浅谈电厂电能管理及开关状态在线监测系统的开发

【摘要】：基于某大型电厂的分层分布式电能管理及开关状态在线监测系统的实际案例,介绍了发电厂电能管理系统的开发情况、网络结构及系统功能,探讨了开关状态在线监测技术的原理和实现,实际证明,系统通用生强、开放性和可维护性好。

【关键词】：电能管理；开关状态；在线监测

      近年来我国经济发展迅猛,电力供应缺口加大，引发了新一轮电力建设高峰。随着西电东送、全国联网、三峡水利工程等特大型工程的展开,装机容量稳步增长,输电容量进一步增加;另一方面，厂网分开的实现,使各电厂面临着来自其它地区大型电源公司竟价上网的竞争压力,电厂设备的管理水平上台阶是保持竞争力的必要条件。电能管理及开关状态在线监测系统提高了发电厂用电管理的效率,提高了供电质量，节省了大量的人力、物力财力，其不断完善是确保竞争力的硬件基础。特别在设备状态在线监测方面利用整个设备或者设备的某些关键部件的寿命特征,开发应用一种具有特殊用途的系统,并通过数据采集及数据分析来预测设备状态发展的趋势,使得维护只在需要时才安排,这样,适时的维护能有效地避免因设备故障产生的意外停电，同时可缩短停电时间,降低维护费用,延长设备使用寿命,还可避免因维护中的疏忽而产生的故障。

 

       电能管理及开关状态在线监测系统是基于西屋 PowerNet电能管理程序开发软件推出的，系统操作平台可建立在 Microsoft WindowsNT/2000/XP的操作系统平台上，采用开放式TCP/IP结构发电厂现有的厂内局域网也可作为电能管理及开关状态在线监测系统的中枢.系统的图形化界面采用开放的、可扩展的人机界面 InTouch 软件，允许用户创建复杂而强大的操作员界面显示，同时其分布式报警子系统很大地提高了信息质量系统通过Microsoft Access 数据库将与电能管理及开关状态在线监测有关的参数电流、电压、电能采集数据故障数据、开关动作次数等取到管理系统的中间表中，然后进行统计、计算和分析,并存于数据库中,可通过厂 MIS系统实现数据共享。

       系统硬件结构按功能划分为设备层和管理层,2 个相对独立的层面之间通过通信介质采用分层分布式开放结构建立网络连接,微机综合测控、继电保护单元分散布置于被控设备对象.所有控制、保护、测量、报警等信号均在就地单元内转化成数据信号后经现场通信总线传输至主控室的监控计算机,各就地单元相互独立,不相互影响。

2.1 设备层

      设备层是由微机综合测控、继电保护单元组成的INCOM总线数据采集层。各功能单元分别实现开关配电设备状态监视,电量采集、存储、上传、保护等功能.各功能单元间通过现场通信总线进行连接，总线采用以射频调制方式传输的 INNCOM 专业工业通信协议.通信介质为普通屏蔽双绞通信电缆,接线不分电压极性.由于 INCOM 协议使用的是高频信号,抗干扰能力优于传统采用 RS-485RS-422 等传送方式的总线系统,单条通信电缆的有效传输距离达 3 048 m,并可与动力、控制电缆一起敷设,不需专用的电缆通道，大大减少了联网工作的成本和因干扰、衰减等因素造成误码的风险现场通信总线直接接入位于管理层的通信主机,并与监控计算机进行通信。除现场总线的通信方式外,设备层的功能单元还可通过以太网通信接口直接接入上层的局域网，与网内的监控计算机进行通信。

2.2 管理层

      管理层为全部设备监视、测量、控制和管理的中心,由通信主机、现场或远程监控计算机和 TCP/IP 协议局域网构成它包括一个以远程电能监测和状态监测为核心的开放式、可视化的操作平台。设备监测采用 InTouch 图形化软件环境，为监控系统提供良好直观的人机界面,支持用户开发定制的图形视图;并依据设备状态数据信息，按照不同用户的个性化要求,动态显示设备的运行状态；且其数据访问功能扩展到了外部元件/系统、历史事件处理报警记录以及报告和分析工具。

 

3.1能量消耗监控

     系统能准确统计全厂的用电负荷情况，并采集各用电设备的电能参数,为用户提供相应的负荷分析曲线。除电能参数外,其它电量如电流电压、频率功率因数、大值和小值、谐波等,都能实时上传到监控中心进行显示和存入数据库，大大减少传统的抄表和分析的工作量。

3.2电能质量分析

     系统对配电系统中的电压,谐波及功率因数等反映电能质量的参数进行实时监测,及时对将要出现的电能质量问题发出报警。

3.3 运行监视

     系统的运行状况可通过文字、表格、图像、声、光等方式为值班人员及时提供配电系统安全监控所需要的全部信息例如用户的配电系统以彩色图形显示在管理计算机的屏幕上,包括:配电系统的系统单线图、配电室的平面布置图、开关柜的面板图等可直观地显示开关柜外形并随时调出具体设备的面板图,进行主单元控制。在单线图状态下可形象实时地显示系统中设备的通,断状态及运行参数，并在发生报警时弹出提示窗口系统配置厂用电高压断路器微机综合变压器保护装置。电动机保护装置及微机测量仪表和 PT 柜微机测量仪表,实现高压厂用电系统的保护和电能测量；在汽轮机控制中心、锅炉控制中心配电盘上安装微机测量仪表实现电能测量；监控计算机设置于机组集控室,由运行维护人员进行系统监视；输出厂用电系统有功电量报表,通过厂内局域网的网络电缆,将厂用电系统电量数据传至发电厂计算机中心服务器,在发电厂的 Intermet 主页上浏览电量数据电能管理及开关状态在线监测系统通过现场有效的数据采集、传输和上述灵活的用户界面为电厂设备管理人员提供如下运行监视功能：

       1.报警按系统实际需要,通过简化配置和显著改进报警处理性能,任何硬件设备均集成到 InTouch 图形环境中并采用分布式报警子系统很大地提高了信息质量。用户可在某些事件发生或保护动作时自动发出报警，一般可设置在以下情况发出报警：开关量突变(如保护跳闸动作)断路器位置错误模拟量超过整定值等每个报警均有时间、报警信息及确认状态显示,通过对话框和易于使用的图形用户界面可轻松实施报警配置。

       2.设备动作事件记录.系统中所有动作事件,如继电保护动作、断路器操作等均可自动打印及存入系统硬盘记忆。

3.4 开关设备状态监测

      传统的定期检修存在试验周期长、强度大和有效性差等缺点,难以满足电力系统对可靠性的要求,以状态检修逐步代替定期检修已成为电力系统设备检修的必然趋势实现状态检修的前提条件是实现设备状态在线监测，系统汇总INCOM总线装置在线连续检测的有关开关设备运行状况特征信息并存储到数据库中,并根据厂用高压开关的设备特征如累积开断容量、开关动作次数、真空度等参数,通过对历史趋势数据的统计、分析、显示及标准报表的输出,判断开关的运行状态,显示开关设备的绝缘寿命和机械寿命。专家也可查阅状态监测软件包对开关动作和故障事件的诊断分析过程和结果,实现对设备故障的智能诊断,有效避免意外事故的发生。

3.5修改测控保护单元的设定值

     可在系统监控计算机上对设备层的测量仪表或继电保护装置的各项设定值、保护定值等进行在线修改，修改后的定值将直接回传给对应的装置进行储存。

3.6故障诊断

     对系统运行中发生的断路器跳闸、电动机起动过载等事件,系统在记录、显示这些事件发生的时间顺序的同时,还可将故障录波数据及波形反应到监控屏幕上，为故障的查询及处理提供便利。

 

4.1概述

     用户端消耗着整个电网80%的电能，用户端智能化用电管理对用户可靠、安全、节约用电有十分重要的意义。构建智能用电服务体系，推广用户端智能仪表、智能用电管理终端等设备用电管理解决方案，实现电网与用户的双向良性互动。用户端急需解决的研究内容主要包括：先进的表计，智能楼宇、智能电器、增值服务、客户用电管理系统、需求侧管理等课题。

     安科瑞Acrel-3000WEB电能管理解决方案通过对用户端用电情况进行细分和统计，以直观的数据和图表向管理人员或决策层展示各分项用电的使用消耗情况，便于找出高耗能点或不合理的耗能习惯，有效节约电能，为用户进一步节能改造或设备升级提供准确的数据支撑。

4.2应用场所

   （1）办公建筑（商务办公、大型公共建筑等）；

   （2）商业建筑（商场、金融机构建筑等）；

   （3）旅游建筑（宾馆饭店、娱乐场所等）；

   （4）科教文卫建筑（文化、教育、科研、医疗卫生、体育建筑等）；

   （5）通信建筑（邮电、通信、广播、电视、数据中心等）；

   （6）交通运输建筑（机场、车站、码头建筑等）。

4.3系统结构

 

 

4.4系统功能

1）实时监测

     系统人机界面友好，以配电一次图的形式直观显示配电线路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数、电能等电参数信息，动态监视各配电回路断路器、隔离开关、地刀等合、分状态，以及有关故障、告警等信号。

 

2）电能统计报表

     系统以丰富的报表支撑计量体系的完整性。系统具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。该功能使得用电可视透明，并在用电误差偏大时可分析追溯，维护计量体系的正确性。

 

3）详细电参量查询

     在配电一次图中，当鼠标移动到每个回路附近时，鼠标指针变为手形，鼠标单击可查看该回路详细电参量，包括三相电流、三相电压、三相总有功功率、总无功功率、总功率因数、正向有功电能，并可以查看24小时相电流趋势曲线及24小时电压趋势曲线。

 

4）运行报表

     系统具有实时电力参数和历史电力参数的存储和管理功能，所有实时采集的数据、顺序事件记录等均可保存到数据库，在查询界面中能够自定义需要查询的参数、时间或选择查询更新的记录数据等，并通过报表方式显示出来。用户可以根据需要定制运行日报、月报，支持导出Excel格式文件，还可以根据用户要求导出PDF格式文件。

 

5）变压器运行监视

     系统对配电系统总进线、主变压器、重要负荷出线的运行状态进行在线实时监视，用曲线显示电流、变压器运行温度、有功需量、有功功率、视在功率、变压器负荷率等运行趋势，分析变压器负荷率及损耗，方便运行维护人员及时掌握运行水平和用电需求，确保供电安全可靠。

 

6）实时报警

     系统具有实时报警功能，系统能够对配电回路断路器、隔离开关、接地刀分、合动作等遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数越限等事件进行实时监测，并根据事件等级发出告警。系统报警时自动弹出实时报警窗口，并发出声音或语音提醒。

 

7）历史事件查询

      系统能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

 

8）电能质量监测

     系统可以对整个配电系统范围内的电能质量进行持续性的监测，运行维护人员可以通过谐波分析棒图、报表掌握进线、变压器、重要回路的电压、电流谐波畸变率、谐波含量、电压不平衡度等，及时采取相应的措施，降低谐波损耗，减少因谐波造成的异常和事故(该功能需要选配带谐波监测功能的电力仪表，不需要可删除。

 

9）遥控操作

      系统支持对断路器、隔离开关、接地刀等进行分、合遥控操作。系统具有严格的密码保护和操作权限管理功能，对于每次遥控操作，系统自动生成操作记录，记录内容包含操作人、操作时间、操作类型等。实现该功能需要断路器本身具有电操机构及保护保测控装置具备遥控功能等硬件设备的支持。

 

10）用户权限管理

      系统为保障系统安全稳定运行，设置了用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如配电回路名称修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

 

 

11）通讯状态图

      系统支持实时监视接入系统的各设备的通讯状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通讯状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。从而方便运行维护人员实时掌握现场各设备的通讯状态，及时维护出现异常的设备，保证系统的稳定运行。

 

12）视频监控

      视频监控展示了当前实时画面（视频直播），选中某一个变配电站，即可查看该变配电站内视频信息。

 

 

 

13）用户报告

      用户报告页面主要用于对选定的变配电站自动汇总一个月的运行数据，对变压器负荷、配电回路用电量、功率因数、报警事件等进行统计分析。

 

 

14）APP支持

        电力运维手机支持“监控系统"、“设备档案"、“待办事项"、“巡检记录"和“缺陷记录"五大模块，支持一次图、需量、用电量、视频、曲线、温湿度、同比、环比、电能质量、各种事件报警查询，设备档案查询、待办事件处理、巡检记录查询等。

 

4.5系统硬件配置清单

 

 

      发电厂电能管理及开关状态在线监测系统及时准确反映发电厂辅助设备的运行信息和开关状态，随着分层分布式电能管理及开关状态在线监测系统应用的不断成熟，系统向检测单元模块化、接线和网络结构的简单化发展,使电厂能更合理地安排检修，减少无针对性的停电试验，提高管理效率,获取更大的经济效益。

 

[1]王晖,发电厂电能管理及开关状态在线监测系统的开发[J].华北水利水电学院学报,2014,12

[2]赵冬梅,张东英分层分布式电网故障诊断专家系统设计[J].现代电力,2001,(3):41 -46

[3] 贾青.分布式自动化系统网络应用结构 [J].计算机自动测量与控制,2001,(1):7 - 10

[4]安科瑞企业微电网设计与应用手册 2022.05版

 

刘细凤，女，现任职于安科瑞电气股份有限公司。