電力監(jiān)控系統(tǒng)在教學演示中的應用
安科瑞 師晴晴孔**
摘要：介紹北京市電氣工程學校(電力運行管理與維修實訓中心)電力監(jiān)控系統(tǒng)，采用智能電力儀表采集配電現(xiàn)場的各種電參量，現(xiàn)場配有模擬屏，通過后臺控制模擬屏的分合，演示給學生高壓、低壓倒閘操作等的步驟。系統(tǒng)采用現(xiàn)場就地組網(wǎng)的方式，組網(wǎng)后通過現(xiàn)場總線通訊并且由擴展卡傳至后臺，通過Acrel-2000型電力監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)變電所配電回路用電的實時監(jiān)測和模擬屏的控制。
關(guān)鍵詞：北京市電氣工程學校;模擬屏;智能電力儀表;Acrel-2000型;自行組網(wǎng);電力監(jiān)控系統(tǒng)
0引言
北京市電氣工程學校創(chuàng)建于1976年，1984年成立職業(yè)高中部，1991年被教委批準為獨立設(shè)置的職業(yè)高中校，1995年走向規(guī)模辦學，1998年評為北京市中等職業(yè)學校骨干示范校，2001年制冷與空調(diào)設(shè)備運用與維修專業(yè)被評為北京市骨干特色專業(yè)，2003年被北京市教委評為“北京市職業(yè)教育單位”。2003年合并了原朝陽職成中專學校，到目前已發(fā)展成擁有：經(jīng)濟法律事務(wù)、工商法律事務(wù)、制冷和空調(diào)設(shè)備運用與維修、電子與信息技術(shù)、計算機及外設(shè)維修、計算機軟件、樓宇智能化技術(shù)、電氣設(shè)備運行與管理、物業(yè)管理等9個專業(yè)，面向社會開展各相關(guān)專業(yè)的職業(yè)資格培訓，在全市處于**地位，是市級再就業(yè)培訓的單位。
學校目前一校五址，有獨立使用權(quán)校舍的占地面積27370平方米，建筑面積21133平方米;藏書8萬余冊，學校設(shè)有塑膠跑道、人工草皮足球場、塑膠籃球場，裝備了的閉路電視教學系統(tǒng)、校園局域網(wǎng)、計算機房、財會模擬室、多媒體教室和遠程教學系統(tǒng)，具有高精技術(shù)指標適應現(xiàn)代教學需求的空調(diào)制冷、電工、電子、視頻、鉗工、電梯、汽修等實習室。學校師資力量雄厚，84%的教師具有中**技術(shù)職稱，專業(yè)教師均持有中、**專業(yè)技術(shù)資格證書。在校生近1200人。社會培訓每年2000人左右，累計畢業(yè)生3128人，就業(yè)率95%以上，近三年高職升學共計260人，升學人數(shù)居朝陽職高校**名。目前學校開設(shè)八個專業(yè)：制冷和空調(diào)設(shè)備運用與維修、電子與信息技術(shù)專業(yè)、計算機軟件專業(yè)、計算機及外設(shè)維修、電梯安裝與維修、樓宇智能化技術(shù)、汽車運用與維修、電氣設(shè)備運行與管理、經(jīng)濟法律事務(wù)專業(yè)、工商法律事務(wù)專業(yè)，各專業(yè)學校均有職業(yè)資格等級培訓資格，學生職高畢業(yè)可取得學歷和崗位資格或等級證兩個以上的證書。多年來學校**貫徹教育方針，秉承持續(xù)發(fā)展的人力資源開發(fā)及服務(wù)首都經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展的辦學宗旨，堅持學歷教育與非學歷教育并舉的多種模式辦學，為首都培養(yǎng)了幾千名技術(shù)人才，學校注重學生**素質(zhì)和綜合職業(yè)能力的培養(yǎng)和提高，辦學成績斐然，得到社會各界的普遍贊譽。
由于北京市電氣工程學校為了給學生充分展示配電教學的全過程，因此建立了后臺電力監(jiān)控系統(tǒng)，對配電進行智能化管理。本項目主要是對北京市電氣工程學校變電所配電進行監(jiān)測以及對模擬屏進行實時控制。根據(jù)學校配電系統(tǒng)管理的要求，需要對變電所內(nèi)的低壓配出線進行電力監(jiān)測，對模擬屏實時控制，以便學生可以充分學習到配電系統(tǒng)的每一個部分。
Acrel-2000型電力監(jiān)控系統(tǒng)，充分利用了現(xiàn)代電子技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，對變配電系統(tǒng)進行分散數(shù)據(jù)采集和集中監(jiān)控管理。對配電系統(tǒng)的二次設(shè)備進行組網(wǎng)，通過計算機和通訊網(wǎng)絡(luò)，將分散的配電所的現(xiàn)場設(shè)備連接為一個有機的整體，實現(xiàn)電網(wǎng)運行的遠程監(jiān)測和實時監(jiān)控。
1 系統(tǒng)設(shè)計
本電力監(jiān)控系統(tǒng)主要對一個變電所進行變配電管理，本變電所并不投入使用，主要是演示給學生如何操作的，模擬屏的作用是進行學生考核的，即學生在后臺進行對模擬屏發(fā)送信號，老師在模擬屏現(xiàn)場觀察，以此來判斷學生的操作順序是否正確。高壓并沒有運行，只是引進的220v普通用電，低壓也是模擬運行。本系統(tǒng)監(jiān)控值班室設(shè)置在隔壁房間的監(jiān)控室。因此，為實現(xiàn)對整個北京電氣工程學校電力系統(tǒng)的實時監(jiān)測及對模擬屏的實時監(jiān)控，在值班室設(shè)立了監(jiān)控中心，基于Acrel-2000的電力監(jiān)控系統(tǒng)后臺，實現(xiàn)對整個配電系統(tǒng)的實時監(jiān)測與實時監(jiān)控。
1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本電力監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)北京電氣工程學校變電所的0.4kV配電系統(tǒng)的用電監(jiān)測與模擬屏的實時監(jiān)控;監(jiān)測范圍為變電所的T1、T2變壓器的低壓進線柜、聯(lián)絡(luò)柜、饋線柜中的智能電力儀表和模擬屏，從而實現(xiàn)遠程實時監(jiān)測和模擬屏的實時監(jiān)控。該系統(tǒng)總計有61只儀表(其中全部為PZ系列智能儀表)和一個模擬屏，分4條總線，由于變電所與值班室距離較近，采用變電所內(nèi)自行組網(wǎng)，然后通過擴展卡直接接至電腦，實現(xiàn)該現(xiàn)場總線上儀表、模擬屏與監(jiān)控主機的數(shù)據(jù)連通。
系統(tǒng)主要采用分層分布式計算機網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖1所示：站控管理層、網(wǎng)絡(luò)通訊層和現(xiàn)場設(shè)備層[1]。
圖1 系統(tǒng)總體拓撲圖
1)站控管理層
站控管理層針對電能管理系統(tǒng)的管理人員，是人機交互的直接窗口，也是系統(tǒng)的上層部分。主要由系統(tǒng)軟件和必要的硬件設(shè)備，如工業(yè)級計算機、打印機、UPS電源等組成。電能管理系統(tǒng)軟件具有良好的人機交互界面，對采集的現(xiàn)場各類數(shù)據(jù)信息計算、分析與處理，并以圖形、數(shù)顯、聲音等方式反映現(xiàn)場的運行狀況。
監(jiān)控主機：用于數(shù)據(jù)采集、處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。為系統(tǒng)內(nèi)或外部提供數(shù)據(jù)接口，進行系統(tǒng)管理、維護和分析工作。
打印機：系統(tǒng)召喚打印或自動打印圖形、報表等。
UPS：保證計算機監(jiān)測系統(tǒng)的正常供電，在整個系統(tǒng)發(fā)生供電問題時，保證站控管理層設(shè)備的正常運行，提供足夠的時間進行數(shù)據(jù)存儲。
2)網(wǎng)絡(luò)通訊層
通訊層設(shè)備為CP134U-I四口擴展卡。該層是數(shù)據(jù)信息交換的橋梁，負責對現(xiàn)場設(shè)備回送的數(shù)據(jù)信息進行采集、分類和傳送等工作的同時，轉(zhuǎn)達上位機對現(xiàn)場設(shè)備的各種控制命令。
通訊介質(zhì)：系統(tǒng)主要采用屏蔽雙絞線，以RS485接口，Modbus通訊協(xié)議實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備與上位機的實時通訊。
3)現(xiàn)場設(shè)備層
現(xiàn)場設(shè)備層是數(shù)據(jù)采集終端，主要由智能儀表和模擬屏組成，采用具有高可靠性、帶有現(xiàn)場總線連接的分布式I/O控制器構(gòu)成數(shù)據(jù)采集終端，向數(shù)據(jù)中心上傳采集的數(shù)據(jù)。智能電力儀表擔負著基層的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，其監(jiān)測的數(shù)據(jù)完整、準確并實時傳送至監(jiān)控主機。
以上網(wǎng)絡(luò)儀表均采用RS485接口和Modbus-Rtu通訊協(xié)議，RS485采用屏蔽線傳輸，一般都采用二根連線，接線簡單方便;通訊接口是半雙工通信即通信的雙方都可以接收、發(fā)送數(shù)據(jù)但是在同一時刻只能發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸速率為10Mbps。RS485接口是采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，抗噪聲干擾能力增強，總線上允許連接多達32個設(shè)備，傳輸距離為1.2km。
1.2 現(xiàn)場儀表
本項目對于變壓器低壓主進線回路，饋線回路等，采用的都是PZ-80/E4智能電力儀表，PZ-80/E4智能電力儀表，為嵌入式安裝，可安裝在動力箱或低壓出線柜門板上，面板尺寸為80mm×80mm，規(guī)格為220/380V、5A，電流經(jīng)互感器接入，精度0.5級，廣泛應用于高、低壓進線柜、聯(lián)絡(luò)柜、出線柜、動力柜等場合，帶RS485接口，Modbus通訊協(xié)議[2]。
2 電力監(jiān)控系統(tǒng)主要功能
2.1 數(shù)據(jù)采集與處理
數(shù)據(jù)采集是配電監(jiān)控的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)采集主要由底層多功能網(wǎng)絡(luò)儀表采集完成，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)的本地實時顯示。需要完成采集的信號包括：三相電壓U、三相電流I、頻率Hz、功率P、功率因數(shù)COSφ、電度Epi、遠程設(shè)備運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)處理主要是把按要求采集到的電參量實時準確的顯示給用戶，達到配電監(jiān)控的自動化化和智能化要求，同時把采集到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫供用戶查詢。
2.2 人機交互
系統(tǒng)提供簡單、易用、良好的用戶使用界面。采用全中文界面，CAD圖形顯示低壓配電系統(tǒng)電氣一次主接線圖，顯示配電系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)及相應實時運行參數(shù)，畫面定時輪巡切換;畫面實時動態(tài)刷新;模擬量顯示;開關(guān)量顯示;連續(xù)記錄顯示等。
2.3 歷時事件
歷時事件查看界面主要為用戶查看曾經(jīng)發(fā)生過的故障記錄、信號記錄、操作記錄、越限記錄提供方便友好的人機交互，通過歷史事件查看平臺，您可以根據(jù)自己的要求和查詢條件方便定位您所要查看的歷史事件，為您把握整個系統(tǒng)的運行情況提供了良好的軟件支持。
2.4 數(shù)據(jù)庫建立與查詢
主要完成遙測量和遙信量定時采集，并且建立數(shù)據(jù)庫，定期生成報表，以供用戶查詢打印。
2.5 用戶權(quán)限管理
針對不同級別的用戶，設(shè)置不同的權(quán)限組，防止因人為誤操作給生產(chǎn)，生活帶來的損失，實現(xiàn)配電系統(tǒng)的**，可靠運行?？梢酝ㄟ^用戶管理進行用戶登錄、用戶注銷、修改密碼、添加刪除等操作，方便用戶對賬號和權(quán)限的修改。
2.6 運行負荷曲線
負荷趨勢曲線功能主要負責定時采集進線及重要回路電流和功率負荷參量，自動生成運行負荷趨勢曲線的，方便用戶及時了解設(shè)備的運行負荷狀況。點擊畫面相應按鈕或菜單項可以完成相應功能的切換;可以查看實時趨勢曲線或歷史趨勢線;對所選曲線可以進行平移、縮放、量程變換等操作，幫助用戶進線趨勢分析和故障追憶，為分析整個系統(tǒng)的運行狀況提供了直觀而方便的軟件支持。
2.7 遠程報表查詢
報表管理程序的主要功能是根據(jù)用戶的需要設(shè)計報表樣式，把系統(tǒng)中處理的數(shù)據(jù)經(jīng)過篩選、組合和統(tǒng)計生成用戶需要的報表數(shù)據(jù)。本程序還可以根據(jù)用戶的需要對報表文件采用定時保存、打印或者召喚保存、打印模式。同時本程序還向用戶提供了對生成的報表文件管理功能。報表具有自由設(shè)置查詢時間實現(xiàn)日、月、年的電能統(tǒng)計，數(shù)據(jù)導出和報表打印等功能。
2.8 模擬屏的實時監(jiān)控
系統(tǒng)使用者可以在后臺中進行高壓低壓倒閘模擬操作，可以通過點擊后臺畫面中高壓低壓回路的開關(guān)，對模擬屏發(fā)送信號，可以實現(xiàn)對模擬屏中每一個點的實時控制。
3 系統(tǒng)案例分析
上位機軟件為Acrel-2000電力監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)軟件，該軟件是對現(xiàn)場電參量數(shù)據(jù)進行采集與監(jiān)控的專用軟件，的特點是能以靈活多樣的“組態(tài)形式”而不是編程方式來進行系統(tǒng)集成，它提供了良好的用戶開發(fā)界面和簡捷的工程實現(xiàn)方法，只要將其預設(shè)置的各種軟件模塊進行簡單的“組態(tài)”，便可以非常容易地實現(xiàn)和完成對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)控功能。Acrel-2000電力監(jiān)控系統(tǒng)具有友好的人機交互界面，可實時和定時采集現(xiàn)場設(shè)備各電參量及開關(guān)量狀態(tài)，并將采集到的數(shù)據(jù)上傳給監(jiān)控主機進行實時顯示與存儲。系統(tǒng)還提供了實時曲線和歷史趨勢曲線分析，符合用戶設(shè)計需要的報表、事件記錄和故障報警等功能[3]。整個系統(tǒng)可以實現(xiàn)所有回路用電量的采集和統(tǒng)計，實現(xiàn)了遠程自動抄表、電力監(jiān)測與實時監(jiān)控功能。
3.1 數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)圖顯示
現(xiàn)場儀表測量并采集回路數(shù)據(jù)信息，上位機軟件再對現(xiàn)場儀表的數(shù)據(jù)進行定時或周期采集并存儲，可以自由設(shè)置采集的時間周期，小的系統(tǒng)支持的采集周期?？梢噪S時查看任一表計的瞬時表值、累計量等信息，記錄時間間隔內(nèi)電力儀表的電壓、電流、功率因數(shù)和有功電度等。這些參數(shù)信息可以自動保存到數(shù)據(jù)庫中，便于查詢。
系統(tǒng)具有友好的人機界面，便于普通的現(xiàn)場值班人員查看并記錄相關(guān)信息，系統(tǒng)一次圖(如圖2)不僅顯示了線路的開關(guān)狀態(tài)，還實時顯示電力等重要的電力參數(shù)。所有數(shù)據(jù)信息都定期的保存到數(shù)據(jù)庫中。
圖2高壓一次系統(tǒng)圖
3.2 遠程抄表
系統(tǒng)對所有采集到的數(shù)據(jù)都能實時的顯示，并保存到數(shù)據(jù)庫中，因此可以手動查詢每個回路的所有實時及歷史電參量數(shù)據(jù)，并以表格的形式展現(xiàn)給用戶，便于打印、保存。如圖3所示。
圖3 回路遠程抄表
3.3 電壓趨勢曲線
本系統(tǒng)對于重要回路，不僅可以對電壓進行實時顯示與監(jiān)測，并可以根據(jù)保存的歷史數(shù)據(jù)做成趨勢曲線，可以查看實時和歷史變化趨勢，預測電能質(zhì)量，并可對電力故障進行查詢，保證電力負荷的**運行。如圖4所示。
圖4 電流趨勢曲線
3.4 事件記錄與報警
主要用于查看歷史報警信息;幫助用戶進行事故查詢與追憶;支持歷史查詢，打印等功能。實時報警信息會即時彈出，提醒用戶所進行的操作。并對所有操作具有自動事件記錄功能。如圖5所示。
圖5 回路跳閘報警
3.5 模擬屏的實時監(jiān)控
主要用于老師對學生的考核。學生可以在電腦前進行高壓、低壓分合閘過程的模擬操作，同時系統(tǒng)會相應的給模擬屏發(fā)送信號，老師可以在模擬屏現(xiàn)場查看學生操作的是否正確。如圖6所示。
圖6 模擬屏
4 結(jié)束語
隨著智能建筑的發(fā)展及電力的廣泛應用，對智能建筑的配電系統(tǒng)的智能化集成管理已成為國家機關(guān)辦公建筑及大型公共建筑智能化建設(shè)的必然趨勢，本文介紹的基于Acrel-2000的電力監(jiān)測與電力監(jiān)控系統(tǒng)，不僅可以實時顯示電力運行狀態(tài)及用電狀況，還能對數(shù)據(jù)進行分析處理，以用戶適用的方式展現(xiàn)出來，滿足用戶的需求，實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的分析、處理，其生成各種電能報表、分析曲線、圖形等，極大的方便了用戶的使用，便于配電系統(tǒng)的實時監(jiān)控與電參量的遠程抄表與分析研究，為智能建筑的節(jié)能技術(shù)提供參考。
參考文獻
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