电厂配电系统电能量智能采集的设计

沈发荣,赵明,吴艳伟,张浩

(1.云南电网公司电力研究院,昆明 650217；2.昆明能讯科技有限责任公司,昆明 650051)

电厂配电系统电能量智能采集的设计

沈发荣1,赵明1,吴艳伟2,张浩2

(1.云南电网公司电力研究院,昆明 650217；2.昆明能讯科技有限责任公司,昆明 650051)

为解决传统手工方式抄表存在的数据准确性和实时性差的问题,对电厂配电系统电能量智能采集进行设计和探讨,提出采用三层垂直结构设计电厂电能量采集系统,分析每一层的软硬件组成和实现方式,提出适用于不同的应用场合的三种电能表和采集终端部署方案,并对三种方案的优劣进行分析比较,给出优选建议。

电厂配电系统；电能量采集；电能量采集终端

1 前言

电厂生产运行及管理需要对发电量、上网电量及厂用电量等电能量数据进行采集、汇总、分析及考核[1]。传统方式下,这些数据都是由生产运行人员以手工的方式进行抄表、统计。专用的电能量采集系统能自动完成电能量的采集、汇总、统计及分析,这样不仅减少人力工作量,而且实时性好、准确可靠,避免各种误差的引入,使得相关指标参数的计算结果更为准确,从而为管理层决策提供更好的数据支撑。

2 电能量采集系统概述

电厂电能量采集系统是集电能表计、电能量数据采集终端、通信网络、主站系统于一体,全面实现电能量数据采集、计算、统计分析等功能的自动化系统[2]。该系统能准确灵活的对从数据终端采集上来的数据按不同要求进行计算统计,并分类存储到服务器数据库。不同权限的用户可以通过WEB页面完成全部或部分的监控和管理功能。电厂电能量采集系统的主要功能包括：

1)发电及上网电能量采集部分：包括发电电能量和关口上网电能量。

2)厂用电电能量采集部分：包括厂用变压器电能量、励磁变压器电能量、高压厂用负荷的电能量、非生产用电电能量。

3)对采集到的电能量数据进行存储、分析、转发、报表生成,提供WEB服务。

3 电能量采集系统的结构

考虑到系统中厂用电部分的采集涉及到的物理范围很广,采集的计量点数较多,因而采取分层的方法进行设计,将系统垂直分为三层。

3.1 系统的三层结构

1)底层：计量层。主要设备分类为计量单元,包括电能表或类似电能表的电测仪表,对具体设备的电能量基础数据进行测量、记录；

2)中层：采集层。主要设备分类为电能量采集单元,分布于各大区域,从底层的各个计量单元采集电能量数据,分别进行存储,并与上层系统进行通信；

3)上层：主站处理层。包括数据库服务器、WEB服务器、关口服务器等,从采集层招测数据,并对数据进行存储、分析、计算、发布及转发。

考虑国家关于电力二次系统安全防护分区的规定,位于安全Ⅱ区的采集层和位于安全Ⅲ区的主站处理层之间的数据传送必须要经过一个正向网络安全隔离装置,而且数据传输的方向只能由Ⅱ区的采集层单向发往Ⅲ区的主站处理层。

3.2 系统的典型网络拓扑

图1为电厂电能量采集系统的典型网络拓扑。图1中,逻辑上位于中层采集层的电能量采集终端的物理位置放置在电能表所在的各个配电室中,电能表通过485通信线缆连接到采集终端的485接口上,采集终端通过其以太网口发送上行数据到采集服务器。

采集服务器逻辑上同样位于中层采集层,其物理位置一般位于生产区集控楼的机房或者继保间内,由于电能量采集终端与采集服务器的距离一般较远,因而用单模光纤连接两处,两端用一对以太网光纤收发器进行转换。

图1中可以看出,采集终端和采集服务器组成的采集层网络与管理大区的主站处理层网络之间被一个正向网络安全隔离装置物理隔断,只有满足隔离装置规则的数据才被允许通过,保证了电厂生产区的网络安全。

3.3 各层的软件实现方式

如图1位于底层计量层的各电能表通过主从方式的485总线连接到采集终端,采集终端通过“多功能电能表通信规约”(DL/T645-1997或DL/T645-2007)与电能表进行通信[3],每隔一定的时间间隔 (比如5分钟),由采集终端主动发起请求,从485总线上的电能表采集数据并进行存储。

电能量采集终端与采集服务器位于同一个以太网段中,二者通过主站规约 (IEC 60870-5-102)进行通信,采集服务器也按照相同的时间间隔 (比如5分钟)主动向采集终端发起数据召测请求 (包括电量、遥测量等),采集终端根据所请求数据的数据类型和时间范围进行响应。

采集服务器上运行的采集程序从采集终端获取到数据后并不做存储,对数据进行必要的处理和封装后,直接通过Socket方式发给主站处理层的服务端程序,服务端程序解析收到的报文并将数据存储到数据库中,并进行相应的计算、统计和分析整理。主站处理层的主站系统采用Java EE和B/S架构,管理区的用户只要在浏览器中输入IP地址即可访问系统。

需要注意的是,由于采集层位于正向隔离装置的内网侧,从管理区外部网络无法访问采集层中的采集服务器和采集终端,从而无法进行远程维护。因此,采集服务器上运行的采集程序和采集终端的稳定性就显得尤为重要。

4 电能表与采集终端部署方案

由于电厂配电室现场的情况各异,电能表和采集终端的部署方案也有所不同,大致分为如下三种：

1)方案一：电能表分散部署、采集终端就地布置。图1即为方案一的典型拓扑,电能表计分散部署在各个负荷的开关柜中,电能量采集终端为尺寸较小的壁挂式采集器,就地布置在配电室现场,电能表和采集终端之间用485线直接连接。此种方案的优点是电能表就地安装在各个开关柜中,不需要占用额外的空间,且电能表和采集终端之间直接用485线连接,通信的稳定性好,采集通信系统调试起来比较容易。

2)方案二：集中电能表屏、采集终端就地布置。图2为方案二对应的网络拓扑。方案二与方案一非常相似,不同的地方在于：电能表集中安装在电能表屏中,电能量采集终端、交换机、以太网光纤收发器等设备也一并布置在电能表屏中,由于有专门的屏柜来安放采集终端,因此可以采用尺寸较大但性能和可扩展性更好的插箱式采集器。

图2 集中电能表屏、采集终端就地布置方式的网络拓扑

3)方案三：电能表分散部署、采集终端远程布置。图3为方案三对应的网络拓扑。方案三与前两种区别较大,主要在于：电能量采集终端没有布置在配电室现场,而是远程布置在采集服务器所在的集控室机房或继保间内,采集终端与电能表之间的距离较远,超过了485通信线缆的最大距离,需要通过光纤连接,在两端采用485数据光端机进行转换。

图3 电能表分散部署、采集终端远程布置方式的网络拓扑

方案一和方案二本质上是一样的,方案一更节省空间,不需要在配电室中单独划出区域安装电能表屏,省去了方案二中电能表与负荷开关柜之间的电缆,成本上要小一些。方案二成本较高,适用于负荷开关柜中没有空间安装电能表的情况,且由于电能表集中安装在电能表屏中,便于运行人员进行巡检,另外采集终端也可以采用可扩展性和性能更好的插箱式采集器。

方案一和方案二比方案三的稳定性更好,更便于采集通信系统的调试,这是因为方案一和方案二中尽量避免用到485数据光端机,而485数据光端机相比起以太网光纤收发器而言,稳定性较差,并且在施工过程中容易出现485数据线没有一一对应或者记录错误,导致采集终端无法正常采集部分电能表的数据,调试起来也比较困难。方案二的成本在三种方案中相对较小,采集终端的数量也最少,适用于方案一和方案二都不能用的场合,比如配电室现场没有位置安放壁挂式采集器和交换机等设备,但有位置安放光端机。

综合考虑系统成本和稳定性,在可能的情况下,尽量优先选择方案一或者方案二,其次才是方案三。

5 结束语

文中对电厂配电系统的电能量智能采集的设计进行了探讨,通过三层垂直结构的分层设计,降低了各子系统的耦合度,提高了电厂电能量采集系统的稳定性和安全性,从而为电厂的电能量在线监测管理系统提供准确、实时的电能量数据来源。电厂通过全厂的电能量在线监测管理系统实时在线地监测各机组主要辅机的电能量参数和单耗、耗电率、厂用电率占比等性能指标,同时通过报表功能查询月度、年度的性能指标,为电厂降低厂用电率、进行节能改造提供数据支撑和依据。

[1]陈嘉.2X600 MW电厂电能量采集系统探讨 [J].科技与企业,2012(15)：154.

[2]孙迤,刘辉,朱超.电能量采集系统故障分析与现场维护[J].中国高新技术企业,2010(34)：145-147.

[3]曾晓梅.发电厂厂用电量综合管理系统浅析 [J].中国高新技术企业,2008(24)：173-174.

Design and Discussion of Intelligent Electric Energy Acquisition for Power Distribution System

SHEN Farong1,ZHAO Ming1,WU Yanwei2,ZHANG Hao2
(1.Yunnan Electric Power Rresearch Institute,Kunming 650217；2.Kunming ENERSUN technology co.,LTD.,Kunming 650051)

In order to solve the traditional manual meter reading data accuracy and real-time performance of the existing problems, design and discussion the intelligent electric energy acquisition of power distribution system,put forward by three layers of vertical structure design of power plant electric energy acquisition system,analyzing each layer of the hardware and software composition and implementation approach,put forward suitable for different applications of three kinds of watt-hour meter and acquisition terminal deployment scheme,and analyzes and compares the advantages and disadvantages of three kinds of scheme,optimization suggestions are given.

Power distribution systems；electric energy acquisition；electric energy collection terminal

TM76

B

1006-7345(2014)02-0081-03

2013-11-26

沈发荣 (1963),男,高级工程师,云南电网公司电力研究院。主要从事火电机组性能试验研究、技术服务、节能减排工作(e-mail)bestok888@163.com。