基于網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的供電自動(dòng)化的設(shè)計(jì)和實(shí)踐

戚少庸

（杭州電化集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 311228）

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)和控制領(lǐng)域中，在工廠供電自動(dòng)化系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)同樣發(fā)揮重要的作用。通過(guò)應(yīng)用控制技術(shù)、信息處理和通信技術(shù)，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和自動(dòng)裝置提高供配電系統(tǒng)的安全可靠性和電氣管理、調(diào)度的及時(shí)性、合理性和準(zhǔn)確性。

在杭州電化集團(tuán)有限公司搬遷項(xiàng)目中，通過(guò)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，對(duì)變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、整流監(jiān)控系統(tǒng)、配電監(jiān)控系統(tǒng)以及與企業(yè)EMS系統(tǒng)通信的設(shè)計(jì)和實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了信息共享。

1 基于SEL保護(hù)裝置的變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)

1.1 工程規(guī)模

杭州電化集團(tuán)有限公司搬遷工程共有1個(gè)110 kV總降和5個(gè)10 kV高壓配電所，整個(gè)項(xiàng)目規(guī)模為110 kV進(jìn)線兩回，采用內(nèi)橋接線及50 MVA主變2臺(tái)，電壓等級(jí)為110/35/10 kV。35 kV及10 kV均采用單母線分段，其中，35 kV供6臺(tái)容量為16 000 kVA的整流變壓器。

1.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)為雙機(jī)雙網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分3層，即間隔層、通信管理層和主站層。110 kV變電站綜合自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。

（1）間隔層。設(shè)備包括進(jìn)線、母聯(lián)、變壓器、整流變、母線PT、電動(dòng)機(jī)、電容器、各配電室間隔所有SEL微機(jī)保護(hù)及測(cè)控裝置，所有保護(hù)和測(cè)控裝置均以“一對(duì)一”的方式接入通信管理層通信處理器。

（2）通信管理層。由SEL-2032通信管理機(jī)組成，負(fù)責(zé)接入間隔層保護(hù)、測(cè)控裝置，監(jiān)控主機(jī)和間隔層設(shè)備。通過(guò)通信管理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，完成數(shù)據(jù)采集和控制命令下發(fā)。

（3）主站層?？傋冸娬驹O(shè)主備服務(wù)器2臺(tái)，5個(gè)10 kV配電室各設(shè)監(jiān)控主機(jī)1臺(tái)，7臺(tái)相互獨(dú)立的計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)組成，可非常方便地與其他變電站或計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)接口。采用主備或平行工作方式，任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)故障均不會(huì)影響其他計(jì)算機(jī)的正常運(yùn)行。配備1臺(tái)工程師工作站用于保護(hù)裝置遠(yuǎn)方整定及故障錄波數(shù)據(jù)調(diào)用。

（4）全站設(shè)1臺(tái)GPS同步時(shí)鐘（具IRIG-B輸出），對(duì)全站系統(tǒng)及全部通信、保護(hù)、測(cè)控裝置進(jìn)行IRIG-B對(duì)時(shí),確保所有裝置時(shí)差小于1 ms。

（5）系統(tǒng)布置：總降110 kV主變、35 kV系統(tǒng)及整流機(jī)組組屏安裝；總降10 kV、10 kV高配所有間隔層微機(jī)保護(hù)直接安裝布置于高壓開(kāi)關(guān)柜面板上；通訊管理機(jī)以屏體方式布置于110 kV總降、10 kV高配。110 kV變電站綜合自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。

1.3 變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題

作為整流行業(yè)的企業(yè)變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，其自身的供電特色和供電要求具有與一般的供電企業(yè)不同的技術(shù)要求和特點(diǎn)，需要考慮以下問(wèn)題。

（1）產(chǎn)品選型。氯堿企業(yè)供電要求高可靠性，同時(shí)整流行業(yè)具有不同于一般企業(yè)的強(qiáng)電場(chǎng)、磁場(chǎng)以及諧波干擾，因此，作為變電站綜自系統(tǒng)的核心保護(hù)測(cè)控裝置，杭電化選用美國(guó)SEL微機(jī)保護(hù)裝置。

（2）可靠性考慮：保護(hù)及測(cè)控功能相互獨(dú)立，各子系統(tǒng)與主站系統(tǒng)相互獨(dú)立，任一功能裝置或子系統(tǒng)故障均不能影響另一功能裝置或子系統(tǒng)/主站系統(tǒng)的正常運(yùn)行；同時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器及操作員工作站應(yīng)采用雙機(jī)配置，并具備自動(dòng)切換功能。

（3）通訊性能。作為110 kV變電站和各10 kV子站的通訊管理機(jī)，應(yīng)采用與微機(jī)綜保同品牌通訊管理機(jī)，以實(shí)現(xiàn)較好的通信可靠性，該公司選用SEL-2032通訊管理機(jī)。

（4）故障錄波及事故分析。所有微機(jī)保護(hù)裝置應(yīng)具有故障錄波功能，因此，應(yīng)當(dāng)為每臺(tái)微機(jī)保護(hù)裝置提供硬件對(duì)時(shí)接口，以保證對(duì)時(shí)信號(hào)能精確地達(dá)到毫秒級(jí)，故障錄波應(yīng)能通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)上傳到后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)專(zhuān)用的保護(hù)工程師工作站，在保護(hù)工程師工作站內(nèi)應(yīng)安裝專(zhuān)用的故障錄波分析軟件，實(shí)現(xiàn)故障錄波的統(tǒng)一調(diào)用、存儲(chǔ)、分析。

（5）抗干擾及防雷擊措施.變電站之間的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)采用光纜通訊，與電力調(diào)度等其他系統(tǒng)接口配備防雷擊隔離器。

2 整流網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 工程規(guī)模

杭州電化集團(tuán)有限公司搬遷工程20萬(wàn)t/a燒堿項(xiàng)目采用日本氯工程BITAC-891型復(fù)極電槽，單槽產(chǎn)量為1.67萬(wàn)t/a，6臺(tái)復(fù)極電槽形成10萬(wàn)t/a燒堿。整流系統(tǒng)采用一拖二方式，即1臺(tái)整流變壓器帶2套整流柜供2臺(tái)電槽的供電模式。

2.2 整流網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

10萬(wàn)t/a燒堿整流系統(tǒng)采用1個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)，整流裝置計(jì)算機(jī)控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)控制柜（包括PLC），遠(yuǎn)控柜，監(jiān)控主機(jī)及監(jiān)控備機(jī)站組成。系統(tǒng)的主要功能是，采用分布式結(jié)構(gòu)，6臺(tái)整流柜既可以獨(dú)立工作，又可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個(gè)整流監(jiān)控系統(tǒng)。整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)為三機(jī)三網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖2。

（1）采用工業(yè)以太網(wǎng)的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。采用以太網(wǎng)模塊CP243-1實(shí)現(xiàn)S7-200和上位機(jī)（監(jiān)控主機(jī)）之間的通訊，通過(guò)OPC的方式進(jìn)行，而且只能S7-200作為Server端，上位機(jī)作為Client端來(lái)訪問(wèn)S7-200的數(shù)據(jù)

（2）采用MPI協(xié)議的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)擴(kuò)展EM277通信模塊，實(shí)現(xiàn)S7-200和上位機(jī)（監(jiān)控備機(jī)）之間的通訊，監(jiān)控備機(jī)

作為網(wǎng)絡(luò)主站，S7-200作為從站。

（3）采用PPI協(xié)議的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。利用S7-200內(nèi)置通訊接口，采用西門(mén)子專(zhuān)用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通訊協(xié)議（PPI）與每臺(tái)整流系統(tǒng)

各配置的西門(mén)子觸摸屏PT178進(jìn)行通訊。

2.3 實(shí)現(xiàn)的功能

（1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示。整流變壓器、整流柜、水系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

（2）操作界面。直流電流的升/降、有載開(kāi)關(guān)檔位顯示及升降操作、直流開(kāi)關(guān)狀態(tài)以及開(kāi)/斷操作、極化整流器開(kāi)停、水泵開(kāi)停。

（3）系統(tǒng)故障監(jiān)測(cè)界面。

（4）有關(guān)參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)和歷史數(shù)據(jù)曲線顯示功能。

3 變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)和整流監(jiān)控系統(tǒng)與企業(yè)生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（MES）之間的通訊

企業(yè)生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（MES）是近年來(lái)比較先進(jìn)的企業(yè)信息化建設(shè)的體系模型，MES能通過(guò)信息傳遞對(duì)從訂單下達(dá)到產(chǎn)品完成的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化管理。杭電化的MES系統(tǒng)是以生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為核心的生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)，對(duì)各個(gè)生產(chǎn)裝置的DCS系統(tǒng)，公用工程DCS系統(tǒng)以及供電系統(tǒng)的過(guò)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和生產(chǎn)調(diào)度管理等功能。

供電系統(tǒng)的過(guò)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)由裝設(shè)于110 kV總變的變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行采集、處理，將遙測(cè)、遙信數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)OPC協(xié)議，送至MES系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。MES系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)1臺(tái)計(jì)算機(jī)作為數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)連接。在生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控畫(huà)面繪制110 kV總變和各10 kV高配的主接線圖，實(shí)時(shí)顯示供電設(shè)備的數(shù)據(jù)和開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

由于整流監(jiān)控系統(tǒng)需要查看的數(shù)據(jù)較少，為各整流柜的直流電壓、直流電流以及極化整流器的運(yùn)行狀態(tài)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，因而，均采用模擬量信號(hào)進(jìn)入工藝DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，由工藝DCS系統(tǒng)采集和處理，在MES系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控畫(huà)面實(shí)時(shí)顯示。

4 存在的問(wèn)題

4.1 現(xiàn)階段整流監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的缺陷分析

之前，由于晶閘管整流采用模擬控制技術(shù)，可靠性和穩(wěn)定性較差，各整流設(shè)備制造廠家著重提高整流控制系統(tǒng)性能。目前，主流制造廠家整流控制系統(tǒng)均實(shí)現(xiàn)模擬控制向以單片機(jī)為核心的微機(jī)控制，但與變電站綜合自動(dòng)化的技術(shù)相比，在網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)方面的應(yīng)用和實(shí)踐有較大的差距。

（1）MPI協(xié)議的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中，1臺(tái)PLC-200出現(xiàn)通訊死機(jī)，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的通訊癱瘓。在杭電化采用MPI協(xié)議的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中，加裝CP5611卡的監(jiān)控上位機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)主站，6臺(tái)PLC-200加裝EM277，作為從站，以MPI協(xié)議與上位機(jī)通訊。而MPI協(xié)議，是采用令牌環(huán)，按照邏輯順序，令牌從一個(gè)裝置傳遞到下一個(gè)裝置，傳遞到最后一個(gè)裝置后，再回到第一個(gè)裝置，如此周而復(fù)始，形成1個(gè)邏輯環(huán)。當(dāng)某一個(gè)裝置出現(xiàn)通訊死機(jī)，令牌標(biāo)志將重復(fù)訪問(wèn)該裝置，將出現(xiàn)其他裝置數(shù)據(jù)更新緩慢，甚至通訊中斷。當(dāng)然，對(duì)于數(shù)據(jù)總線類(lèi)的結(jié)構(gòu)，其鏈路是由每個(gè)接頭并聯(lián)而成，如果聯(lián)絡(luò)中某個(gè)接頭出現(xiàn)松動(dòng)，將導(dǎo)致其后續(xù)裝置的通訊中斷。

（2）在故障狀態(tài)下，有時(shí)出現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄不準(zhǔn)確的現(xiàn)象。原因之一是與網(wǎng)絡(luò)通訊速率有關(guān)，而通訊速率由通訊協(xié)議所決定。MPI協(xié)議的理論上最大通訊速率為187.5 kb/s，工業(yè)以太網(wǎng)理論上最大通訊速率為10 Mb/s。但是，整流脈沖觸發(fā)、調(diào)節(jié)控制器一般由制造廠家自行研發(fā)，通訊接口為RS485通訊，基于PPI協(xié)議與PLC通訊，最大通訊速率只能達(dá)到19.2 kb/s。因而，無(wú)論采用EM277實(shí)現(xiàn)MPI通訊，還是采用CP243-1實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)通訊，其原始的通訊速率只有19.2 kb/s。因而，在發(fā)生故障時(shí)，不能準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)記錄各類(lèi)數(shù)據(jù)，對(duì)分析故障原因帶來(lái)困難。原因之二是，與組態(tài)軟件有關(guān)。杭電化組態(tài)軟件選用國(guó)產(chǎn)組態(tài)王，組態(tài)王作為一個(gè)通用型軟件，并不完全適合作為電氣（整流）系統(tǒng)監(jiān)控軟件，其驅(qū)動(dòng)與西門(mén)子系統(tǒng)的EM277和CP243-1連接是否經(jīng)過(guò)嚴(yán)格測(cè)試也未知。因而，組態(tài)軟件選用WINCC與西門(mén)子PLC通訊更好。

4.2 低壓配電監(jiān)控系統(tǒng)有待于完善

（1）低壓供電數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和顯示。各類(lèi)供電饋線均采用帶有RS485通訊功能的智能儀表，采集所在回路的電流、電壓及電度量信息，采用MODBUSRTU通信協(xié)議，經(jīng)NPORT-5630通信管理機(jī)接入變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)FCAU數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

（2）低壓供電饋線斷路器未能實(shí)現(xiàn)遙控操作。在失電情況下，為盡快恢復(fù)低壓系統(tǒng)的供電。在項(xiàng)目實(shí)施期間，曾考慮在電氣值班人員的值守地110 kV總變主控室實(shí)現(xiàn)低壓供電饋線斷路器遙控操作。在低壓斷路器的選型上，采用施耐德MT系列帶通訊功能的智能型斷路器，采用MODBUS-RTU通信協(xié)議，經(jīng)NPORT-5630通信管理機(jī)接入變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的FCAU數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。后考慮到RS485通信的可靠性和穩(wěn)定性相對(duì)較差，該功能未能實(shí)現(xiàn)。因而，對(duì)于低壓供電饋線斷路器實(shí)現(xiàn)遙控操作還有待于進(jìn)一步實(shí)踐。

5 建議和展望

通過(guò)杭電化搬遷工程供電系統(tǒng)自動(dòng)化的設(shè)計(jì)和實(shí)踐，顯現(xiàn)出國(guó)內(nèi)整流器制造廠家在網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用上，與變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)集成廠家相比，還存在較大的差距。

（1）由于采用通用組態(tài)軟件，在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境的開(kāi)放性、工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用方面存在缺陷。建議整流器制造廠家針對(duì)整流設(shè)備的性能和特點(diǎn)，參考變電站監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件，采用最新的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，研發(fā)適合于整流裝置的監(jiān)控組態(tài)軟件。

（2）如前所述，目前以單片機(jī)為核心的整流控制器，其與上位機(jī)的通訊均需要通過(guò)PLC進(jìn)行通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換，才能將數(shù)據(jù)送到上位機(jī)組態(tài)軟件，顯示相關(guān)參數(shù)和狀態(tài)。目前，已有整流器制造廠正在研發(fā)整流控制器和上位機(jī)之間直接實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)通訊。若成功應(yīng)用，將使國(guó)內(nèi)整流網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)得到質(zhì)的提升。