太阳能远控系统在燃气地调站的应用

粟成龙　王宝德　李震

摘要：在燃气地调站系统中，大多数采用太阳能进行供电，现场使用天阳能电池板、蓄电池、逆变器等设备，将太阳能转化为为电能供现场RTU、电伴热、照明等设施使用。由于现场环境及日照时间的影响均会对太阳能供电系统的效能产生影响，因此冬季使用需有专业人员进行维护。现场通过RTU对地调站内的仪表数据的进行采集，通过GPRS MODEM有监控中心发送控制指令至现场。

关键词：地调站 太阳能 蓄电池 RTU GPRS MODEM

中图分类号：TM621 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）08-0007-02

现代工业发展已全面进入工业自动化生产时代，在生产过程中生产人员通过对RTU①设备进行远程控制，从而做到生产的自动化。但面对复杂的生产环境，许多地区难以建设变电设施，自动化设备得不到供电，因此相对更加容易获取的太阳能便成为了首选。在燃气地调系统中，太阳能的应用尤为突出，通过太阳能电池板、蓄电池系统，对现场二次仪表及RTU、GPRS MODEM②等设备提供24V直流电源，再经由逆变器将24V直流电源转换为天然气加臭设备、站区照明设备、冬季电伴热需要的220V交流电源。

采集系统主要由RTU完成。RTU作为主要采集设备，设备本身包含DO，DI③模块以及AO，AI④模块。还包括232/485通讯接口以及TCP/IP通讯接口。采集系统由RTU、防雷器、信号安全栅、供电电源、继电器等设备组成。并且由于使用太阳能该设备被设计为具有低功耗待机工作的特点。

RTU通过Modbus 485协议采集现场流量计内当前流量、累计工况流量、管道内压力、管道内温度等现场数据，并将数据存储至指定RTU内部寄存器中当中，通过GPRS MODEM发送至燃气监控中心，供监控人员进行监测、管理。

RTU除了具备采集功能外还具备远程控制功能以及逻辑运算功能。可事先对RTU编写当现场设备超过报警点时系统会采取何种保护措施的程序，如一般现场使用电动控制阀的状态包括开到位、关到位、故障报警、手/自动切换、阀门开关度反馈以及阀门开关度设定等参数。控制系统一般情况下都会采用自动运行状态，当逻辑控制启动时，RTU控制器会根据用户已设定程序，来判断当前为用气高峰期或是平缓期。一般燃气地调站均采用电动调节阀门，该阀门可通过设定4-20mA电流信号进行开关度的调节。处于高峰期时，系统自动通过AO模块给与电动阀门相应指令，将电动阀门完全打开，确保周边用户燃气使用量充足；而处于平缓期时，控制系统会自动收集现场燃气出口压力，并与已设定好平缓期应有压力进行比较，当实际差值为正整形参数时，系统会自动关闭阀门至相应开关度，反之则系统会自动打开阀门至相应开关度。当比较压力差值的过程中，差距较大时，阀门开关动作会相应加大；而差距较小时，阀门开关动作也会相应小一些。直至燃气出口压力与已设定压力范围相符。特殊情况下，压力出现异常波动，阀门也会智能根据设定进行调节，最后调节其达到平衡。

当系统处在高峰期或平缓期过渡时，需要注意一点是，进行打开或者关闭阀门的动作不宜过快，这是由于气体瞬间流量过大，很容易对现场二次仪表传感器造成物理损坏，因此RTU控制阀门打开或关闭过程中，需要有适当的延时处理。该系统中，阀门打开动作频率最高不超过量程1%每分钟，关闭动作最高不超过量程15%每分钟。

并且由于燃气属于高危可燃性气体，因此出于安全性角度，地调站工作过程中，是不允许完全关闭电动阀门的。瞬间停气，会造成周围设备发生燃气泄漏的情况，因此需要对阀门进行最小开度的锁定，即在该系统中，阀门不允许关闭至量程20%以下，以确保燃气使用的安全。

另外，为了应对地调站有可能发生的意外故障，该系统还设置了现场紧急状况处理办法，如压力下限报警，温度异常报警，供电系统异常报警。当报警点被触发时RTU会自动发出指令，对现场设备进行预先设定好的命令，缓慢关闭阀门至完全关闭状态。此过程中系统也会即时采集现场设备工作状态以及相应参数，并将数据通过GPRS MODEM远程发送至监控中心上位操作系统。

上位操作系统所使用的开发平台为组态软件。该软件可以进入燃气监控管理系统。在现场工艺流程界面中，显示的是整体燃气地调站工艺过程。在这里可以监视当前流量计的瞬时流量、累计流量，电动阀门的开关程度，各管道压力等。此画面中还可以监测到现场调节阀的当前状态，通过不同的颜色用以区分，其中绿色为远程状态指示，红色为本地状态指示；深绿色表示电动阀门开到位，深红色表示电动阀门关到位；黄色表示出现故障。另外在此画面中，还可以查询各站点GPRS MODEM的通讯状态，绿色表示通讯正常，红色表示通讯中断。

当遇到特殊情况时，可由监控中心人员通过对现场数据分析，确定现场设备是否可以继续安全使用，监控中心通过上位操作系统发送指令至现场RTU，再由RTU对现场的设备进行相应控制，以实现远程的人工控制，一些紧急情况下，则还要考虑现场人工排障。事后上位操作系统会将现场数据储存至监控中心SQL Server数据库中，以供日后分析参考。

供电系统则由太阳能电池板与蓄电池共同提供，太阳能电池板被摆放在场地内一垂直于正午日照光线处，摆放时应避免周围有遮挡物；蓄电池与RTU控制单元，单独置于一独立防爆自控柜体内部，与太阳能电池板通过防爆挠性管连接，将电气系统与现场环境隔开，避免由于燃气泄漏所引起的安全事故。

燃气设施要求24小时不间断运行，在日间日照强度比较充足时，太阳能电池板可实时将太阳能转换为电能，其中一部分电能用于现场设备供电，另一部分则存储到蓄电池当中；在夜间或者阴天日照强度不足时，系统通过蓄电池存储的电能为现场设备供电。

尽管太阳能供电系统既方便亦环保，但也不可避免的存在着一些弊端，如冬季时太阳能采集效率会大大降低。由于季节的寒冷导致用气量加大，加臭设备的使用频率增加，以及电伴热的开启，用电量却是全年的最高峰。为保证冬季的系统不间断运行，除在设备启闭上提出一些要求之外，也需要尽可能使用节电设备，减少电量消耗，延长电池工作时间。

本文以某项目第四季度运行状况为例，对充电电压和蓄电池电压进行科学监测。通过对历史记录的分析，可以看出充电时间集中在每日8时至17时左右，随着季节不同，充电时间和充电电压都会有所变化。在日落之后，充电电压基本消失，系统依靠蓄电池储存电能继续工作。该期间由于设施运行，导致蓄电池电压下降0.7V。

图1为阴天时电池电压和太阳能充电电压对照图，可以看出，虽然在8月，气温很高，但因为没有阳光，充电电压仅能维持在与电池电压一致的水平上。

图2为晴天时电池电压和太阳能充电电压对照图，可以看出，在正午时分，阳光充足，可以实现4小时左右的充电时间。

在春季、夏季、秋季，因为不需要使用电伴热等大功率耗电设备，而远程控制系统耗电量极小，所以基本可实现免维护。

在冬季，太阳能电池板发电效能随日照强度有所降低，在伴热开启后，需要对蓄电池电压进行持续监测，在极端气候条件下，蓄电池电压降低至警戒线时，需专业维护人员到现场进行蓄电池维护，此周期一般最小可达15天。

考虑到节电问题，一般情况下只有当程序判断到需要操作现场220V电动设备时，才会启动逆变器，并检测电动设备的实时运行状态，当检测到电动设备停止使用时，程序就会发出停止操作命令，然后关闭逆变器，最大限度降低能源损耗，增加系统的运行时间。

注释：

①RTU（远程终端单元），英文全称RemoteTerminalUnit，中文全称为远程终端控制系统，负责对现场信号、工业设备的监测和控制。

②GPRS MODEM是一种物联网传输终端，用户通过运营商GPRS网络或是GSM网络进行远程无线数据传输与交互。主要应用监测与信息预警预报等领域。

③DO即数字量输入模块，DI即数字量输出模块。

④AO即模拟量输入模块，AI即模拟量输出模块。