区域供能SCADA系统构建研究与设计

周一军 陈建平 吴佳

(上海工业自动化仪表研究院1,上海 200233;上海虹桥商务区新能源投资发展有限公司2,上海 200335)

区域供能SCADA系统构建研究与设计

周一军1陈建平2吴佳1

(上海工业自动化仪表研究院1,上海 200233;上海虹桥商务区新能源投资发展有限公司2,上海 200335)

针对区域供能系统由多种供能设备构成这一现状,提出建立一套集中管控系统用以对区域供能系统进行统一有效管理。考虑到各设备参数的复杂性及多样性,提出应用数据采集与监视(SCADA)技术建设一套能源中心运行管理自控系统(即区域供能SCADA系统)。SCADA系统实现了区域能源生产、管沟输送、用户换能站的实时监控和生产运行调度的集中管理,满足核心区内用户的全部冷/热空调用能、生活热水需求。系统的成功建设对同类工程项目具有示范作用。

区域供能 数据采集与监视(SCADA) 集中管理 控制系统 三联供系统

0 引言

近年来,北京、上海、广州、深圳、天津等众多城市提出并加快推进城市中心商务区的建设计划,力争给城市产业转型升级提供空间载体。城市中心商务区大都通过功能高度集聚以追求能级效应,这往往会形成较大的开发建设规模和较高的建设强度。为尽量减少对生态环境的影响,开辟新时代商务区建设发展的新模式,越来越多的城市提出了建设低碳商务区的构想。

分布式供能是实现低碳商务区构想的有效措施之一。它是在能源的梯级利用基础上,将供热、发电及制冷过程一体化的多联供总能系统,又称为“能源岛系统”。系统具有靠近用户、梯级利用、能源利用率高、能源供应安全可靠等优点。

本文针对分布式供能系统,研究科学的管控系统对分布式供能设备进行实时调度控制,满足商务区内用户的冷、热需求,保证商务区低碳建设理念的实现。

1 建设区域供能系统的意义

大城市90%以上的碳排放来自能源消耗。因此,低碳实践从能源使用入手,区域集中供能就是供能优化工程的核心内容。所谓区域集中供能,就是对一定区域内的建筑群,由一个或多个能源站集中制取冷水、热水或蒸汽等冷热媒,通过区域管网输配到各单体建筑内,为用户提供能源服务[1]。

相对于传统集中供电系统,区域集中供能具有节能、高效、环保和安全等特点,近年来在世界范围内的应用日益广泛[2-7]。

我国分布式供能技术已经发展近20年。在分布式供能系统的建设方面,国内外已有较多类似已建和在建的工程项目,这些项目在设计及运行技术方面已趋于成熟。初期,分布式供能项目都以单体建筑物项目为主。其后,随着各种分布式能源设备性能不断改进,分布式供能成本不断降低,应用范围也不断扩大,覆盖了包括办公楼、宾馆、商店、饭店、住宅、学校、医院、福利院、疗养院、大学、体育场馆等多种场所,其应用对象是一个从小到大、从单体建筑到群体建筑甚至较大规模城区的发展过程。国家“十二五”新兴能源产业发展规划提出,在“十二五”期间我国要建设1 000个分布式供能示范项目。

数据采集与监视控制系统(supervisory control and data acquisition,SCADA)与区域供能系统是相辅相成的。SCADA系统是以计算机为基础的集散控制系统(distributed control system,DCS)与电力自动化监控系统。在电力系统中,SCADA系统应用最为广泛,技术发展也最为成熟。SCADA系统在远动系统中占重要地位,可以对现场的运行设备进行监视和控制,以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能,即“四遥”功能[8-9]。

2 区域供能系统功能定位

设计旨在构建一个集“可靠性、先进性、经济性、实用性”为一体的能源中心运行管理自控系统,即SCADA系统,实现对能源生产(三联供系统、水蓄冷系统、冷水机组、燃气热水锅炉等)、管沟输送、用户换能站的实时监控和生产运行调度管理,满足区域内用户的电、热、冷用能需求。

设计中首先考虑如何在保证变配电系统的安全稳定运行的情况下,合理调配各供能设备的协调运行。然后通过系统运行过程中对运行数据的积累及分析,完成对控制策略的优化,最终达到供能系统安全、运行经济的目标。

区域供能SCADA系统的建设通过构建冗余的光纤环网,链接下层各供能子系统,实现生产运行数据的采集。通过科学的数据分析,实现能源输送的优化调度;通过开发完整的软件平台,实现各功能模块的统一管理。

3 区域供能系统建设方案

3.1 SCADA监控系统构成

区域供能SCADA系统由SCADA监控中心(计算机监控管理系统)、各供能子系统(分布式供能系统、冷水机、燃气热水锅炉、变配电、建筑智能化系统、管沟子系统等)控制系统以及千兆工业通信网络组成,遵循“集中管理、分散控制、资源共享”的原则。

①监控中心计算机监控管理系统包括:监控操作员站、监控管理员站、数据服务器、应用服务器、建模运算服务器、磁盘阵列等附属网络交换设备。

②三联供控制系统的控制对象包括:发电机组、溴化锂机组、热交换设备、并网控制柜、冷却塔、三联供管路公共阀门、三联供管路公共仪表、三联供管路附属设备。

③供冷控制系统由冷冻机组群控系统及水蓄冷槽、冷水二次泵、管道阀门仪表等相关设备两部分组成。冷冻机组群控系统由承包商成套提供;水蓄冷槽、冷水二次泵、管道阀门仪表等相关设备的控制由SCADA系统集成。

④供热控制系统由锅炉群控系统和热水二次泵、管道阀门仪表等相关设备两部分组成。锅炉群控系统由承包商成套提供;热水二次泵、管道阀门仪表等相关设备的控制由SCADA系统集成。

⑤管网控制系统由管网PLC站和管沟地面沉降监测系统组成。

⑥电能管理系统包括电能监控主站。

⑦建筑智能系统包括建筑智能系统主控站。

3.2 初步设计原则

整个控制系统是由各子系统的控制系统和区域SCADA控制中心组成。在区域SCADA系统正常运行的情况下,由区域SCADA控制中心进行控制;当区域SCADA系统无法正常运行时,通过对各子系统的控制系统实施人工干预,实现能源中心的正常生产运行。

区域供能SCADA监控中心是一个具有客户机/服务器(client/server)结构的计算机控制系统,其组成整个区域供能的监控管理层。

监控中心可采集供能各子系统的全部运行参数和信息,实时监控整个能源生产和输送流程、设备运行状况,通过权限约定,在线调度遥控各子系统运行。构成的自动控制系统以实现区域生产现场的无人值守为目标和全系统计算机智能化管理,为具有先进水平的现代化供能企业提供一个生产监控和运营管理的信息交换处理平台。

大规模的区域性冷、热、电联供装机容量在国内没有成熟的运行调度控制经验,而且用户端需随地块开发逐步推进,在短期内无法达到稳定。所以在机组运行初期,采用人工干预的方式进行控制较为适宜;待各子系统运行稳定后,经过一定的运行参数积累,在条件成熟时进行系统的自动运行调试。

三联供机组在供冷模式下,根据区域内冷需负荷来优化协调冷水机组、溴化锂制冷及蓄冷水槽制/放冷的组合,实现最高能效、最低成本的运行。三联供机组在供热模式下,根据区域内热需负荷来优化协调燃气热水锅炉、三联供热交换设备的组合,实现最高能效、最低成本的运行。

区域供能SCADA监控中心如图1所示。

图1 区域供能SCADA监控中心Fig.1 The monitoring center of regional energy supply SCADA system

3.3 区域供能SCADA系统功能

区域供能SCADA系统由SCADA监控中心、各供能子系统以及千兆工业通信网络组成。其功能描述示意图如图2所示。

图2 区域供能SCADA系统功能描述图Fig.2 Functional descriptions of regional energy supply SCADA system

SCADA监控中心监控功能:实现能源生产、管沟输送、换能站运行的实时监控,协调各子系统运行。

SCADA监控中心管理功能:优化调度、客户管理、能效管理及安全生产。

各子系统管控功能:各成套子系统群控主机对子系统自身设备进行协调控制及联锁保护,控制系统由专业厂家完成。

为了保证区域供能SCADA系统与各站点之间数据交换的实时性,使其及时、准确、可靠、协调、高效率地工作,区域供能SCADA系统需达到如下要求。

①数据读取吞吐量达到300 000点/s。

②单点方式同步/异步查询实时值平均时间≤10 ms。

③批量点(100点)方式同步/异步查询实时数据平均时间≤1 s。

④批量方式同步/异步查询实时数据总吞吐量≥126 000 TPS。

在区域供能SCADA系统的统一调度、协调下,各子系统实现最优化运行,并采用区域供能SCADA中心控制级和各子系统群控主机控制级两级控制模式。

第一级为各子系统群控主机控制级。各个子系统群控主机通过通信网络对子系统自身所有过程变量及设备运行状态进行数据采集、监视控制及联锁保护。

第二级为区域供能SCADA中心控制级。对南/北区区域供能所有子系统进行远程监控,实行统一调度管理。

各子系统群控主机控制系统至少应实现以下操作模式:①支持区域供能SCADA中心集中监视和远程调度控制;②各子系统群控主机具有手动/自动控制功能。

3.4 区域供能SCADA系统应用实例

虹桥商务区作为上海首个低碳商务社区,是区域供能的一个应用实例。虹桥商务区北区设立一套能源中心运行管理自控系统,对南、北区区域能源生产、管沟输送、用户换能站的实时监控和生产运行调度实现集中管理,满足核心区(一期)内用户的全部冷/热空调用能、生活热水需求。

区域SCADA监控中心设立在北区。北区域供能SCADA系统由下列系统组成:监控中心计算机监控管理系统、三联供控制系统、供冷控制系统、供热控制系统、管网控制系统、电能管理系统、建筑智能系统以及千兆工业通信网络。

南区供能SCADA系统由下列系统组成:监控计算机管理系统、三联供控制系统、供冷控制系统、供热控制系统、管网控制系统、电能管理系统、建筑智能系统以及千兆工业通信网络。

南、北两区以光纤贯通,由中国电信敷设一根12芯的单模铠装光缆,接入点位置由建设方确定。

依据虹桥商务区全区域供能的总体规划,将设立1个供能SCADA监控中心(三号供能中心)、4个供能监控站。目前,设立于北区的SCADA监控中心届时可整体迁移到三号供能中心。通过全区域贯通的光纤网络,该SCADA监控中心实现对全区域的能源生产、管沟输送、用户换能站的实时监控和生产运行调度、管理。北区SCADA系统拓扑图如图3所示。

图3 北区SCADA系统拓扑图Fig.3 Topological structure of the North SCADA system

4 结束语

区域供能系统在提高能源利用效率、节能减排等环境保护方面有突出的作用,SCADA系统对确保区域供能系统稳定高效的运作提供了必不可少的监控平台。该平台在虹桥商务区的建设,可促进商务区的绿色发展、确保商务区用电安全可靠,对整个上海市的能源建设具有示范作用。

[1] 潘亚鸿.上海市实施分布式供能的可行性分析[J].华电技术, 2008,30(9):77-79.

[2] 李永兵,岳建华,沈炳耘.冷热电分布式供能系统的应用和发展[J].燃气轮机技术,2008,21(3):4-7.

[3] 邱红,金广君,林姚宇.CBD新区规划设计中的低碳理念探讨[J].华中建筑,2011(1):10-13.

[4] 江亿.集中供热网控制调节策略的探讨[J].区域供热,1997(2): 10-14.

[5] 宗明,朱钦.虹桥商务区智能电网功能定位与特色[J].华电电力,2013,41(4):826-829.

[6] 汪勋.论集中供热自动化控制系统[J].区域供热,1997(5):22-23.

[7] 王华忠.监控与数据采集(SCADA)系统及其应用[M].北京:电子工业出版社,2010.

[8] Stuart A B.SCADA:supervisory control and data acqusition[M]. 2nd edition.Carolina:Instrument Society of America,1999.

[9] 谢明.基于Internet的SCADA数据传输系统研究[D].南京:南京理工大学,2003.

Research and Design of Construction of the SCADA System for Regional Energy Supply

Regional energy supply system is constituted by a variety of equipment for energy supply,thus establishing a set of centralized management and control system is proposed to implement unified and effective management of regional energy supply system.Considering the complexity and diversity of the parameters of each device;by applying SCADA technology,the automatic control system of energy center operation and management(i.e.,regional energy supply SCADA system)is constructed.The SCADA system realizes regional energy production,pipe canal transportation,real time monitoring of user transducer stations,and centralized management of production operation dispatching,it meets the demands for cooling/heating air conditioning,and domestic hot water of users in kernel area.The successful construction of the system possesses demonstration effect to similar engineering projects.

Regional energy supply Supervisory control and data acquisition(SCADA) Centralized management Control system Combined cooling heating power(CCHP)system

TP273

A

2012年上海市软件和集成电路产业发展专项基金资助项目(编号:120449)。

修改稿收到日期:2014-02-13。

周一军(1967-),男,1990年毕业于上海工业大学自动化及仪表专业,获学士学位,教授级高级工程师;主要从事工业控制领域智能控制技术和信息技术应用的研究。