基于网络控制技术的供电自动化的设计和实践

戚少庸

（杭州电化集团有限公司，浙江 杭州 311228）

计算机网络控制技术已被广泛地应用在工业生产和控制领域中，在工厂供电自动化系统中，网络技术同样发挥重要的作用。通过应用控制技术、信息处理和通信技术，由计算机系统和自动装置提高供配电系统的安全可靠性和电气管理、调度的及时性、合理性和准确性。

在杭州电化集团有限公司搬迁项目中，通过应用网络控制技术，对变电站综合自动化系统、整流监控系统、配电监控系统以及与企业EMS系统通信的设计和实践，实现了信息共享。

1 基于SEL保护装置的变电站综合自动化系统

1.1 工程规模

杭州电化集团有限公司搬迁工程共有1个110 kV总降和5个10 kV高压配电所，整个项目规模为110 kV进线两回，采用内桥接线及50 MVA主变2台，电压等级为110/35/10 kV。35 kV及10 kV均采用单母线分段，其中，35 kV供6台容量为16 000 kVA的整流变压器。

1.2 网络结构

整个自动化系统设计为双机双网冗余结构，整个系统结构分3层，即间隔层、通信管理层和主站层。110 kV变电站综合自动化网络结构图见图1。

（1）间隔层。设备包括进线、母联、变压器、整流变、母线PT、电动机、电容器、各配电室间隔所有SEL微机保护及测控装置，所有保护和测控装置均以“一对一”的方式接入通信管理层通信处理器。

（2）通信管理层。由SEL-2032通信管理机组成，负责接入间隔层保护、测控装置，监控主机和间隔层设备。通过通信管理器进行数据交换，完成数据采集和控制命令下发。

（3）主站层。总变电站设主备服务器2台，5个10 kV配电室各设监控主机1台，7台相互独立的计算机通过以太网组成，可非常方便地与其他变电站或计算机网络接口。采用主备或平行工作方式，任何一台计算机故障均不会影响其他计算机的正常运行。配备1台工程师工作站用于保护装置远方整定及故障录波数据调用。

（4）全站设1台GPS同步时钟（具IRIG-B输出），对全站系统及全部通信、保护、测控装置进行IRIG-B对时,确保所有装置时差小于1 ms。

（5）系统布置：总降110 kV主变、35 kV系统及整流机组组屏安装；总降10 kV、10 kV高配所有间隔层微机保护直接安装布置于高压开关柜面板上；通讯管理机以屏体方式布置于110 kV总降、10 kV高配。110 kV变电站综合自动化网络结构图见图1。

1.3 变电站综合自动化系统设计中应注意的问题

作为整流行业的企业变电站综合自动化系统，其自身的供电特色和供电要求具有与一般的供电企业不同的技术要求和特点，需要考虑以下问题。

（1）产品选型。氯碱企业供电要求高可靠性，同时整流行业具有不同于一般企业的强电场、磁场以及谐波干扰，因此，作为变电站综自系统的核心保护测控装置，杭电化选用美国SEL微机保护装置。

（2）可靠性考虑：保护及测控功能相互独立，各子系统与主站系统相互独立，任一功能装置或子系统故障均不能影响另一功能装置或子系统/主站系统的正常运行；同时，数据库服务器及操作员工作站应采用双机配置，并具备自动切换功能。

（3）通讯性能。作为110 kV变电站和各10 kV子站的通讯管理机，应采用与微机综保同品牌通讯管理机，以实现较好的通信可靠性，该公司选用SEL-2032通讯管理机。

（4）故障录波及事故分析。所有微机保护装置应具有故障录波功能，因此，应当为每台微机保护装置提供硬件对时接口，以保证对时信号能精确地达到毫秒级，故障录波应能通过通讯网络上传到后台监控系统专用的保护工程师工作站，在保护工程师工作站内应安装专用的故障录波分析软件，实现故障录波的统一调用、存储、分析。

（5）抗干扰及防雷击措施.变电站之间的数据传输应采用光缆通讯，与电力调度等其他系统接口配备防雷击隔离器。

2 整流网络监控系统

2.1 工程规模

杭州电化集团有限公司搬迁工程20万t/a烧碱项目采用日本氯工程BITAC-891型复极电槽，单槽产量为1.67万t/a，6台复极电槽形成10万t/a烧碱。整流系统采用一拖二方式，即1台整流变压器带2套整流柜供2台电槽的供电模式。

2.2 整流网络监控系统的结构

10万t/a烧碱整流系统采用1个监控系统，整流装置计算机控制和监测系统主要由现场控制柜（包括PLC），远控柜，监控主机及监控备机站组成。系统的主要功能是，采用分布式结构，6台整流柜既可以独立工作，又可以通过网络构成一个整流监控系统。整个监控系统设计为三机三网冗余结构，见图2。

（1）采用工业以太网的监控网络。采用以太网模块CP243-1实现S7-200和上位机（监控主机）之间的通讯，通过OPC的方式进行，而且只能S7-200作为Server端，上位机作为Client端来访问S7-200的数据

（2）采用MPI协议的监控网络。通过扩展EM277通信模块，实现S7-200和上位机（监控备机）之间的通讯，监控备机

作为网络主站，S7-200作为从站。

（3）采用PPI协议的监控网络。利用S7-200内置通讯接口，采用西门子专用点对点的通讯协议（PPI）与每台整流系统

各配置的西门子触摸屏PT178进行通讯。

2.3 实现的功能

（1）实时数据显示。整流变压器、整流柜、水系统的实时数据。

（2）操作界面。直流电流的升/降、有载开关档位显示及升降操作、直流开关状态以及开/断操作、极化整流器开停、水泵开停。

（3）系统故障监测界面。

（4）有关参数的历史数据记录存储和历史数据曲线显示功能。

3 变电站综合自动化系统和整流监控系统与企业生产执行系统（MES）之间的通讯

企业生产执行系统（MES）是近年来比较先进的企业信息化建设的体系模型，MES能通过信息传递对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理。杭电化的MES系统是以生产实时数据库为核心的生产执行系统，对各个生产装置的DCS系统，公用工程DCS系统以及供电系统的过程实时数据进行采集、处理，实现生产的实时监控和生产调度管理等功能。

供电系统的过程实时数据由装设于110 kV总变的变电站综合自动化系统进行采集、处理，将遥测、遥信数据以标准OPC协议，送至MES系统实时数据库。MES系统实时数据库通过1台计算机作为数据采集网关，实现数据连接。在生产过程监控画面绘制110 kV总变和各10 kV高配的主接线图，实时显示供电设备的数据和开关状态。

由于整流监控系统需要查看的数据较少，为各整流柜的直流电压、直流电流以及极化整流器的运行状态和实时数据，因而，均采用模拟量信号进入工艺DCS系统数据库，由工艺DCS系统采集和处理，在MES系统生产过程监控画面实时显示。

4 存在的问题

4.1 现阶段整流监控网络的缺陷分析

之前，由于晶闸管整流采用模拟控制技术，可靠性和稳定性较差，各整流设备制造厂家着重提高整流控制系统性能。目前，主流制造厂家整流控制系统均实现模拟控制向以单片机为核心的微机控制，但与变电站综合自动化的技术相比，在网络控制技术方面的应用和实践有较大的差距。

（1）MPI协议的监控网络中，1台PLC-200出现通讯死机，导致整个系统的通讯瘫痪。在杭电化采用MPI协议的监控网络中，加装CP5611卡的监控上位机作为网络主站，6台PLC-200加装EM277，作为从站，以MPI协议与上位机通讯。而MPI协议，是采用令牌环，按照逻辑顺序，令牌从一个装置传递到下一个装置，传递到最后一个装置后，再回到第一个装置，如此周而复始，形成1个逻辑环。当某一个装置出现通讯死机，令牌标志将重复访问该装置，将出现其他装置数据更新缓慢，甚至通讯中断。当然，对于数据总线类的结构，其链路是由每个接头并联而成，如果联络中某个接头出现松动，将导致其后续装置的通讯中断。

（2）在故障状态下，有时出现数据记录不准确的现象。原因之一是与网络通讯速率有关，而通讯速率由通讯协议所决定。MPI协议的理论上最大通讯速率为187.5 kb/s，工业以太网理论上最大通讯速率为10 Mb/s。但是，整流脉冲触发、调节控制器一般由制造厂家自行研发，通讯接口为RS485通讯，基于PPI协议与PLC通讯，最大通讯速率只能达到19.2 kb/s。因而，无论采用EM277实现MPI通讯，还是采用CP243-1实现工业以太网通讯，其原始的通讯速率只有19.2 kb/s。因而，在发生故障时，不能准确和实时记录各类数据，对分析故障原因带来困难。原因之二是，与组态软件有关。杭电化组态软件选用国产组态王，组态王作为一个通用型软件，并不完全适合作为电气（整流）系统监控软件，其驱动与西门子系统的EM277和CP243-1连接是否经过严格测试也未知。因而，组态软件选用WINCC与西门子PLC通讯更好。

4.2 低压配电监控系统有待于完善

（1）低压供电数据实时采集和显示。各类供电馈线均采用带有RS485通讯功能的智能仪表，采集所在回路的电流、电压及电度量信息，采用MODBUSRTU通信协议，经NPORT-5630通信管理机接入变电站综合自动化系统FCAU数据采集系统。

（2）低压供电馈线断路器未能实现遥控操作。在失电情况下，为尽快恢复低压系统的供电。在项目实施期间，曾考虑在电气值班人员的值守地110 kV总变主控室实现低压供电馈线断路器遥控操作。在低压断路器的选型上，采用施耐德MT系列带通讯功能的智能型断路器，采用MODBUS-RTU通信协议，经NPORT-5630通信管理机接入变电站综合自动化系统的FCAU数据采集系统。后考虑到RS485通信的可靠性和稳定性相对较差，该功能未能实现。因而，对于低压供电馈线断路器实现遥控操作还有待于进一步实践。

5 建议和展望

通过杭电化搬迁工程供电系统自动化的设计和实践，显现出国内整流器制造厂家在网络控制技术研发和应用上，与变电站综合自动化系统集成厂家相比，还存在较大的差距。

（1）由于采用通用组态软件，在系统开发环境的开放性、工业以太网的应用方面存在缺陷。建议整流器制造厂家针对整流设备的性能和特点，参考变电站监控系统的组态软件，采用最新的网络控制技术，研发适合于整流装置的监控组态软件。

（2）如前所述，目前以单片机为核心的整流控制器，其与上位机的通讯均需要通过PLC进行通讯协议的转换，才能将数据送到上位机组态软件，显示相关参数和状态。目前，已有整流器制造厂正在研发整流控制器和上位机之间直接实现工业以太网通讯。若成功应用，将使国内整流网络监控技术得到质的提升。