超高层建筑供配电管理系统设计与实现

黄川东

摘要：本文讲述了供配电管理系统的特点，通过举例介绍了供配电管理系统中PMS系统结构，功能的设计，用图文明确地说明供配电管理系统是如何实现的。实际应用表明，系统提供的监控结果能以直观的方式辅助决策，系统功能完善，界面友好，具有很高的实用价值。

关键词：超高层建筑；供配电管理系统；设计与实现；数据采集与监视控制；控制；监控

Abstract: This paper describes the characteristics of supply and distribution management system, examples for the design of the PMS in the distribution management system structure, function, clear graphic illustration of the power supply and distribution management system is how to achieve it. The practical application shows that the results of the monitoring system provides intuitive decision support system fully functional, friendly interface, with a high practical value.

Key Words: ultra-high-rise buildings; supply and distribution management system; Design and Implementation; data acquisition and supervisory control; control; monitoring

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

引言

供配电管理系统(DMS)是一项投资巨大、技术构成复杂的系统工程，它可提高配电自动化水平、改善对用户的服务质量。配电管理系统或配电自动化的实施是一个循序渐进的过程，不可能一步到位。为此，应该做好规划工作，分步实施。实施时，首先应该在负荷中心进行，试点规模不宜过大。某超高层建筑供配电管理系统(PMS)，实现包括B2层35kV主变电所、B2层变电所、6层南／北变电所、18层南／北变电所、30层南／北变电所、42层南／北变电所、54层南／北变电所、66层南／北变电所、89层变电所、90层变电所共16间变电所，及发电机组监控有关I／O的电力控制与监控功能。

1供配电管理系统的特点

1．1系统的集成性

从目前国内外厂家提供的产品来看，很难有一家能独立完成DMS的全部功能。主要是与GIS相关的部分一般都需要由专门从事这一行业的专业厂家完成，如国外的M&M，Small World。因此，GIS和实时SCADA的集成是系统集成性好坏的关键。实现FA功能的一般做法是将FA主站功能放置在其中某一个变电站内，再由此FA主站与调度主站通信。如果不采用GIS，或者GIS仅作为地理背景，就没有集成性问题，但是如果要实施一个完整的DMS，就必须会碰到集成性问题。以ABB为例，ABB的SCADA平台在全球共推出上千套，最近，又与美国环境研究所ESRI签署了全球性的合作协议，准备将ABB的SCADA平台SHDER与ESRI的GIS平台ARCFM分4步进行集成。第1步是单方向性地将SCADA的实时数据传送到GIS平台，但在SCADA上无法看到GIS的数据和图形，这样，如果一个调度员既要看SCADA的内容，又要看GIS的内容，就需要2台工作站；第2步是图形交换，在同一个工作站既可以看到SCADA的内容也可以看到GIS的内容，但数据并不保证一致。第3步是同一数据环境，此时不仅在同一个工作站可以看到SCADA的内容和GIS的内容，而且在统一的数据环境下完成数据工程部分工作，对于配电网设备的定义以及网络拓朴的定义在一处维护，以保证数据的一致性和唯一性。第4步是将SCADA和GIS用到的基础网络数据建在同一个数据库中。

1．2功能界面的組织应面向部门

应针对不同部门的工作和管理范围，设计不同的功能界面。PMS功能很多，涉及的部门较多，如果每个部门都能看到整个系统的内容，既会影响整个系统的安全保密性，也会由于界面上内容太多，导致使用繁琐和不便。

1．3关于系统开放性的问题

系统的开放性至少要满足以下几个方面的要求：互联性，是指局域网和广域网之间计算资源的互联；互操作性，是指用户能操作网络上各种功能的集成；可扩展性，是指本系统规模的扩大和发展，它包括硬件、软件和数据各个方面；可移植性，是为了保护软件和数据库的投资不会过时；对用户已有投资的保护，也就是要能支持用户的各种已存在的规约，这样才能接入用户的所有变电所和各种子系统，资源才不会浪费。一个开放的系统平台，对于今后的系统扩展非常重..

2供配电管理系统的设计

2.1 PMS系统结构设计

2．1．1结构描述

如图1所示，系统采用冗余光纤以太环网连接监控站服务器与16个变电所。在B2层中央监控室与1层防灾中心配置互为冗余的监控站服务器、UPS、打印机，分别安装可以处理多达60k个标签的SCADA软件，在服务器上建立操作员界面，操作员可在屏幕上浏览各断路器的状态，对断路器进行远程的合分闸操作，检查日志、事件和报警。UPS遵循3Kva10分钟电池后备时间。各安装1台模拟显示屏，显示所有楼层开关状态和故障。在各楼层南变电所安装的电气柜内，安装1台交换机实现不同楼层间通过以太网与上位监控站通讯，配置Quantum热备PLC控制监控该层南北变电所。在RIO站上配置数字量输入模板，采集开关状态和故障等信号；PLC的数字量输出模板控制断路器用于远程的自动合分闸。所有用于测量的模拟信号，如电压、电流、功率因数、功率、电量，均须从电力仪表通过Mo曲us总线获得[1]。在各层变电所内根据设备数量配置多条Modbus链路[2]采集来自高压综合保护设备SE—PAM和多功能表PM710的信号，MB+网关连接ModbusP1us网。每个变电所配置1到2个模拟屏控制监控相应楼层的电气设备。

2．1．2结构特性

具有高响应速度的PMS系统：遥测时间不大于5s，遥信时间不大于3s，遥控时间不大于3s。在各楼层变电所仅采用1个带模拟屏的电气柜，以有效地节约空间。

2．1．3冗余结构

各层的2台冗余PLC其中一台发生故障时，另一台接管所有的功能，并能在操作员界面生成报警。冗余的PLC供电电源保证。光纤以太环网保证各楼层间的通讯冗余。

2．1．4开放结构

连接到楼宇管理系统(BMS)；在设备级，少量的输入输出可连接到BMS上，前提是BMS提供了Modbus接口。在服务器级。两个系统之间可以建立通讯，前提是在BMS上定义了数据库接口，如SQL server，0DBC等。

图1 PMS系统结构图

3 PMS统功能设计

3．1功能描述

1)控制。用来控制设备，如对断路器进行合分闸操作。为了避免事故和未授权的使用，只有具备合适权限的用户可以访问该功能。

2)数据表。提供通过表、柱状图和仪表的形式实时显示大量的测量数据。

3)历史日志和趋势。自动将设备的数据存储到一个集中的数据库中，数据可以取出用来显示、打印、趋势分析或生成报表。

4)事件日志。记录包括报警的所有事件。可以是从停电到配置改变的任何类型的事件，也记录下所有发生的动作，用于显示、打印、删除。对每个事件，在屏幕上可以显示如下字段：设备、日期时间、事件类型、用户名称，对进行系统诊时察看必要的信息很有帮助。使用数字输入和报警直接连接的方式发出报警，用户定义值也可以用作报警条件。报警参数可以设置为不同的重要性级别，每一级别对应可视化的指示和行为。

5)用户权限的管理。处理不同的用户级别，每个级别有各自的用户名和密码。可管理不同级别用户，并限制对某些功能的访问权限。

6)用户定义表和报表。对所有类型的数据生成报表。

3．2控制功能

合分闸主要断路器：对所有楼层的操作可以使用在防灾中心和中央监控室的2套操作员界面进行。电网电源中断时，自动分闸那些预定义的断路器，实现方式为远程操作MX分励线圈。电源恢复时，自动合闸预定义的断路器，实现方式为远程操作XF合闸线圈。

3．3监控功能

如图2所示，①连续监控设备的操作状态，即合分位，并可视化在各楼层的模拟屏及2套操作员界面上，实现方式为取得断路器的0F触点状态；②连续监控设备故障的发生和恢复，并显示在模拟屏及操作员界面上，实现方式为取得断路器SDE触点状态；③显示模拟、脉冲测量值，通过SEPAM和PM710可对电压、电流、功率因数及其他电力数据进行收集，如电耗的脉冲计数，通过Modbu8及以太网传输，这些值显示在模拟屏及操作员界面上；④事件日志，显示以时间为基础的模拟量的上下限报警，设备的变化和故障，同时在模拟屏及操作员界面上显示当前正在进行的操作；⑤电力需求监控，当监控的用电功率超过设定值时，可以对其实施负荷限制的管理。

3．4记录功能

打印报警和性能记录，常规及随机打印日报表，常规及随机打印月报表。

3．5其他功能

自诊断功能。报警输出，在设备故障时进行蜂鸣器报警。

4 PMS系统功能实现

4．1停电控制功能

以B2层35kV主变电所为例，系统必須考虑13组可能的停电顺序：①正常供电一1号线停电一2号线停电一3号线停电；②正常供电一1号线停电一3号线停电一2号线停电；③正常供电一2号线停电一l号线停电一3号线停电；④正常供电一2号线停电一3号线停电一1号线停电；⑤正常供电一3号线停电一1号线停电一2号线停电；⑥正常供电一3号线停电一2号线停电一l号线停电；⑦正常供电一(1+2号线同时停电)一3号线停电；⑧正常供电一(1+3号线同时停电)一2号线停电；⑨正常供电一(2+3号线同时停电)一1号线停电I⑩正常供电一(1+2+3号线同时停电)；(11)正常供电一1号线停电一(2+3号线同时停电)；(12)正常供电一2号线停电一(1+3号线同时停电)，(13)正常供电一3号线停电一(1+2号线同时停电)。注：。一”代表模式之间的转换。下面以停电顺序“正常供电一1号线停电一2号线停电”的软件流程为例，介绍PLC程序设计的方法。

图2 B2层35kV的PMS系统画面

4．1．1正常供电一1号线停电”的PLC程序设计

停电模式如图3(a)所示，相应的软件流程的设计步骤为：

1)分闸S1，不成功时PLC退出远方自动状态．同时送SCADA报警，对故障进行人工确认。

2)S1在分位后，H1段母线失压故分闸所有出线VCB。

3)分闸母联B23／24。

4)B23／24在分位后，H2—2段母线失压故分闸所有出线VCB。

5)合闸母联B11。

6)合闸母联B12。其流程图如图4所示，图中27为失压继电器，52为真空断路器。

7)合闸母联B32。

8)合闸母联B31。

9)B11／12在合位后，H1段母线电压恢复故按顺序合闸所有出线VCB。

10)B31／32在合位后，H2—2段母线电压恢复故按顺序

合闸所有出线VCB。

4．1．21号线停电一2号线停电”的PLC程序设计

停电模式如图3(b)，相应的软件流程的设计步骤与(1)中类似：①分闸S2，不成功时PLC退出远方自动状态，同时送SCADA报警，对故障进行人工确认；②分闸母联B21／22；

③H1段母线失压故分闸所有出线VCB；④H2—1段母线失压故分闸所有出线VCB；⑤经延时确认后启动发电机组；

⑥合闸GBl；

⑦H1段母线电压恢复故按顺序合闸所有出线VCB；

⑧H2—1段母线电压恢复故按顺序合闸所有出线VCB。

图3 “正常供电一1号线停电”与。1号线停电一2号线停电”模式图

图4 。正常供电一1号线停电”软件步骤6流程图

4．2电力恢复控制功能

对电力恢复顺序的考虑，及相应控制功能的PLC程序设计方法与3．1中类似，略。

4．3SCADA操作员界面

某超高层建筑的SCADA系统基于简洁，直观的原则方便操作员学习和使用。所用HMI在多个工程中使用过，符合相关标准。系统画面结构分为三个区域：顶部区域、中心区域、底部区域。顶部区域包含：客户的Logo、实时报警表、报警确认提示、未确认报警数和供货商的Logo。中心区域占整个屏幕大约80％的面积，用于显示系统画面和数据信息。底部区域包含以下信息和按钮：系统时间即当天运行的具体日期时间，PMS系统火灾状况，PMS总体运行图切换按钮等。提供了强大的用户权限管理功能，对系统安全提供有力的保障。项目中定义了三种权限；未登陆的用户，操作员，系统管理员。

画面中监控的设备有断路器、负荷开关，变压器、母线、SEPAM综保及PM电力表。对于允许操作的设备，SCADA系统将从PLC中读取其状态信息，包括设备是否处于故障状态，是否可以远控，只有设备处于远控状态时，允许操作员在SCADA上实现对设备的操作。为了防止操作员出现误操作，在操作员点击按钮时会在操作窗口旁弹出确认窗口。

当现场发生火灾时，为了及时保护整个PMS系统及尽量减少受损，操作员必须尽可能地发现报警并及时进行排查。因此火灾报警信号的优先级最高，并在SCADA画面的显著位置上显示．发生火灾时，“系统火灾”显示为红色并闪烁，醒目时，“系统火灾”显示为红色并闪烁，醒目地告警操作员.

事件日志记录SCADA系统在运行过程中每天所发生的操作事件和报警信息，并将这些记录定时以特有的文件形式保存到硬盘中。在系统运行的过程中用户可以按列明细来归类查询事件日志，只要点击列明细的某个按钮，便可将同类型的事件按指定的顺序集中在一起显示，可以升序或降序。

为了表示模拟信号的变化，趋势监控画面使用不同的颜色表示多个数据趋势曲线，最多可以同时显示8个模拟量的变化趋势。

报表系统，采用电子表格的形式显示，监控整个系统的运行状况。报表分日报表和月报表，支持打印功能。

网络拓扑图便于用户直观地了解SCADA与PLC连接的网络结构，监控PLC的运行状态。网络工作正常时，设备之间的连接线显示红色；当PLC故障时，相应连接线显示为黄色闪烁，故障PLC出现黄色边框闪烁，同时“网络图”按钮闪烁提醒操作人员。

5 结束语:

该设计应用于某超高层建筑的电力网参数集中调控，提高了供配电可靠性，保证设备发挥高效节能的最优状态：使生产效率提高了3倍以上，且节电率高达30％；同时利用子程序等设计方法对PLC程序进行优化，使程序量精简为原来的61．9％，提高了响应速度；设备运行故障率由原来的月平均1％，降低至0．01％以下。本文系统在超高层建筑供配电领域中成功运用了集散系统与现场总线综合控制的结构；实现SCADA对控制信息与监控信息的集成，数据传输可靠，实时性好；控制算法先进，抗干扰能力强，稳定性高。

参考文献:

[1]施耐德电气公司．电气装置应用(设计)指南[M]．北京：中国电力出版社，2006．

[2]王建平，张茂林，徐其林．Modbus协议和USB接口在工业控制上的应用[J]．合肥工业大学学报(自然科学版)，2008，31(1)：68—72．

[3]谢维．PLC的PID自整定技术研究与实现[J]．计算机测量与控制，2009，17(8)：1544—1547．

[4]苗竹梅．配电网无功与电压实时监测系统的开发与应用[J]．电力设备，2004，5(4)：39—42．

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。