電力監控系統在廠房電力工程中的應用

　　電力監控系統可以提高對供電系統的管理和控制，實現了對設備的實時監測和控制， 同時也是工業以太網的典型應用。 該系統自調試完成開始運行以來， 兼容性和可擴展性強， 通信速度快， 成為廠房電力管理中的重要工具。

　　在某些大型生產企業里， 廠房對供電系的安全性、 可靠性及連續性要求越來越高， 尤其是對廠房電力系統的管理已進入了一個管理集中化、信息化的時代。 根據工業生產的重要性與管理要求， 廠房供電系統安裝電力監控系統成為必然。本文以東莞某大型廠房工程為例， 說明電力監控系統的應用及工作原理。

　　電力監控系統依靠現場監控儀表采集電力回路數據， 配電柜的電氣性能和分布對方案設計來說是很重要的。 廠房的電力系統按照電房的平面分布而劃為高壓配電線路、 低壓配電線路和 UPS 系統。 高低壓配電柜作為整個廠房的電力系統核心， 帶有生產設備和廠房設施重要負荷， 這些回路成為監控的主要對象。 確定了需監控的重要回路和采樣方式，統計出廠房供電系統所有回路需安裝智能儀表的數量及做出初步可選型號比較和分析， 再按照配電屏的組成及位置進行分組， 最后結合現場監控儀表的性能和監控要求，確定監控系統的組成和通信方案，系統圖如圖 1 所示。

　　系統分為上位機管理層， 通信接口層和現場監控層。 管理層通過通信接口網絡與現場監控儀表雙向數據通信， 在管理層的監控電腦屏幕可以監視并且記錄處理電力系統的狀態和數據， 實現電力系統信息集中管理。

　　硬件配置

　　電力監控系統集成硬件資源， 由監控中心硬件、 通信設備及管線材料、 信號采集及測量設備三大部分組成。

　　1. 監控中心硬件

　　監控中心的操作臺配置 DELL 工業級主機和標準19 in顯示器一臺， 主機連接打印機。

　　2. 通信設備及管線材料部分

　　通信接口層主要由交換機和通信管理機組成。由于即時傳輸的信息量比較大， 選用快速以太網工業交換機 3C16470( 10/100 M) 。 該型號交換機支持全雙工/半雙工， 采用存儲-轉發的交換方式，背板帶寬為3.2 Gbit/s，支持多種網絡標準，具有16個固定端口。 通信管理機Moxa NPort5630又稱為串口設備聯網服務器， 機架提供 16 個 RS232/422/485 的RJ45接口輸入， 串口速率為50 bit/s～ 921.6 Kbit/s，并且支持多種網絡協議( ICMP、 IP、 TCP及Real Com等)， 具有自動重啟觸發機制。 現場監控設備與通信機的連線采用優質 4 芯屏蔽雙絞線( RVVP4 * 0.5)作為收發數據的通信線， 其中屏蔽線需接地。 通信管理機和交換機放置在具有防潮和隔離灰塵的通信機柜里， 由一臺小型 UPS 供電以滿足停電期間的監控要求。

　　3. 現場信號采集及測量設備部分

　　配電柜面板安裝可視監控儀表， 方便值班人員日常巡查和記錄。 低壓配電柜監控采用低壓智能電力儀表 PM810(施耐德公司生產) 與電力儀表輸入輸出模塊 P M 8 M 2 6 組合。 P M 8 1 0 是應用廣泛的高性能電力監控儀表， 具有真實測量有效值， 直接測量電壓達 600 V， 防反光屏幕， RS485 通信接口。 電壓信號采樣信號回路無需安裝電壓互感器便可直接從配電柜內的電壓表測量回路測得電壓值。 由于 PM810 本身不具有直接獲得萬能斷路器工作狀態(斷開或閉合) 信號的功能， 因此要求安裝擴展模塊(本系統采用 P M 8 M 2 6 輸入輸出模塊)。 高壓配電柜、 直流屏以及 UPS 主機數據采樣方法是利用其設備內部的集成通信設備。 高壓配電柜內置的綜合繼電保護裝置 AGE MPM800 配置R S 4 8 5 通信接口， 通信協議為 M O D B U S - R T U ，同時具備狀態數據采集和遠程控制功能。 直流屏和 U P S 主機則需要與其內置的專用通信卡建立連接。 某些設備如果配置的是 RS232 通信接口， 還需要安裝轉換模塊( RS232 轉 RS485)， 因此， 電力監控系統在設計和調試階段都需要有關單位的技術人員共同參與， 以便雙方及時了解通信協議和接口類型。

　　通信原理和功能

　　電力監控系統通信基層網絡是基于目前成熟的現場總線技術， 采用功能強大的系統硬件設備使得現場數據通過標準協議得以在以太網和串口設備之間雙向傳送， 屬于總線拓撲網絡結構。 按照電力系統的組成結構， 把系統主要回路電氣設備作為監控組別， 一個組別的電氣設備(如 1# 變壓器二次配電柜) 的所有智能儀表用通信線把 RS485 接口以菊花鏈式的進行連接。 本系統采用Moxa NPort5630串口通信管理機， 其具有串口設備與以太網的連接功能( 10～ 100 M 自適應以太網絡)， 實現串口設備和以太網界面之間數據雙向傳送。 安裝驅動程序后， 會被 Windows 操作系統識別為 Real Com 端口。 監控系統運行時， 通信管理機和現場儀表之間以 Modbus- RTU 協議進行通信。 串口服務器監聽來自管理層上位機的指令， 上位機監控軟件向串口服務器發送　　含有某一個現場串口儀表通信地址的數據， 對應的現場監控儀表根據系統的請求地址來發出響應， 向串口服務器返回系統所需要的信息。 Modbus 通信特點要求被監控對象設備通信程序采用一致的通信協議才能被監控系統識別并正確采集和顯示現場的參數和狀態， 智能儀表接通電源后將其通信協議設置為 Modbus 通信協議， 避免產生錯誤信息返回上位機。這種通信方式特點是會在總線形成大量的數據，線路發生故障時會造成部分儀表無法與通信管理機通信， 優點是可以減少繁多的通信線并且方便線路安裝和維護。 當某一個現場儀表發生故障，不會影響同一菊花鏈的其他儀表。 一般情況下， 串口通信管理機可以設置在“流轉發模式”， 在這種模式下，　　收到數據后立即將此數據轉發， 中間不做任何等待及緩沖， 其速度快， 效率高。 NPort5630在硬件上為未來監控范圍擴大預留了足夠的接入點。理論上說，RS485接口的傳輸距離為2 400 m ( 9 600 bit/s)，可在菊花鏈上連接負載儀表多達 32 個， 本系統所涉及的監控對象分布相對比較集中， 滿足了上述要求，達到良好的傳輸速率， 無需中繼。 3 C O M 以太網交換機作為通信機和多臺監控計算機之間的一個多端口的網橋， 為將來管理層的監控計算機組成局域網共享現場數據提供了硬件基礎。

　　監控軟件特點

　　變電站監控軟件 I N T O U C H 提供比較完善的安全和用戶管理功能， 通過對用戶權限的配置， 實現對系統的安全管理， 如圖 2 所示。 通過使用 INTOUCH該監控系統不僅在設計和實現上非常簡單， 而且在功能上也十分強大， 同時還具有較高的性能和穩定性。 軟件界面的上條和下條導航功能可以直接進入用戶所需的界面， 一目了然， 方便快捷地查詢各個回路的實時電流、 電壓、 功率因數、 有功功率、 無功功率和電能計量等參數。 該系統還提供了實時趨勢曲線圖功能、 歷史趨勢曲線圖查詢、 報表功能和打印功能， 直觀地向用戶反映當前的運行情況， 作為用戶分析的根據。 其中的報表功能更是大大減少了監控值班人員抄表的工作量，監控系統中的電流、電壓、 功率因數、 功率、 電能及溫度等參數的歷史數據， 可以以曲線、 日報表、 月報表或年報表的形式顯示， 用戶可以自由選擇時間段、 設備或監測點等查詢條件。 其他功能如事件報警功能、 歷史事件查詢功能對于廠房電力系統的有效管理與值班人員對故障的快速反應起到了十分重要的作用。

　　結束語

　　電力監控系統集成是由電子技術、 通信技術和計算機技術相結合并且不斷發展的產物。串口通信協議和以太網通信協議的標準化使得不同廠家的設備得以聯網。監控軟件和中間服務器的性能技術已經比較成熟，著重要解決的是現場監控儀表是否能直接對電力回路進行采樣; 其次， 評估某些廠商生產的配電柜，柜內配置的通信模塊或者儀表是否能正確地被監控系統識別并且進行通信。本系統可以提高對供電系統的管理和控制， 實現了對設備的實時監測和控制，同時也是工業以太網的典型應用。 該系統運行表明，兼容性和可擴展性強， 通信速度快， 成為廠房電力管理中的重要工具。