
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8路RS485串口，光耦隔離，2路以太網接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPC UA等協議的數據接入，ModbusTCP（主、從）、104（主、從）、建筑能耗、SNMP、MQTT 等協議上傳，支持斷點續傳、XML、JSON進行數據傳輸、支持標準8GB SD卡（32GB）、支持不同協議向多平臺轉發數據；每個設備的多個報警設置。輸入電源：AC/DC 220V，導軌式安裝。 |
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35kV/10kV/6kV 微機保護裝置 |
AM6-* AM5SE-* |
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適用于6-35kv配電線路、主變、配電變壓器、電動機、電容器、PT監測/PT并列、母聯/備自投等中高壓柜微機保護 |
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35kV/10kV/6kV 弧光保護 |
ARB5-M |
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主控單元，可接20路弧光信號或4個擴展單元，配置弧光保護（8組）、失靈保護（4組）、TA斷線監測（4組）、11個跳閘出口； |
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ARB5-E |
擴展單元，多可以插接6塊擴展插件，每個擴展插件可以采集5路弧光信號： |
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ARB5-S |
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弧光探頭，可安裝于中壓開關柜的母線室、斷路器室或電纜室，也可于低壓柜。弧光探頭的檢測范圍為180°，半徑0.5m的扇形區域； |
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35kV/10kV/6kV 進線柜電能質量 在線監測 |
APView500 |
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相電壓電流＋零序電壓零序電流，電壓電流不平衡度，有功無功功率及電能、事件告警及故障錄波，諧波（電壓/電流63次諧波、63組間諧波、諧波相角、諧波含有率、諧波功率、諧波畸變率、K因子）、波動/閃變、電壓暫升、電壓暫降、電壓瞬態、電壓中斷、1024點波形采樣、觸發及定時錄波，波形實時顯示及故障波形查看，PQDIF格式文件存儲，內存32G，16D0＋22D1，通訊2RS485＋1RS232＋1GPS，3以太網接口（＋1維護網口）＋1USB接口支持U盤讀取數據，支持61850協議。 |
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35kV/100kV/6kV 高壓柜智能操控、 節點測溫 |
ASD500 |
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5寸大液晶彩屏動態顯示一次模擬圖及彈簧儲能指示、高壓帶電顯示及閉鎖、驗電、核相、3路溫溫度控制及顯示、遠方/就地、分合閘、儲能旋鈕預分預合閃光指示、分合閘完好指示、分合閘回路電壓測量、人體感應、柜內照明控制、1路以太網、2路RS485、1路USB接口、GPS對時、高壓柜內電氣接點無線測溫、全電參量測溫、脈沖輸出、4～20mA輸出； |
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35kV/10kV/6kV 間隔電參量測量 |
APM830 |
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三相（1、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序電流In，四象限電能，實時及需量，本月和上月值，電流、電壓不平衡度，66種報警類型及外部事件（SOE）各16條事件記錄，支持SD卡擴展記錄，2-63次諧波，2D1＋2D0，RS485/Modbus，LCD顯示； |
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35kV/10kV/6kV 高壓柜除凝露溫濕度控制器 |
WHD72面板式 |
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支持測量并顯示2路溫度，2路濕度。 |
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WHD20R導軌式 |
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支持測量并顯示2路溫度，2路濕度。 |
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變壓器繞組 溫度檢測 |
ARTM-8 |
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8路溫度巡檢，預埋PT100，RS485接口，2路繼電器輸出； |
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0.4KV低壓進出線柜接頭測溫 |
ARTM-Pn-E |
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無線測溫采集可接入60個無線測溫傳感器；U、I、P、Q等全電參量測量；2路告警輸出；1路RS485通訊； |
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ATE400 |
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合金片固定，CT感應取電，啟動電流大于5A，測溫范圍-50-125C，測量精度±1℃；無線傳輸距離空曠150米； |
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0.4KV低壓柜內環境溫濕度 |
AHE100 |
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無線溫濕度傳感器，溫度精度：±1℃，濕度精度：±3％RH，發射頻率：5min，傳輸距離：200m，電池壽命：≥3年（可換） |
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ATC600 |
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兩種工作模式：終端、中繼。ATC600-Z做中繼透傳，ATC600-Z到ATC600-C的傳輸距離空曠1000m，ATC600-C可接收AHE傳輸的數據，1路485,2路報警出口。 |
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0.4KV低壓進線柜多功能電力儀表 |
AEM96 |
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三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，總正反向有功電能統計，正反向無功電能統計；2-31次分次諧波及總諧波含量分析、分相諧波及基波電參量（電壓、電流、功率）；電流規格3×1.5(6)A，有功電能精度0.5S級,無功電能精度2級；工作溫度：-10℃～+55℃；相對濕度：≤95不結露 |
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0.4KV低壓出線柜多功能電力儀表 |
AEM72 |
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三相電參量U、1、P、Q、S、PF、F測量，總正反向有功電能統計，正反向無功電能統計；2-31次分次諧波及總諧波含量分析、低壓出線分相諧波及基波電參量（電壓、電流、功率）；電流規格3x1.5(6)A,有功電能精度0.5S級，無功電能精度2級 |
參考文獻：
[1]郭丹春.工廠變電站電力監控系統的應用
[5]安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.05版.
