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趙斌
上海安科瑞電氣股份有限公司 嘉定 201801
摘 要：本文以Acrel-2000智能電力監控系統的三層網絡拓撲結構為核心，分析了網絡拓撲結構的選型，以及智能電力監控系統功能和性能指標。
關鍵詞：電網用戶側 Acrel-2000智能電力監控系統拓撲結構 設計
1 概述
智能電力監控系統是數字化和信息化時代應運而生的產物，已經被廣泛應用于電網用戶側樓宇、體育場館、科研設施、機場、交通、醫院、電力和石化行業等諸多領域的高/低壓變配電系統中。例如，隨著信息技術的發展，智能建筑已成為城市現代化、信息化的重要標志。智能建筑的組成通常有三個要素，即建筑物自動化系統（BAS）、通訊自動化系統（CAS）和辦公自動化系統（OAS）。BAS是對整個系統進行綜合控制管理的統一體，它以計算機局域網絡為通信基礎，用于設備運行管理、數據采集和過程控制。智能電力監控系統便是BAS中的一個重要組成部分，通過智能電力監控系統可大大提高整個變配電系統的管理水平,方便地與其它BAS聯網,構成完整的樓宇自動化管理系統。因此，智能電力監控系統是智能建筑必不可少的組成部分,可以說沒有智能電力監控的建筑稱不上是智能建筑。
智能電力監控系統對高壓開關柜、低壓開關柜、應急發電機組、電力變壓器和EPS/UPS/ATS 等的工作狀態進行監控。通過實時記錄單相/三相電壓、單相/三相電流、功率、功率因數、電度、頻率和電流開關狀態等各項參數實現監測，當參數值超出允許的范圍時便產生預警、報警，并對相關設備進行控制。它以較少的投資，極大地提高了供配電系統的可靠性、安全性和自動化水平。
2 系統網絡拓撲的結構
智能電力監控系統是由智能測控裝置、網絡設備及計算機設備等互聯布局而成。系統因項目規模不同、功能性能不同、重要程度不同、用戶投資水平不同，可采取不同的拓撲結構。但是無論采取何種拓撲結構都是采用了“站控管理層——網絡通訊層——現場設備層”的分層分布式設計思想。這種分層設計，符合當前通訊體系設計實現的標準，在每層都能相對地完成監視控制功能，即可以實現遠方的監視控制，也能夠在上層故障時不影響本層和下一層的功能。Acrel-2000智能電力監控系統網絡拓撲結構如圖1所示。
圖1 系統網絡拓撲圖
各個結構層的具體形式如下：
�。�1）主站層（站控管理層）
位于監控室內，具體包括：安裝有智能電力監控系統的后臺主機等相關外設。負責將通訊間隔層上傳的數據解包，進行集中管理和分析，執行相關操作，負責整個變配電系統的整體監控。智能電力監控系統提供專用的通訊功能模塊，通過專用的以太網硬件通訊接口，以OPC方式或其它通訊協議向上一級系統（如：BAS 、DCS 或調度系統）發送相關的數據和信息，實現系統的集成。
�。�2）通訊間隔層（網絡通訊層）
采用通訊管理機，負責與現場設備層的各類裝置進行通訊，采集各類裝置的數據、參數，進行處理后集中打包傳輸到主站層，同時作為中轉單元，接受主站層下發的指令，轉發給現場設備層各類裝置。
�。�3）現場設備層
位于中低壓變配電現場，具體包括：微機保護裝置、多功能儀表、直流屏、溫濕控制器、電動機保護器等。負責采集電力現場的各類數據和信息狀態，發送給通訊間隔層，同時也作為執行單元，執行通訊間隔層下發的各類指令。
3 系統網絡拓撲結構的選型
在智能變配電系統設計時，需要準確判斷網絡拓撲結構，對網絡設備正確選擇。系統的可靠性、穩定性、實時性等方面的性能與網絡拓撲結構有著密切的關系。
3.1 整體要求
智能電力監控系統的拓撲結構雖然可以統一為三層結構，但是對整體網絡結構及分層細節設計十分重要，設計選型過程會受到諸多因素的制約。因此，網絡結構選型是設計院、用戶及系統集成商進行決策的重點環節，將對項目的整體報價與系統性能產生很大的影響。
網絡結構選型需要考慮系統功能、項目規模等因素。
3.1.1系統功能的要求
智能變配電系統按功能可劃分為以下幾種：
（1）監視型
只監視不控制。只對系統的運行、故障狀態和運行參數進行集中實時監測和自動采集、記錄，不具備遠程操作等控制功能。
（2）控制型
包括監視型的全部功能，同時可以人工對設備進行遠程控制、參數設置。
�。�3）自動型
包括控制型的全部功能，同時可以進行設備節能運行控制、邏輯控制、順序控制等。
�。�4）復合型
上述功能與用戶特殊需求的組合。系統功能的復雜性越高，對網絡結構與系統處理能力的要求越高，主要體現在對拓撲結構的冗余設計、設備數量、設備型號、現場總線的選擇上。
3.1.2項目規模的要求
在不考慮其它因素的前提下，項目規模往往是確定網絡拓撲結構的首要因素。智能電力監控系統首先要滿足系統的基本運行要求，還需滿足系統的可擴展性，但是應避免設計余量過大，造成項目投資過大，帶來不必要的浪費。設計前對項目進行深入的了解，考察項目的一次設備分布、距離間隔與設備數量。一次設備分布及距離間隔是確定通訊間隔層通訊子站數量的依據，一個子區域的設備數量是確定通訊子站類型及通訊接口的依據。項目整體設備數量與子站數量是確定主站層結構的依據。典型的系統結構有集中監控系統模式，區域供電集中監控系統模式以及光纖自愈環網集中監控模式。如圖2是區域供電集中監控系統模式的示意圖。
圖2 電力智能監控系統的區域供電集中監控模式
3.2 主站層設計
智能電力監控系統的主站用于運行專業化的電力監控軟件，擁有強大且性能優越的實時數據庫管理系統。網絡結構設計的目的是滿足用戶運行維護的需求，保證系統穩定性高、可靠性好、實時性強。對拓撲結構的設計方法主要有：冗余設計、計算機設備數量的選擇、設備型號的選配。
電力監控軟件多采用C/S 結構，系統功能可根據需要集中布局或分布布局，主站層網絡可采用雙以太網、雙主機、雙通訊機等冗余技術。這些技術對系統的性能影響較大，同時對系統的造價也產生很大的影響。
冗余技術包括網絡冗余、數據庫冗余、通訊冗余等。冗余設計的目的在于提高系統的可靠性，從而提高系統的性能。冗余設計首先需要監控軟件支持冗余運行及動態快速切換，還需要計算機設備或網絡設備的支持。主站層的配置方式有：單主機、單通訊機、雙主機、雙通訊機及功能的組合。對于上述冗余方式，對配置兩臺及以上計算機的項目可以引入網絡冗余，以提高網絡的可靠性，每臺計算機需要配置雙網卡，需配置兩臺以太網交換機。
3.3 通訊間隔層設計
通訊間隔層處于通訊樞紐的地位，向上連接主站層，向下貫通現場設備層，是影響整體拓撲結構的關鍵環節，是智能配電系統運行的紐帶。智能監控設備的信息通過通訊總線送到通訊間隔層通訊子站，然后將采集的所有運行/故障狀態信號和運行參數等信息通過通訊網絡上傳至主站，各通訊子站接收來自主站的遠程控制命令對該變配電站相應的配電設備進行控制。
目前通訊間隔層的上行網絡極大多數采用以太網方式，極特殊情況下受通訊條件的限制采用串行通訊方式，在有特殊設備要求的情況下采用PROFIBUS 網絡（如采用SIEMENS 的PLC 作為通訊子站）。
通訊間隔層的下行網絡目前極大多數采用現場總線方式，智能配電系統常用的現場總線有RS232 、RS422 、RS485 、CANBUS 、MODBUS 、PROFIBUS 等，現場總線方式由選擇的現場智能儀表或第三方智能設備確定。以太網方式是未來的發展趨勢，但是支持的現場智能設備太少，目前只應用于110kV 及以上電壓等級的高壓變電站內。
通訊間隔層通訊子站的數量與監控的一次設備地理分布密切相關，一般采取就近監控的原則，還需考慮子站的通訊容量、用戶投資成本來綜合確定。通訊間隔層的通訊子站是該層的關鍵設備，根據項目的不同要求可采取不同的設備類型，目前，比較流行的方式：工控機、HMI 、PLC 、串口服務器等。
3.4 現場設備層設計
現場設備層位于中低壓變配電現場，具體包括：中壓繼電保護裝置、現場I/O 、智能電力儀表、PLC 、溫控儀、UPS 、EPS 、ATS 、直流屏、發電機等智能監控設備。負責采集電力現場的各類數據和信息狀態，發送給通訊間隔層，同時也作為執行單元，執行通訊間隔層下發的各類指令。
4 網絡管理系統功能
智能電力監控系統應具有完善的網絡管理功能，網絡的拓撲結構自上而下呈金字塔結構，越向下網絡結構越復雜，設備種類越多，設備數量越大，越難于管理與維護。安科瑞（Acrel）公司開發的Acrel-2000電力監控系統具有強大、先進的網絡管理子系統，把供配電系統的運行設備和運行狀態置于毫秒級、周波級的連續精確的監視控制中。
a、友好的人機交互界面（HMI）
標準的變配電系統具有CAD一次單線圖顯示中、低壓配電網絡的接線情況；龐大的系統具有多畫面切換及畫面導航的功能；分散的配電系統具有空間地理平面的系統主畫面。主畫面可直觀顯示各回路的運行狀態，并具有回路帶電、非帶電及故障著色的功能。主要電參量直接顯示于人機交互界面并實時刷新。
b、用戶管理
本軟件可對不同級別的用戶賦予不同權限，從而保證系統在運行過程中的安全性和可靠性。如對某重要回路的合/分閘操作，需操作員級用戶輸入操作口令外，還需工程師級用戶輸入確認口令后方可完成該操作。
c、數據采集處理
Acrel-2000型電力監控系統可實時和定時采集現場設備的各電參量及開關量狀態（包括三相電壓、電流、功率、功率因數、頻率、電能、溫度、開關位置、設備運行狀態等），將采集到的數據或直接顯示、或通過統計計算生成新的直觀的數據信息再顯示（總系統功率、負荷最大值、功率因數上下限等），并對重要的信息量進行數據庫存儲。
d、趨勢曲線分析
系統提供了實時曲線和歷史趨勢兩種曲線分析界面，通過調用相關回路實時曲線界面分析該回路當前的負荷運行狀況。如通過調用某配出回路的實時曲線可分析該回路的電氣設備所引起的信號波動情況。系統的歷史趨勢即系統對所有已存儲數據均可查看其歷史趨勢，方便工程人員對監測的配電網絡進行質量分析。
e、報表管理
系統具有標準的電能報表格式并可根據用戶需求設計符合其需要的報表格式，系統可自動統計�？勺詣由筛鞣N類型的實時運行報表、歷史報表、事件故障及告警記錄報表、操作記錄報表等，可以查詢和打印系統記錄的所有數據值，自動生成電能的日、月、季、年度報表，根據復費率的時段及費率的設定值生成電能的費率報表，查詢打印的起點、間隔等參數可自行設置；系統設計還可根據用戶需求量身定制滿足不同要求的報表輸出功能。
f、事件記錄和故障報警
系統對所有用戶操作、開關變位、參量越限及其它用戶實際需求的事件均具有詳細的記錄功能，包括事件發生的時間位置，當前值班人員事件是否確認等信息，對開關變位、參量越限等信息還具有聲音報警功能，同時自動對運行設備發送控制指令或提示值班人員迅速排除故障。
g、五遙功能
Acrel-2000型電力監控系統不僅能實現常規的“遙信”、“遙控”、“遙測”、“遙調”功能，還可以實現“遙設”功能。
遙信：實時對開關運行狀態、保護工作等開關量進行監視。計算機實時顯示和自動報警。
遙控：通過計算機屏幕選擇相應的站號、開關號、合/分閘等信息，并在屏幕上將選擇的開關狀態反饋出來，確認后執行，實時記錄操作時間、類型、合開關號等。
遙測：通過計算機實時對系統電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、超限報警、頻率進行不斷地采集、分析、處理、記錄、顯示曲線、棒圖，自動生成報表。
遙調：用于有載變壓器的調壓升/降。
遙設：用于遠方修改分散繼電保護裝置的定值、控制字；以及調整各種儀表的工作狀態。
5 系統的性能指標
|
序號 |
內 容 |
指標 |
序號 |
內 容 |
指標 |
|
1 |
事件記錄正確率 |
≥99.9% |
8 |
事故時遙信變位傳送時間 |
≤1s |
|
2 |
遙信正確率 |
100% |
9 |
事故推畫面時間 |
＜2s |
|
3 |
遙控正確率 |
100% |
10 |
遙信變位 |
＜1s |
|
4 |
遙調正確率 |
100% |
11 |
遙控過程完成 |
＜3s |
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5 |
遙測正確率 |
≥99.9% |
12 |
模擬量測量綜合誤差 |
＜0.5% |
|
6 |
重要遙測更新周期 |
＜2s |
13 |
電網頻率測量誤差 |
＜0.01Hz |
|
7 |
一般遙測更新周期 |
＜3s |
|
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6 結束語
本文以Acrel-2000智能電力監控系統的三層網絡拓撲結構為核心，分析了網絡拓撲結構的選型，以及Acrel-2000電力監控系統的功能和性能指標。在電力監控系統中，配置網絡電力儀表具有實施簡明、投資少等顯著優點，可以方便和實時地監控配電系統的運行狀態，對現場的用電設備進行統一管理，免去工作人員到現場記錄的繁瑣工作，系統對各種用電設備的歷史運行數據和狀態進行管理分析，便于維護人員明確設備狀況，制定詳細的設備維護計劃，減少工作人員，提高效率。同時，根據建立的電能計量體系，可以了解、分析建筑總體能耗，提出降耗計劃，采取節能降耗措施，逐步提高用電效率。
參考文獻：
[1]上海安科瑞電氣股份有限公司產品手冊.2010.08版.
[2]上海浦元自動化科技有限公司產品手冊.
[3]《智能建筑設計標準》GB/T50314-2000 2
作者簡介：趙斌，男，本科，上海安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能電力監控與電能管理系統，Email: acrelsh@126.com 手機：13917437076
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