电力监控系统设计探讨

朱　文

(现代建筑设计集团 上海建筑设计研究院有限公司, 上海　200041)



电力监控系统设计探讨

朱文

(现代建筑设计集团 上海建筑设计研究院有限公司, 上海200041)

介绍了电力监控系统的监控功能,阐述了现场监控层、网络管理层、系统管理层的组成和作用,并比较监控层4种不同设备的功能和价格。从现场总线RS-485的通信方式分析了通信时间间隔,建议不同实时性要求的电力监控系统现场总线所接仪表的数量,分析了电力监控系统与电能管理系统的差异,建议在变配电主系统中设计电力监控系统,除满足系统要求外,还应兼顾电能管理系统的需求,尤其关注系统的可靠性和实时性。

电力监控系统; 现场监控层; 网络管理层; 系统管理层

0　引　言

建筑设备监控系统是智能建筑中重要的组成部分,而电力监控系统是建筑设备监控系统中最重要的一项,是建筑供配电系统的神经中枢和大脑,决定整个建筑是否可以安全、节能、高效地运行。随着控制、计算机和网络技术的快速发展,电力监控系统在智能建筑中的应用越来越普及,其功能也越来越强大,如何根据工程需求设计安全、可靠、经济、合理的电力监控系统值得进一步探讨[1]。

1　电力监控系统功能分析

智能化的变配电系统须具有安全、可靠、实时监控、故障快速处理、数据完整记录等特点,因此作为变配电系统控制中枢的电力监控系统通常应具备以下基本功能:数据采集及处理、操作控制、中文界面操作显示、故障记忆及分析、时间顺序记录、历史事件查询和报警处理、电能成本管理、运行报表和负荷曲线自动生成、数据库的建立和查询、在线维护、网络扩展等[2-3]。

从电力监控系统的对象进行分类,通常包括高压供配电系统监控、变压器监控、直流屏的检测、应急发电机的检测、0.4 kV配电系统的监控、电能质量的检测等。电力监控系统监控功能如表1所示。

2　电力监控系统构架

电力监控系统的拓扑结构一般采用分层、分布式结构,整个系统通常由现场监控层、网络管理层、系统管理层组成。电力监控系统拓扑结构如图1所示。

(1) 现场监控层主要由多功能继电保护装置、智能断路器的微机单元、多功能电力网络监控仪表、开关量输入/输出模块、可编程序控制器(Programmable Logic Controller,PLC)等监控单元设备组成。这些装置和模块与一次设备对应配置,就地安装于配电柜内。这些设备均带有RS-485网络通信接口,通过现场总线将相关设备连接起来,上传信息至通信管理层。部分监控单元不依赖网络而独立完成对监控对象(一次设备)的保护、控制、监测。另外视工程的需求,监控单元可配置开关状态显示、运行参数、保护整定值、故障信息和事故记录等功能。

表1电力监控系统监控功能

监控类别监控功能高压供配电系统监控 35(20、10)kV主进线的保护、变压器的保护、母线联络开关保护、测量及计算功能、控制功能、监视功能变压器监控 变压器温度检测、超温报警直流屏检测 交流电源电压、电流,直流合闸电源电压、电流,直流控制电源电压、电流,充电机运行状态及故障报警应急发电机检测 与发电机自带的微机控制系统联网,并采集设备运行信号和电气参数;监视应急配电系统的进线、馈线,监测各回路的电压、电流、功率等电气参数;监控应急配电系统断路器的运行、故障、状态信号0.4kV配电系统监控 监视:进线、联络、馈线各回路的电气参数,各回路的运行、故障及状态信号,无功补偿柜的三相电流及接触器状态;控制:操作功能(视工程需要的远程控制)和故障紧急处理功能;其他控制:火灾时非消防负荷电源的自动切除控制,无功补偿的自动控制电能质量检测 稳态参数包括电压、电流、功率因数、频率、谐波等,瞬态参数包括电压电流的瞬变(电压骤升、电压中断、电压波动、雷电波、浪涌电流、启动电流)、电压凹陷、电压不平衡度、频率变化,波形捕捉预先设定的时间长度的电压、电流稳态波形

图1　电力监控系统拓扑结构

(2) 网络管理层处于现场监控层与系统管理层之间,主要由现场管理机(数据采集器)、网络服务器、以太网交换机、通信处理器等设备组成,主要任务是完成现场监控层和网络管理层之间的网络连接、转换和数据、命令传输与交换,通过以太网还可以实现与火灾自动报警系统、建筑设备监控系统、安全防范系统等其他系统的网络通信,共享信息资源。

(3) 系统管理层通常配置高性能工业控制计算机、显示器、打印机、不间断电源(Uninterruptible Power Supply,UPS)、报警器、动态模拟屏等,设置于电气总控制室或值班室内,计算机内安装专用控制软件,将中间层传来的现场控制设备数据通过人机界面的方式显示,控制人员可发送命令给现场控制层设备,完成相应的操作和整定设置。

3　不同现场监控层设备的对比分析

在实际工程中,高压配电回路、变压器、直流屏等设备数量相对较少,监控功能相对简单,控制单元较固定。0.4 kV配电系统回路往往数量多、监控功能复杂,所配置的控制单元种类较多,对系统的功能、造价影响很大。现场监控层4种不同设备功能的比较如表2所示。

表2现场监控层4种不同设备功能的比较

比较项目智能断路器的微机单元多功能电力网络监控仪表开关量输入/输出模块PLC电能管理电参量种类只有基本电参量有多种电参量测量精度较低较高分时计费等无可选电能质量分析无可选——设备监控设备运维开关遥控可靠一般故障、事件报警种类多 因接点有限报警种类少开关设定、显示及校验可实现无开关信息采集可实现无开关运维信息可实现无 较可靠 可独立控制、可靠性高、速度快 取决于断路器的输入输出接点 可根据报警事件作预定的处置 — —价格高较高 低 高

由表2可见,4种监控单元的功能侧重点不同,造价也不同。

智能断路器的微机单元侧重设备监控和运维,由于通过微机单元通信接口直接传输断路器的状态、故障、设定值等信息,因此在电力监控系统的管理计算机上可获得更多的配电设备状态信息,便于设备的故障分析和运维。但在电能管理方面存在测量的电参量少、测量精度较低等缺点,且高端系列微机单元的造价很高。

多功能电力网络监控仪表侧重配电系统的电参量测量,可根据系统要求配置不同功能的仪表,测量各类电气参数,测量精度通常较高。因此,在电力监控系统的管理计算机上可获得配电系统运行情况。但由于仪表和断路器的输入/输出接点数量有限,通常只能作一些简单的控制和报警,监控系统无法获知具体的故障。

鉴于多功能电力网络监控仪表的输入/输出接点数量较少,一般可采用监控仪表+开关量输入/输出模块的方案,可兼顾电气参数测量和设备监控等功能。

上述监控单元由系统计算机集中控制,其控制的可靠性受网络管理层影响,尤其是监控仪表和开关量输入/输出模块的可靠性也会对控制系统产生不利的影响。因此,对特别重要的电力控制系统应采用PLC直接控制一次设备,既可以受系统管理主机控制,也不依赖网络管理层和系统管理主机而独立运行,根据报警事件按预定程序处置,具有可靠性高、速度快等优点。

4　电力监控系统实时性问题

电力监控系统的现场监控层设备大多采用RS-485网络通信接口,通过现场总线将相关设备连接起来,上传信息至网络管理层的通信服务器或现场管理机。由于RS-485总线支持一主多从的通信模式,对网络中的电力监控仪表、输入/输出模块等设备采用轮询的方式通信,通信主机通过呼叫从机的地址码来控制现场监控单元的相关动作。电力监控监控仪表链接示意如图2所示。

图2　电力监控监控仪表链接示意

理论上,1台电力监控仪表(RS-485总线)完成所有电参量的测控需要450～600 ms(遥信50～100 ms+间隔100 ms+遥测50～100 ms+间隔100 ms+电度50～100 ms +间隔100 ms),如某电力监控仪表的实测值为562 ms。那么如果通信服务器的1条RS-485总线连接5台仪表,其通信时间间隔为2.25～3.00 s;连接10台仪表,其通信时间间隔为4.5～6.0 s;连接20台仪表,其通信时间间隔为9～12 s。

因此,对于一个实时性控制要求高的电力系统,必须考虑RS-485总线的通信时间。在电力监控仪表数量确定的前提下,1条RS-485总线接的设备越少,整个电力监控系统需配置的现场管理机或通信服务器越多,系统的造价越高。因此,必须根据电力监控系统的实时性需求进行合理配置。

另外,在有些高端电力监控仪表中配置了以太网口,可以直接连接以太网,采用TCP/IP模式通信,但由于造价较高,一般仅用于特别重要的系统。

5　电力监控系统主机选择

电力监控系统主机直接决定了整个系统的安全性、稳定性,应采用高性能的工业控制计算机,并配以稳定的UPS。当变配电系统为一般的中小型系统,监控系统的控制要求不高,建议采用单主机型式;当变配电系统为重要的大型系统,监控系统的控制要求较高,建议采用双主机在线冗余运行,互为备份,确保系统安全、可靠;当变配电系统中有部分特别重要的、对实时性控制要求高的监控系统,可采用高可靠性的PLC直接对该部分编程控制。

6　电力监控系统与电能管理系统的关系

根据建筑节能相关规范,目前新建工程都需设置完整的电能管理系统,除了满足对照明、空调、动力、特殊类负荷的分类计量外,通常还需对租户进行分户计量及对单台大于50 kW的用电设备计量等。

电力监控系统与电能管理系统示意如图3所示。

图3　电力监控系统与电能管理系统示意

从监控范围来看,电力监控系统的主要监控对象是变配电所和发电机房的配电系统,而电能管理系统是除了上述系统以外,还需监控整个建筑内需要计量的租户、设备等电气参数,范围更广。

从监控系统实时性要求来看,电力监控系统数据通信的实时性和可靠性要求较高。而电能管理系统对数据通信的实时性和可靠性要求不高,而侧重于数据存储、数据统计和数据分析。

因此在工程设计中,建议在变配电主系统中设计电力监控系统,其功能除了满足该系统的要求外,还应兼顾电能管理系统的需求,尤其关注系统的可靠性和实时性,然后将电力监控系统采集到的电能参数打包上传至电能管理系统。电能管理系统除了接收上述数据外,还需采集工程中其他区域所需计量的电能参数,而电能管理系统的网络管理层对通信实时性和可靠性的要求相对较低,可节省投资。

7　结　语

电力监控系统的监控功能、现场监控层设备的选择、通信网络实时性、监控系统主机的型式等问题应根据建筑物的性质、特点、经济条件和电力系统的条件,经技术经济比较后确定,这样才能充分利用资金构建安全、节能、高效、实用的电力监控系统。

[1]住房和城乡建设部工程质量安全监管司,中国建筑标准设计研究院.全国民用建筑工程设计技术措施——电气[M].北京:中国计划出版社,2009.

[2]中国建筑学会建筑电气分会.民用建筑电气设计规范实施指南[M].北京:中国电力出版社,2008.

[3]中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册[M].3版.北京:中国电力出版社,2005.

Discussion About Design of Power Monitoring and Control System

ZHU Wen

(Shanghai Institure of Architectural Design & Research Co., Ltd.,Xian Dai Architectural Design Group, Shanghai 200041, China)

This paper introduced the monitoring and control functions of power monitoring and control system,and elaborated the frame and functions of field monitoring and control layer,network management layer,system management layer.The function and price of four different devices for monitoring and control layer were compared.The communication time interval was analyzed according to the communication mode of field bus RS-485.The reasonable quantities of power meters for each field control bus were suggested to meet the diffierent real-time requirements of power monitoring system.The differences between power monitoring and control system and power energy management system were analyzed.It is suggested that the power monitoring and control system should be designed in the power transformation and distribution main system,which not only meets the requirements of system,but also satisfies the requirements of power energy management system.The reliability and instantaneity of power monitoring and control system are particularly focused.

power monitoring system; field monitoring and control layer; network management layer; system management layer

朱文(1970—),男,高级工程师,从事建筑电气供配电设计与智能化设计。

TU 852

B

1674-8417(2016)07-0026-05

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.07.007

2016-06-30