電力監(jiān)控系統(tǒng)在教學(xué)演示中的應(yīng)用
安科瑞 師晴晴孔**
摘要：介紹北京市電氣工程學(xué)校(電力運行管理與維修實訓(xùn)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(xué)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(xué)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(xué)校創(chuàng)建于1976年，1984年成立職業(yè)高中部，1991年被教委批準(zhǔn)為獨立設(shè)置的職業(yè)高中校，1995年走向規(guī)模辦學(xué)，1998年評為北京市中等職業(yè)學(xué)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(xué)校，到目前已發(fā)展成擁有：經(jīng)濟(jì)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(xùn)，在全市處于**地位，是市級再就業(yè)培訓(xùn)的單位。
學(xué)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(xué)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(xué)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(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)，具有高精技術(shù)指標(biāo)適應(yīng)現(xiàn)代教學(xué)需求的空調(diào)制冷、電工、電子、視頻、鉗工、電梯、汽修等實習(xí)室。學(xué)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(xùn)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(xué)共計260人，升學(xué)人數(shù)居朝陽職高校**名。目前學(xué)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(jì)法律事務(wù)專業(yè)、工商法律事務(wù)專業(yè)，各專業(yè)學(xué)校均有職業(yè)資格等級培訓(xùn)資格，學(xué)生職高畢業(yè)可取得學(xué)歷和崗位資格或等級證兩個以上的證書。多年來學(xué)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(jì)建設(shè)和社會發(fā)展的辦學(xué)宗旨，堅持學(xué)歷教育與非學(xué)歷教育并舉的多種模式辦學(xué)，為首都培養(yǎng)了幾千名技術(shù)人才，學(xué)校注重學(xué)生**素質(zhì)和綜合職業(yè)能力的培養(yǎng)和提高，辦學(xué)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(xué)校為了給學(xué)生充分展示配電教學(xué)的全過程，因此建立了后臺電力監(jiān)控系統(tǒng)，對配電進(jìn)行智能化管理。本項目主要是對北京市電氣工程學(xué)校變電所配電進(jìn)行監(jiān)測以及對模擬屏進(jìn)行實時控制。根據(jù)學(xué)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(jìn)行電力監(jiān)測，對模擬屏實時控制，以便學(xué)生可以充分學(xué)習(xí)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(jìn)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(jìn)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(yuǎn)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(jìn)行變配電管理，本變電所并不投入使用，主要是演示給學(xué)生如何操作的，模擬屏的作用是進(jìn)行學(xué)生考核的，即學(xué)生在后臺進(jìn)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(xué)生的操作順序是否正確。高壓并沒有運行，只是引進(jìn)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(xué)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(xué)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(jìn)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(yuǎn)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?fù)鋱D
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(jìn)行系統(tǒng)管理、維護(hù)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(jìn)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(fù)責(zé)對現(xiàn)場設(shè)備回送的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集、分類和傳送等工作的同時，轉(zhuǎn)達(dá)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(dān)負(fù)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(zhǔn)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(dá)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(jìn)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(yīng)用于高、低壓進(jìn)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(yuǎn)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(yuǎn)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(zhǔn)確的顯示給用戶，達(dá)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(yīng)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(jìn)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(fù)荷曲線
負(fù)荷趨勢曲線功能主要負(fù)責(zé)定時采集進(jìn)線及重要回路電流和功率負(fù)荷參量，自動生成運行負(fù)荷趨勢曲線的，方便用戶及時了解設(shè)備的運行負(fù)荷狀況。點擊畫面相應(yīng)按鈕或菜單項可以完成相應(yīng)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(jìn)行平移、縮放、量程變換等操作，幫助用戶進(jìn)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(yuǎn)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(dǎo)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(yù)設(shè)置的各種軟件模塊進(jìn)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(jìn)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(yuǎn)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(jìn)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(yuǎn)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(yuǎn)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(jìn)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(yù)測電能質(zhì)量，并可對電力故障進(jìn)行查詢，保證電力負(fù)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(jìn)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(jìn)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(xué)生的考核。學(xué)生可以在電腦前進(jìn)行高壓、低壓分合閘過程的模擬操作，同時系統(tǒng)會相應(yīng)的給模擬屏發(fā)送信號，老師可以在模擬屏現(xiàn)場查看學(xué)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(yīng)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(jìn)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(yuǎn)程抄表與分析研究，為智能建筑的節(jié)能技術(shù)提供參考。
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