王暉，張思才，劉艾民

1 引言

變配電網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控與能源管理系統(tǒng)[1]是現(xiàn)代化水泥廠生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的重要組成部分，能夠提供實(shí)時(shí)的廠區(qū)變配電監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，對(duì)可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行預(yù)報(bào)警，改善供電質(zhì)量，降低電能損耗，提高供電的安全性和可靠性。另一方面，還可對(duì)水泥廠電能進(jìn)行管理，以降低電耗，節(jié)約生產(chǎn)成本。

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)[2]是由國(guó)際電工委員會(huì)（International Electrotechnical Commission）第57技術(shù)委員會(huì)于2004年頒布的、應(yīng)用于變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。作為基于網(wǎng)絡(luò)通訊平臺(tái)的變電站唯一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)吸收了IEC60870系列標(biāo)準(zhǔn)[3]和UCA的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)吸收了很多先進(jìn)的技術(shù)，對(duì)保護(hù)和控制等自動(dòng)化產(chǎn)品和變電站自動(dòng)化系統(tǒng)（SAS）的設(shè)計(jì)產(chǎn)生深刻的影響。IEC61850作為制定電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)無(wú)縫通信系統(tǒng)基礎(chǔ)能大幅度改善信息技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的設(shè)備數(shù)據(jù)集成，減少工程量、現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收、運(yùn)行、監(jiān)視、診斷和維護(hù)等費(fèi)用，節(jié)約大量時(shí)間，增加自動(dòng)化系統(tǒng)使用期間的靈活性。它解決了變配電自動(dòng)化系統(tǒng)產(chǎn)品的互操作性和協(xié)議轉(zhuǎn)換問(wèn)題。采用該標(biāo)準(zhǔn)還可使變配電自動(dòng)化設(shè)備具有自描述、自診斷和即插即用（Plug and Play）的特性，極大地方便了系統(tǒng)的集成，降低了變配電自動(dòng)化系統(tǒng)的工程費(fèi)用。

由于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)能極大提高變配電自動(dòng)化的技術(shù)水平、提升變配電監(jiān)控與能源管理系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行水平、節(jié)約開(kāi)發(fā)驗(yàn)收維護(hù)的人力物力、實(shí)現(xiàn)完全的互操作性，所以，在歐美及一些海外背景的水泥工程項(xiàng)目，都要求變配電網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控與能源管理系統(tǒng)遵從IEC61850規(guī)約。鑒于此，本文提出一種集成在水泥廠DCS自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的變配電監(jiān)控工程應(yīng)用實(shí)施方案，為類似工程應(yīng)用提供參考。

2 工程應(yīng)用方案

本文提出的水泥廠變配電監(jiān)控工程應(yīng)用方案選用遵從IEC61850國(guó)際電力標(biāo)準(zhǔn)的施耐德ECI850 Sepam服務(wù)器[4]作為核心網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)服務(wù)器，并基于其完成系統(tǒng)架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)給水泥廠提供集成在工廠DCS自動(dòng)化控制系統(tǒng)中符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的變配電網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)與能源管理系統(tǒng)的需求。方案實(shí)施所用到的第三方工具包括施耐德SFT2841 ECI850組態(tài)軟件、串口調(diào)試軟件、Siemens SIMATIC PCS7[5]、IEC61850 Lib、IEC61850 Browser以及施耐德SFT850 ICD文件修改及通訊參數(shù)設(shè)備等。

圖1 變配電監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖2 Ethernet&TCP/IP配置

本應(yīng)用方案中，ECI850 Sepam服務(wù)器與DCS各控制器（PLC）之間采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊，與配變電站自動(dòng)化設(shè)備采用Profibus/Modbus(RS485/232)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在方案實(shí)施過(guò)程中，時(shí)鐘同步與高精度時(shí)間戳的歷史事件查詢，特別是各個(gè)開(kāi)關(guān)設(shè)備先后動(dòng)作（分、合閘）的歷史查詢是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，我們分別對(duì)具有時(shí)鐘同步功能的智能開(kāi)關(guān)設(shè)備采用NTP協(xié)議的時(shí)鐘同步方案，對(duì)不具備時(shí)鐘同步功能的開(kāi)關(guān)設(shè)備采用西門子SOE（高精度時(shí)間戳）的方案，并最終由中央歸檔服務(wù)器CAS統(tǒng)一歸檔以備歷史事件查詢。另外，為滿足所建監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)不同廠家智能開(kāi)關(guān)電氣設(shè)備的兼容性，我們研究了施耐德ICD文件格式，設(shè)計(jì)了開(kāi)放性的設(shè)備通訊接口申明文件格式和符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的ICD文件格式。此外，我們根據(jù)施耐德ECI850提供的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約，用西門子機(jī)構(gòu)化語(yǔ)言編輯器SCL創(chuàng)建了對(duì)應(yīng)的功能塊FB，從而保證了與水泥廠DCS自動(dòng)化控制系統(tǒng)的有效集成。

本變配電監(jiān)控工程應(yīng)用方案的具體實(shí)施過(guò)程如下所述。

2.1 變配電監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

可將ECI850 Sepam服務(wù)器接入采取C/S架構(gòu)的DCS水泥自動(dòng)化系統(tǒng)（選用Siemens PCS7 V7.1 SP3），實(shí)現(xiàn)對(duì)水泥廠變配電資源的數(shù)字化監(jiān)控和調(diào)度。整個(gè)變配電監(jiān)控自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，對(duì)于水泥廠變配電監(jiān)控調(diào)度部分，不再需要單獨(dú)配置工程師站及數(shù)據(jù)服務(wù)器，所有組態(tài)工作和數(shù)據(jù)服務(wù)都在水泥廠中控室的工程師站和服務(wù)器上統(tǒng)一進(jìn)行。

2.2 ECI850 Sepam服務(wù)器組態(tài)

在工程師站上通過(guò)IE WEB訪問(wèn)ECI850 Sepam服務(wù)器，設(shè)置IP地址與串口參數(shù)，分別如圖2和圖3所示。

然后，采用Schneider SFT2841 ECI850組態(tài)軟件組態(tài)ECI850 Sepam服務(wù)器及設(shè)置開(kāi)關(guān)斷路器通訊參數(shù)，如圖4和圖5所示。

最后，編譯并下裝到ECI850 Sepam服務(wù)器。

2.3 開(kāi)關(guān)設(shè)備ICD文件創(chuàng)建

創(chuàng)建開(kāi)關(guān)設(shè)備的ICD（IEC61850配置文件）文件是變配電監(jiān)控工程應(yīng)用中的難點(diǎn)，也是能否實(shí)現(xiàn)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵。一般水泥廠的智能開(kāi)關(guān)電氣設(shè)備型號(hào)多樣，如中壓柜斷路器和綜合繼電保護(hù)是施耐德電氣產(chǎn)品，MCC（Motor Control Center）柜智能斷路器是西門子電氣產(chǎn)品，變頻器的主斷路器（MCB）是ABB電氣產(chǎn)品，等等。部分由施耐德提供的智能開(kāi)關(guān)設(shè)備能提供ICD文件，但是仍有大部分開(kāi)關(guān)電氣設(shè)備不提供這類型的文件，目前也沒(méi)有這樣的ICD生成專有工具。因此，需要根據(jù)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)將串口通訊協(xié)議RS232/485轉(zhuǎn)換成ICD文件。

在實(shí)際工程中，用串口調(diào)試軟件測(cè)試所需通訊變量地址，使用編輯器將變量地址及數(shù)據(jù)長(zhǎng)度寫(xiě)入以完成開(kāi)關(guān)設(shè)備ICD文件的創(chuàng)建。

2.4 與水泥廠DCS控制系統(tǒng)集成

與水泥廠DCS系統(tǒng)的集成包括硬件網(wǎng)絡(luò)組態(tài)集成和軟件組態(tài)集成兩部分。對(duì)于硬件網(wǎng)絡(luò)組態(tài)集成，在PLC的硬件組態(tài)中添加SOE功能的網(wǎng)絡(luò)卡件，然后在西門子SIMATIC PCS7的網(wǎng)絡(luò)NetPro環(huán)境下，為PLC添加ISO TCP連接，如圖6所示。對(duì)于軟件組態(tài)集成，將西門子IEC 61850客戶端庫(kù)導(dǎo)入到工程項(xiàng)目庫(kù)中[6]，并根據(jù)施耐德ECI850提供的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約，用西門子結(jié)構(gòu)化語(yǔ)言編輯器SCL創(chuàng)建功能塊FB。

3 實(shí)施效果及特點(diǎn)分析

依據(jù)上述應(yīng)用方案，我們已在實(shí)際項(xiàng)目中成功為水泥廠提供了集成在工廠DCS中的變配電網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)與能源管理系統(tǒng)，實(shí)際項(xiàng)目中的變配電監(jiān)控和能源管理報(bào)告分別如圖7和圖8所示。

圖3 串口參數(shù)配置

圖4 ECI850 Sepam服務(wù)器地址設(shè)置

圖5 開(kāi)關(guān)設(shè)備ICD文件導(dǎo)入和地址分配

圖6 變配電監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

圖7 變配電網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控操作界面

在方案實(shí)施過(guò)程中，針對(duì)變配電監(jiān)控系統(tǒng)中時(shí)鐘同步與高精度時(shí)間戳歷史事件查詢的難點(diǎn)問(wèn)題，采用了NTP時(shí)鐘同步協(xié)議與Siemens SOE（高精度時(shí)間戳）的解決方案，很好滿足了歷史事件查詢，特別是各個(gè)開(kāi)關(guān)設(shè)備先后動(dòng)作（分、合閘）的歷史查詢。方案采用ISO TCP與PLC的連接集成，沒(méi)有增加PLC總線掃描時(shí)間與負(fù)荷率，將各個(gè)開(kāi)關(guān)設(shè)備的詳盡工作狀態(tài)信息實(shí)時(shí)完備地顯示并歸檔記錄在工廠DCS系統(tǒng)中，打破了Profibus單站設(shè)備通訊字節(jié)數(shù)244的限制。另外，實(shí)施方案中為非施耐德開(kāi)關(guān)設(shè)備創(chuàng)建ICD文件，打破了ECI850只能應(yīng)用于施耐德自身開(kāi)關(guān)設(shè)備的限制，擴(kuò)展了ECI850的應(yīng)用范圍，使工廠變配電監(jiān)控系統(tǒng)的兼容性得到極大提高。

在實(shí)施成本方面，該應(yīng)用方案將變配電監(jiān)控系統(tǒng)與水泥廠DCS系統(tǒng)集成，進(jìn)一步減少了建設(shè)廠區(qū)變配電監(jiān)控系統(tǒng)的資金投入和維護(hù)成本。根據(jù)目前對(duì)國(guó)內(nèi)外工程現(xiàn)狀的調(diào)研結(jié)果可知，本文提出的工程應(yīng)用實(shí)施方案所得的變配電監(jiān)控系統(tǒng)與同類系統(tǒng)，如某些水泥廠單獨(dú)為變配電監(jiān)控而投資開(kāi)發(fā)的變配電計(jì)算機(jī)監(jiān)控管理系統(tǒng)等相比，硬件投資少（僅需為每個(gè)電氣室或開(kāi)關(guān)站配置一臺(tái)ECI850 Sepam服務(wù)器），不需要額外軟件投資（僅需要負(fù)擔(dān)自動(dòng)化工程師的集成費(fèi)用與ICD文件的創(chuàng)建費(fèi)用），而統(tǒng)一通過(guò)水泥廠DCS系統(tǒng)來(lái)提供完備的變配電監(jiān)控畫(huà)面、信息報(bào)警及精準(zhǔn)的歷史歸檔功能，也更便于最終用戶的操作使用。

圖8 能源管理報(bào)告操作界面

目前，基于該實(shí)施方案的水泥廠變配電網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)與能源管理系統(tǒng)已成功應(yīng)用于實(shí)際水泥工程項(xiàng)目，為水泥廠電氣安全及故障查詢、維護(hù)、檢修及診斷提供了符合IEC61850國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的變配電監(jiān)控平臺(tái)，較大提升了水泥生產(chǎn)線自動(dòng)化解決方案的附加值。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著現(xiàn)代化水泥廠對(duì)供電安全性和可靠性的要求越來(lái)越高，為水泥廠提供配套的變配電網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)與能源管理系統(tǒng)已越來(lái)越成為水泥廠工程建設(shè)的一部分，本文在基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上提出了一種集成在水泥廠DCS自動(dòng)化控制系統(tǒng)中符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的變配電監(jiān)控工程應(yīng)用實(shí)施方案，通過(guò)在具體水泥工程項(xiàng)目中的成功應(yīng)用表明該方案實(shí)際可行。而且，依據(jù)該方案建設(shè)的變配電監(jiān)控及能源管理系統(tǒng)在系統(tǒng)性能、兼容性、實(shí)施成本以及符合國(guó)際電力建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)等方面與現(xiàn)有的同類變配電計(jì)算機(jī)監(jiān)控管理系統(tǒng)相比具備優(yōu)勢(shì)。該方案可推廣到同類規(guī)模的水泥廠中，以實(shí)現(xiàn)與工廠現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)縫集成，提升同規(guī)模工廠自動(dòng)化管理水平，為水泥廠的電力電氣提供強(qiáng)有力的事故安全分析、診斷維護(hù)平臺(tái)。

[1]楊紅梅,杜繼平.淺談水泥工廠變配電計(jì)算機(jī)監(jiān)控管理系統(tǒng)[J].水泥技術(shù).2011.

[2]W.S.Choi,C.H.Choi,J.H.Park,et al.The Study of Substation Automation Systems Based on IEC 61850[G].International Conference on Electrical Machines and Systems.2011.

[3]G.Z.Han,B.Y.Xu,et al.IEC 61850-based Feeder Terminal Unit Modeling and Mapping to IEC 60870-5-104[S].IEEE Transactionson Power Delivery.V 27,n 4,p 2046-2053,2012.

[4]User Manual of Sepam IEC61850 Communication.Schneider Electric.2009.

[5]Siemens PCS7 System Architecture.Siemens AG.2012.

[6]User Manual of PCS7 V7.1 Client Library IEC61850.Siemens AG.2009.■