淺談電力監(jiān)控系統(tǒng)在太陽能電池工廠的應用

程瑜

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

摘要：隨著計算機技術、網絡技術、工業(yè)控制技術的不斷發(fā)展，越來越多的用戶開始重視智能化電力監(jiān)控系統(tǒng)的建設。近幾年電力監(jiān)控系統(tǒng)給人們帶來的人力成本節(jié)省、工作效率提高、生產安全可靠性提高等諸多優(yōu)點得到了業(yè)內人士的一致認同。太陽能電池工廠生產工藝復雜，動力配套設施龐大，對供配電系統(tǒng)的可靠性、安全性、實時性、易用性、兼容性及縮小故障影響范圍提出了更高的要求；同時，太陽能電池工廠還具有高能耗的特點，對能源管理也有較高要求。所以，電力監(jiān)控系統(tǒng)對大型太陽能電池工廠顯得尤為重要。結合大型太陽能電池工廠變電站工程實例，對其電力監(jiān)控系統(tǒng)作了詳細的介紹。
關鍵詞：電力監(jiān)控系統(tǒng)；變電站；智能化；供配電；能源管理；太陽能電池；工廠

0 引 言

隨著計算機技術、網絡技術、工業(yè)控制技術的不斷發(fā)展，越來越多的用戶開始重視智能化電力監(jiān)控系統(tǒng)的建設，近幾年電力監(jiān)控系統(tǒng)給人們帶來的節(jié)省人力成本、提高工作效率、提高生產安全可靠性等諸多優(yōu)點得到了業(yè)內人士的一致認同。太陽能電池工廠生產工藝復雜，動力配套設施龐大，對供配電系統(tǒng)的可靠性、安全性、實時性、易用性、兼容性及無人值守、縮小故障影響范圍提出更高的要求；同時，太陽能電池工廠還具有高能耗的特點，對能源管理也有較高要求。所以，電力監(jiān)控系統(tǒng)顯得尤為重要。本文結合某大型太陽能電池工廠一期變電站工程的工作，簡要介紹該工程電力監(jiān)控系統(tǒng)的實施情況。
該工程全廠占地面積4.8萬m2,建筑面積19.2萬m2,主要建筑為主廠房和綜合動力站及若干輔助建筑物，主廠房長400m,寬90m,共四層；綜合動力站長90 m,寬45m,共二層；全廠用電設備裝設容量29.8 MW。一期工程在主廠房和綜合動力站內共設置6個變電站，其中1號站、2號站、3號站在主廠房第一層。變電站主要設備有26臺10 kV開關柜、14臺變壓器、99臺0.4 kV配電柜、3套直流屏、2臺柴油發(fā)電機組等，各變電站內均為后期工程預留足夠設備安裝位置。

1電力監(jiān)控系統(tǒng)架構
變電站內主要設備均納入電力監(jiān)控系統(tǒng)范圍，該工程在綜合動力站一層設置有控制室，即電力監(jiān)控系統(tǒng)的主站。電力監(jiān)控系統(tǒng)子系統(tǒng)按變電站劃分為6個部分，分別建立各自的監(jiān)控分站，管理就近的供配電設備，同時將這些分站的數據信號發(fā)送到建在控制室的主站監(jiān)控中心，以便實現控制分散、管理集中、整體運行管理智能化的要求。各分站間采用光纖形成環(huán)型網絡結構，l號光纖、3號光纖、4號光纖、5號、6號光纖沿室內電纜橋架敷設，2號光纖沿埋地排管敷設，7號光纖沿室外電纜橋架敷設。全廠各分站網絡拓撲圖.如圖1所示。

為了確保供配電系統(tǒng)運行安全可靠、管理高效，該工程采用可靠的綜合繼電保護產品、采取遠程終端技術、計算機技術、現場總線技術、電力管理軟件產品等形成“變電站PowerLogic電力監(jiān)控系統(tǒng)”。整個系統(tǒng)的硬件和軟件設計都著眼于高可靠性、高實用和高擴展性，為實現變電站科學化、智能化管理提供了可靠的平臺。
為了達到系統(tǒng)要求的功能綜合化、測量顯示數字化、操作監(jiān)視屏幕化、運行管理智能化，設計為每個監(jiān)控站采集10 kV高壓系統(tǒng)的電源電壓、電流、頻率、有功電度、無功電度及開關運行、故障狀態(tài)；監(jiān)測變壓器的溫度狀態(tài)；以及0.4 kV低壓配電系統(tǒng)的電源電壓、電流、功率因數、各總斷路器及聯(lián)絡開關的運行及故障跳閘狀態(tài)，遠程分合閘控制；同時實時檢測站內直流屏設備的運行情況；監(jiān)測柴油發(fā)電機組發(fā)電機組運行，監(jiān)測電流、電壓、頻率、功率因數及轉速、溫度、油壓等狀態(tài)。
2系統(tǒng)功能
（1）記錄包括：遙測超越記錄、遙信記錄、事件順序記錄、具有自動投切設備的投停記錄、柴油發(fā)電機組起動、停止記錄；操作記錄。

（2）事件順序記錄：事故發(fā)生時，在比較高的時間精度記錄下發(fā)生位置、設備編號、時間、動作保護名稱、故障參數、保護動作時刻。

（3）操作記錄：設備控制、設備編號、時間、性質、操作人、監(jiān)護人；保護名稱、修改時間、操作人、監(jiān)護人。
2.1人機界面設定
（1）電氣接線圖及實時數據畫面顯示：全廠供電系統(tǒng)圖、各變電站10 kV接線圖、直流屏接線

圖，0.4 kV接線圖。

1. 實時數據的各種報表、曲線等的顯示、各種參數的在線設置和修改、控制操作檢查和閉鎖。負荷趨勢見圖2。

圖2 負荷趨勢圖
（3）實時數據的調用菜單、引導圖、各種報表、畫面、表格等生成的工具俱全.1號站網絡拓撲圖如圖3所示

（4）報警：報警具有聲響、閃光、語言等方式。
2.2 操作控制功能

（1）10 kV系統(tǒng)：斷路器，負荷開關的分、合閘控制、主變壓器有載分接頭調節(jié)，操作防止誤閉領功能。

（2）0.4 kV系統(tǒng)：每臺變壓器低壓總進線斷路器、聯(lián)絡斷路器及重要斷路器的分、合閘控制及防誤操作閉鎖。

2.3數據統(tǒng)計和處理功能

（1）10 kV系統(tǒng)：對繼電保護中各種限值、運行狀態(tài)進行監(jiān)視及報警處理、閉鎖和解除；直流電源狀態(tài)。

（2）對系統(tǒng)設備狀態(tài)監(jiān)視；運行數據計算和統(tǒng)計、電量累加、分時統(tǒng)計，運行日報表、月報表、年報表統(tǒng)計，*大值、*小值、負荷率、各種事故的統(tǒng)計，歷史數據庫的顯示與存儲。
2.4 實時數據采集功能

（1）遙測實時數據：母線電壓、線路電流、功率、電度、變壓器溫度等。

（2）遙信包括斷路器的位置，柴油發(fā)電機狀態(tài)等。

（3）保護設備的狀態(tài)、動作記錄等數據。
3 系統(tǒng)網絡構成
該工程電力監(jiān)控系統(tǒng)由三層網絡構成：設備層，采用Modbus RS-485現場總線技術；通信管理層，實現通信協(xié)議的轉換及數據壓縮；監(jiān)控管理層，即計算機監(jiān)控層。
3.1 設備層

采用Modbus RS-485現場總線，通訊介質采用多層屏蔽RS485雙絞線，傳輸帶寬可達

38.4 kh/s,傳輸距離可達1200 m?，F場采集設備主要為施耐德SEPAM系列的綜保設備SEPAM

S20、MT斷路器、多功能電力監(jiān)測儀表以及直流屏、柴油發(fā)電機組通信模塊等，均帶有標準RS-485通信接口，并且都采用相同的Modbus通信協(xié)議，互相連接形成RS-485的總線網絡。在電力監(jiān)控軟件上可以直接顯示出現場設備的運行狀況，從而達到了遠程監(jiān)測、管理、控制的目的。

3.2通信管理層

由工業(yè)以太網交換機、通信服務器、多串口服務器及通信設備柜等構成，它連接設備層和計算機監(jiān)控管理層，進行數據的預處理、壓縮，通過10M/100M自適應以太網RJ45 UTP接口與計算機監(jiān)控管理層連接。多中口服務器實現系統(tǒng)規(guī)模的擴充，16條串口實現*多512個現場智能設備的連接，隨時可將附屬的供配電設備信息接入本系統(tǒng)。通信服務器實現通信協(xié)議的高速轉換，同時壓縮數據，增加數據傳輸帶寬，提高數據吞吐量。工業(yè)以太網交換機支持多臺主機同時對其進行訪問，TCP/IP通信方式開放、靈活，便于靈活構成分布式監(jiān)控系統(tǒng)。為分站和總站通信設備均配置UPS作為備用電源，提高系統(tǒng)可靠性。以上通信設備以及UPS電源、過電壓保護設備等一體化布置在通信設備柜內，整潔美觀。現場運行圖見
圖4、圖5。

3.3計算機監(jiān)控管理層

由管理控制局域網以及監(jiān)控主機和監(jiān)控管理軟件構成。監(jiān)控主機采用高性能、高可靠性、大容量存儲器的品牌計算機，配置大屏幕高分辨率顯示器，安裝中文Micrusoft Windows NT實時多任務操作系統(tǒng)，電力監(jiān)控軟件采用電力監(jiān)控組態(tài)軟件，它內置強大的圖形功能、數據顯示功能、報警功能、歷史數據記錄分析功能、報表功能等；內嵌編程語言，可以編制各種功能強大的智能管理軟件，實現用戶對配電系統(tǒng)的科學化、智能化管理的要求。

4系統(tǒng)特點

系統(tǒng)特點如下：整體性能力極強，完整解決方案；科學管理，節(jié)約成本；結構合理、產品系統(tǒng)安全可靠；組網靈活，通用性強；操作簡單，免維護；接口規(guī)范，安全擴展；監(jiān)控軟件具有良好的自診斷與自恢復功能。

采用施耐德框架斷路器的本體通信模塊和抽架通信模塊，實現對MT斷路器的遠程控制，也是該系統(tǒng)的一大亮點。
5安科瑞Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)解決方案

5.1概述

針對用戶變電站（一般為35kV及以下電壓等級），通過微機保護裝置、開關柜綜合測控裝置、電氣接點無線測溫產品、電能質量在線監(jiān)測裝置、配電室環(huán)境監(jiān)控設備、弧光保護裝置等設備組成綜合自動化的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，實現了變電、配電、用電的安全運行和全面管理。監(jiān)控范圍包括用戶變電站、開閉所、變電所及配電室等。

Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)是安科瑞電氣股份有限公司根據電力系統(tǒng)自動化及無人值守的要求，針對35kV及以下電壓等級研發(fā)出的一套分層分布式變電站監(jiān)控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)是應用電力自動化技術、計算機技術、網絡技術和信息傳輸技術，集保護、監(jiān)測、控制、通信等功能于一體的開放式、網絡化、單元化、組態(tài)化的系統(tǒng)，適用于35kV及以下電壓等級的城網、農網變電站和用戶變電站，可實現對變電站全方位的控制和管理，滿足變電站無人或少人值守的需求，為變電站安全、穩(wěn)定、經濟運行提供了堅實的保障。

5.2應用場所

適用于軌道交通，工業(yè)，建筑，學校，商業(yè)綜合體等35kV及以下用戶端供配電自動化系統(tǒng)工程設計、施工和運行維護。

5.3系統(tǒng)架構

Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式設計，可分為三層：站控管理層、網絡通信層和現場設備層，組網方式可為標準網絡結構、光纖星型網絡結構、光纖環(huán)網網絡結構，根據用戶用電規(guī)模、用電設備分布和占地面積等多方面的信息綜合考慮組網方式。

5.4系統(tǒng)功能

（1）實時監(jiān)測：直觀顯示配電網的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電參數信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路有關故障、告警等信號。

（2）電參量查詢：在配電一次圖中，可以直接查看該回路詳細電參量。

（3）曲線查詢：可以直接查看各電參量曲線。

（4）運行報表：查詢各回路或設備時間的運行參數。

（5）實時告警：具有實時告警功能，系統(tǒng)能夠對配電回路遙信變位，保護動作、事故跳閘等事件發(fā)出告警。

（6）歷史事件查詢：對事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

（7）電能統(tǒng)計報表：系統(tǒng)具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內各配電節(jié)點的用電情況。

（8）用戶權限管理：設置了用戶權限管理功能，可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限。

（9）網絡拓撲圖：支持實時監(jiān)視并診斷各設備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網絡結構。

（10）電能質量監(jiān)測：可以對整個配電系統(tǒng)范圍內的電能質量和電能可靠性狀況進行持續(xù)性的監(jiān)測。

（11） 遙控功能：可以對整個配電系統(tǒng)范圍內的設備進行遠程遙控操作。

（12）故障錄波：可在系統(tǒng)發(fā)生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各種電氣量的變化情況。

（13） 事故追憶：可自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時穩(wěn)態(tài)信息。

（14） Web訪問：展示頁面顯示變電站數量、變壓器數量、監(jiān)測點位數量等概況信息，設備通信狀態(tài)，用電分析和事件記錄。

（15）APP訪問：設備數據頁面顯示各設備的電參量數據以及曲線。

6系統(tǒng)硬件配置

應用場合	型號	圖 片	保護功能
電力監(jiān)控系統(tǒng)	Acrel- 2000Z		電力監(jiān)控主要針對10/0.4kV地面或地下變電所，對變電所高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀表進行保護和監(jiān)控，對0.4kV出線配置多功能計量儀表，用于測控出線回路電氣參數和用能情況，可實時監(jiān)控高低壓供配電系統(tǒng)開關柜、變壓器微機保護測控裝置、發(fā)電機控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調、事故報警及記錄等。
網關	ANet- 2E8S1		8路RS485串口，光耦隔離，2路以太網接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPC UA等協(xié)議的數據接入，ModbusTCP（主、從）、104（主、從）、建筑能耗、SNMP、MQTT 等協(xié)議上傳，支持斷點續(xù)傳、XML、JSON進行數據傳輸、支持標準8GB SD卡（32GB）、支持不同協(xié)議向多平臺轉發(fā)數據；每個設備的多個報警設置。輸入電源：AC/DC 220V，導軌式安裝。
35kV/10kV/6kV 微機保護裝置	AM6-* AM5SE-*		適用于6-35kv配電線路、主變、配電變壓器、電動機、電容器、PT監(jiān)測/PT并列、母聯(lián)/備自投等中高壓柜微機保護
35kV/10kV/6kV 弧光保護	ARB5-M		主控單元，可接20路弧光信號或4個擴展單元，配置弧光保護（8組）、失靈保護（4組）、TA斷線監(jiān)測（4組）、11個跳閘出口；
	ARB5-E		擴展單元，多可以插接6塊擴展插件，每個擴展插件可以采集5路弧光信號：
	ARB5-S		弧光探頭，可安裝于中壓開關柜的母線室、斷路器室或電纜室，也可于低壓柜?；」馓筋^的檢測范圍為180°，半徑0.5m的扇形區(qū)域；
35kV/10kV/6kV 進線柜電能質量 在線監(jiān)測	APView500		相電壓電流＋零序電壓零序電流，電壓電流不平衡度，有功無功功率及電能、事件告警及故障錄波，諧波（電壓/電流63次諧波、63組間諧波、諧波相角、諧波含有率、諧波功率、諧波畸變率、K因子）、波動/閃變、電壓暫升、電壓暫降、電壓瞬態(tài)、電壓中斷、1024點波形采樣、觸發(fā)及定時錄波，波形實時顯示及故障波形查看，PQDIF格式文件存儲，內存32G，16D0＋22D1，通訊2RS485＋1RS232＋1GPS，3以太網接口（＋1維護網口）＋1USB接口支持U盤讀取數據，支持61850協(xié)議。
35kV/100kV/6kV 高壓柜智能操控、 節(jié)點測溫	ASD500		5寸大液晶彩屏動態(tài)顯示一次模擬圖及彈簧儲能指示、高壓帶電顯示及閉鎖、驗電、核相、3路溫溫度控制及顯示、遠方/就地、分合閘、儲能旋鈕預分預合閃光指示、分合閘完好指示、分合閘回路電壓測量、人體感應、柜內照明控制、1路以太網、2路RS485、1路USB接口、GPS對時、高壓柜內電氣接點無線測溫、全電參量測溫、脈沖輸出、4～20mA輸出；
35kV/10kV/6kV 間隔電參量測量	APM830		三相（1、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序電流In，四象限電能，實時及需量，本月和上月值，電流、電壓不平衡度，66種報警類型及外部事件（SOE）各16條事件記錄，支持SD卡擴展記錄，2-63次諧波，2D1＋2D0，RS485/Modbus，LCD顯示；

35kV/10kV/6kV 高壓柜除凝露溫濕度控制器	WHD72面板式		支持測量并顯示2路溫度，2路濕度。
	WHD20R導軌式		支持測量并顯示2路溫度，2路濕度。
變壓器繞組 溫度檢測	ARTM-8		8路溫度巡檢，預埋PT100，RS485接口，2路繼電器輸出；
0.4KV低壓進出線柜接頭測溫	ARTM-Pn-E		無線測溫采集可接入60個無線測溫傳感器；U、I、P、Q等全電參量測量；2路告警輸出；1路RS485通訊；
	ATE400		合金片固定，CT感應取電，啟動電流大于5A，測溫范圍-50-125C，測量精度±1℃；無線傳輸距離空曠150米；
0.4KV低壓柜內環(huán)境溫濕度	AHE100		無線溫濕度傳感器，溫度精度：±1℃，濕度精度：±3％RH，發(fā)射頻率：5min，傳輸距離：200m，電池壽命：≥3年（可更換）
	ATC600		兩種工作模式：終端、中繼。ATC600-Z做中繼透傳，ATC600-Z到ATC600-C的傳輸距離空曠1000m，ATC600-C可接收AHE傳輸的數據，1路485,2路報警出口。
0.4KV低壓進線柜多功能電力儀表	AEM96		三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，總正反向有功電能統(tǒng)計，正反向無功電能統(tǒng)計；2-31次分次諧波及總諧波含量分析、分相諧波及基波電參量（電壓、電流、功率）；電流規(guī)格3×1.5(6)A，有功電能精度0.5S級,無功電能精度2級；工作溫度：-10℃～+55℃；相對濕度：≤95不結露
0.4KV低壓出線柜多功能電力儀表	AEM72		三相電參量U、1、P、Q、S、PF、F測量，總正反向有功電能統(tǒng)計，正反向無功電能統(tǒng)計；2-31次分次諧波及總諧波含量分析、低壓出線分相諧波及基波電參量（電壓、電流、功率）；電流規(guī)格3x1.5(6)A,有功電能精度0.5S級，無功電能精度2級

7結語

該工程電力監(jiān)控系統(tǒng)驗收投運后，實際運行情況達到預期效果，得到了使用方的滿意評價。其便利及實用性主要反映在以下幾個方面：工作人員可以方便和實時地監(jiān)控電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)，為優(yōu)化電力設備運行提供了有效參考，對現場的用電設備進行統(tǒng)一管理，免去到現場記錄的繁瑣工作，提高效率，實現了無人值守智能變電站的目標；形成了一個基礎的能源管理系統(tǒng)，可以完成對能源數據進行在線的采集、計算、分析及處理從而實現對能源物料平衡、調度與優(yōu)化、能源設備運行與管理等方面發(fā)揮著重要的作用；由于全廠工程龐大而分期實施，系統(tǒng)設計時為后期預留了充足的接口，使用方在后期實施的擴容工程中得到了很大的便利。

該項目存在各變電站內部兩臺變壓器互相備用、變電站之間變壓器互相備用的情況，0.4 kV進線和母聯(lián)MT斷路器間互投關系復雜，在方案設計階段需要充分理解電力系統(tǒng)的運行方式，明確各斷路器間的投切邏輯關系，以指導硬件連接和軟件編寫。在電力系統(tǒng)正式投運前還進行了聯(lián)動調試進行驗證，這是該電力監(jiān)控系統(tǒng)實施的難點。

由于電力監(jiān)控系統(tǒng)屬于智能化供配電系統(tǒng)的一部分，其集成度相當高，工程移交前編寫了用戶操作手冊，并組織使用人員進行了3天的理論培訓和上機培訓，對疑點、難點進行了詳細的講解，讓使用人員對電力監(jiān)控系統(tǒng)的操作有了深入了解的同時，也使該系統(tǒng)在以后的運行中功能得到充分利用奠定了基礎。

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審核編輯 黃宇