周清平

(華自科技股份有限公司，湖南 長沙 410205)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，用電規(guī)模越來越大，人們對電力系統(tǒng)及其設(shè)施的安全性可靠性要求也越來越高，因此加強(qiáng)對整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、設(shè)備及負(fù)荷的全方位監(jiān)控成為一種趨勢。在電力系統(tǒng)控制領(lǐng)域，自動(dòng)化、智能化［1］、網(wǎng)絡(luò)化、信息化被更廣泛地推廣與應(yīng)用，電力監(jiān)控形式也多種多樣。然而當(dāng)前存在的監(jiān)控系統(tǒng)都具有監(jiān)控不到位現(xiàn)象，對沒有配置監(jiān)控接口回路，將無法進(jìn)行信息狀態(tài)的收集與對象的控制。為了滿足全方位監(jiān)控，需要加裝智能裝置，不僅功能得不到充分利用，系統(tǒng)成本更是急劇增加。本文論述的可適配多模塊數(shù)據(jù)采控裝置的研究與應(yīng)用從根本上解決這個(gè)問題，它能讓用戶從工程需要選配模塊并適當(dāng)組合，從而達(dá)到無縫監(jiān)控要求，功能得到充分使用，成本也控制在最小范圍。

1 智能監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀及問題

1.1 智能監(jiān)控系統(tǒng)及其意義

智能監(jiān)控系統(tǒng)利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，采用智能一次設(shè)備、智能電力儀表，自動(dòng)控制裝置、通訊設(shè)備等，經(jīng)電力監(jiān)控［2］管理軟件組態(tài)，對電力系統(tǒng)遙信、遙測、遙控，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全方位的監(jiān)控和管理。

通過建立供智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)仿真模型，模擬配電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，對用戶配電網(wǎng)絡(luò)及電氣設(shè)備實(shí)行不間斷監(jiān)控和保護(hù)。系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，首先以最快的速度切除故障，保護(hù)設(shè)備及負(fù)載，縮小停電范圍，同時(shí)系統(tǒng)還提供大量的圖形和報(bào)表等分析統(tǒng)計(jì)工具協(xié)助運(yùn)行人員分析故障原因，盡快查找和排除故障，及早恢復(fù)供電，提高系統(tǒng)供電的可靠性。

1.2 智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式

智能監(jiān)控系統(tǒng)由站控層、中間層及現(xiàn)場設(shè)備層三大部分組成。

站控層位于監(jiān)控室內(nèi)，包括安裝有智能電力監(jiān)控系統(tǒng)的后臺主機(jī)及相關(guān)外圍設(shè)備，接收通訊間隔層上傳的數(shù)據(jù)和信息，進(jìn)行集中存儲(chǔ)、分析、管理，并執(zhí)行相關(guān)操作，同時(shí)下發(fā)控制和命令。站控層負(fù)責(zé)整個(gè)變配電系統(tǒng)的監(jiān)控和管理。

中間層采用多串口服務(wù)器、以太網(wǎng)交換機(jī)等通訊管理設(shè)備，與現(xiàn)場設(shè)備層的帶通訊功能的各類裝置進(jìn)行通訊，采集其數(shù)據(jù)與參數(shù)，傳輸?shù)街髡緦?，同時(shí)接受來自主站層下發(fā)的控制和命令，按要求傳達(dá)到對應(yīng)的裝置和設(shè)備。

現(xiàn)場設(shè)備層位于變配電現(xiàn)場，包括微機(jī)保護(hù)裝置、多功能儀表、智能操控裝置、電能計(jì)量表、諧波監(jiān)測裝置等，采集電力系統(tǒng)現(xiàn)場的各類開關(guān)量、模擬量數(shù)據(jù)和信息，發(fā)送給中間層，由中間層上傳至站控層，同時(shí)執(zhí)行中間層下發(fā)的各類指令。

1.3 現(xiàn)場設(shè)備層的實(shí)現(xiàn)手段及存在的缺陷

整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)中現(xiàn)場設(shè)備層位于系統(tǒng)最下層，與現(xiàn)場設(shè)備緊密聯(lián)系。為實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)信息的采集，或?qū)υO(shè)備對象的控制等，監(jiān)控回路中一般使用智能化的一次設(shè)備和二次元件裝置，采集現(xiàn)場對象的溫濕度、開關(guān)量、模擬量等狀態(tài)信息并對目標(biāo)對象進(jìn)行控制。

現(xiàn)場設(shè)備層對監(jiān)控的回路或?qū)ο笮枰匆笙鄳?yīng)配置監(jiān)控接口或智能組件，各接口或組件不能組合和互用。在實(shí)際工程應(yīng)用中，一般設(shè)備及控制回路，需要對其采集與監(jiān)控的參數(shù)不多，這部分回路或設(shè)備因成本與技術(shù)因素目前無法安全配置監(jiān)控接口或智能組件，因此無法進(jìn)行信息狀態(tài)的收集與對象的控制。這類監(jiān)控系統(tǒng)都存在監(jiān)控不到位現(xiàn)象，是存在缺陷的。

2 目前缺失監(jiān)控的處理辦法

一般設(shè)備和負(fù)荷在整個(gè)系統(tǒng)中相對重要負(fù)荷作用要低，但對其的監(jiān)控又不可或缺，為此需要采取措施和辦法采集其狀態(tài)信息，并對其參數(shù)調(diào)整、操作控制等。目前處理的方法主要有以下兩種，即加裝多功能儀表和配置PLC系統(tǒng)［3］。

2.1 多功能儀表加裝

多功能儀表能采集電流、電壓模擬量，設(shè)備的位置信息及開關(guān)的分合閘狀態(tài)等，同時(shí)具有二到三路可控的繼電器輸出口，并配置RS485通訊，在回路的監(jiān)控上完全滿足系統(tǒng)要求，目前在監(jiān)控系統(tǒng)中較多采用智能儀表來監(jiān)控一般回路或負(fù)荷來解決缺失監(jiān)控的問題。因網(wǎng)絡(luò)控制的限制，每個(gè)控制對象需單獨(dú)配置一套多功能儀表，然而多功能儀表功能強(qiáng)大，如有功、無功檢測，諧波監(jiān)測等，在實(shí)際應(yīng)用中基本上使用不到，造成功能的冗余，加之多功能儀表的價(jià)格比較高，因此在“死角”監(jiān)控中無法得到理想解決。

2.2 PLC系統(tǒng)配置

PLC系統(tǒng)在DCS工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，由于它的完善的功能及配置，在電力監(jiān)控系統(tǒng)中同樣可以得到充分的利用。PLC系統(tǒng)具有電源模塊、CPU模塊、通訊模塊、數(shù)字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊等，并可按現(xiàn)場要求隨意組合與配置。然而PLC并不為現(xiàn)場設(shè)備的底層而設(shè)計(jì)，它能進(jìn)行程序編程，人機(jī)界面的組態(tài)等，是完整的DCS控制系統(tǒng)，在電力監(jiān)控系統(tǒng)中用作設(shè)備層的智能信息裝置應(yīng)該說是一個(gè)極大的浪費(fèi)，最終控制系統(tǒng)的造價(jià)可想而知。

3 可適配多模塊數(shù)據(jù)采集與控制

3.1 全方位監(jiān)控的解決策略

電力控制系統(tǒng)由多個(gè)不同功用的設(shè)備與回路構(gòu)成，它們各司其職，獨(dú)立動(dòng)作但又相互聯(lián)系、相互制約，缺一不可。設(shè)備有重要與一般之分，回路控制有復(fù)雜與簡單的不同。重要的設(shè)備比如消防水泵，復(fù)雜的控制回路如中央空調(diào)集控［4］，要監(jiān)測的量非常多，電流、電壓、頻率、功率因素、有功、無功、諧波及電能量等，同時(shí)控制的點(diǎn)也相當(dāng)繁雜，如正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、啟動(dòng)、停止、加速、減速等，需要有專用的裝置進(jìn)行采集和控制，智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備層的多功能儀表、智能斷路器、智能組件、微機(jī)保護(hù)裝置、專用控制器等都能從不同角度滿足要求。而對于一般負(fù)荷和回路，要采集和控制的量的比較少，項(xiàng)目實(shí)施過程中會(huì)考慮成本和效果，但無法做到二者兼顧。

可適配多模塊數(shù)據(jù)采集與控制的全方位監(jiān)控的解決策略就是既要滿足成本控制需要，又要符合系統(tǒng)監(jiān)控效果及完整性要求，達(dá)到全方位無“死角”監(jiān)控，即所有對象進(jìn)行監(jiān)控，包括一般回路和設(shè)備，對無專用智能裝置及接口的回路的信息與控制量統(tǒng)計(jì)匯總，采取合理機(jī)制進(jìn)行分類組合監(jiān)控，從而達(dá)到全方位監(jiān)控，并且監(jiān)控成本又相當(dāng)?shù)汀?/p>

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)

3.2.1 模數(shù)化結(jié)構(gòu)

為適應(yīng)多種應(yīng)用現(xiàn)場的可變組合需要，數(shù)據(jù)采集測控裝置采用模塊化［5］結(jié)構(gòu)，插拔式制作工藝，各類型模塊可隨意選插到機(jī)箱內(nèi)，類型與位置不受限制和約束，極大地滿足了工程用戶的靈活選配與使用。一個(gè)插槽為一個(gè)單元，大小尺寸均相同。機(jī)箱作為采集測控裝置的整體構(gòu)架，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上也考慮到采用標(biāo)準(zhǔn)4U或8U模數(shù)化形式，在具體工程應(yīng)用中可根據(jù)實(shí)際監(jiān)控規(guī)模大小選用相應(yīng)機(jī)箱形體。模數(shù)化結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 模數(shù)化結(jié)構(gòu)示意圖

小型工程項(xiàng)目中，電力成套設(shè)備內(nèi)及現(xiàn)場控制設(shè)備的離散狀態(tài)信息量、開關(guān)量、整定值及控制字等根據(jù)實(shí)際情況用一套標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)化裝置即可完成監(jiān)測與控制。面對大型工程，可選用多套裝置進(jìn)行組合，擴(kuò)展功能單元，也能解決全方位超量信息的監(jiān)控要求。

3.2.2 多類型模塊

圖2 系統(tǒng)構(gòu)架圖

就單獨(dú)一個(gè)簡單控制回路與設(shè)備在監(jiān)控系統(tǒng)中的信息與控制量不一定很全面，有的只有開關(guān)輸入量，有的只有溫濕度量，但綜合所有回路及設(shè)備，包含了各種類型的信息量與控制量，模數(shù)化數(shù)據(jù)采集及控制裝置系統(tǒng)基于此進(jìn)行設(shè)計(jì)與研發(fā)，主要有 DI、DO、DCI、DCO、RT、AC等模塊，當(dāng)然還有 POWER及CPU模塊。DI模塊實(shí)現(xiàn)開關(guān)量輸入信號的采集;DO模塊對外提供開關(guān)量輸出信號;DCI模塊實(shí)現(xiàn)直流輸入信號的采集;DCO模塊對外提供直流量輸出信號;RT模塊實(shí)現(xiàn)溫度輸入信號的采集;AC模塊實(shí)現(xiàn)交流輸入信號的采集;POWER模塊為裝置工作提供電源;CPU模塊完成數(shù)據(jù)處理、通訊等功能。

3.2.3 系統(tǒng)構(gòu)架與模塊自適應(yīng)

各功能模塊在模數(shù)化機(jī)箱平臺基礎(chǔ)上，通過CAN總線連接，POWER模塊提供工作電源，CPU模塊完成整體數(shù)據(jù)處理及上位通訊，從而搭建一套功能完備的信息采集［6］與控制系統(tǒng)，如圖2。

各功能模塊根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用進(jìn)行組合與配置，數(shù)量及插拔位置不受限制，這就需要模塊本身及系統(tǒng)平臺需要具備自適應(yīng)功能，在模塊插入機(jī)箱構(gòu)架時(shí)，模塊與系統(tǒng)平臺即進(jìn)行握手通訊，從而完成自適應(yīng)。自適應(yīng)流程圖及插槽模塊類型定義程序如圖3。

圖3 自適應(yīng)流程圖

4 結(jié)束語

本文從當(dāng)前智能電力監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀出發(fā)，剖析設(shè)備與技術(shù)等多方面制約因素，分析當(dāng)前智能監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備層監(jiān)控“死角”與遺漏監(jiān)控的深層原因，提出可適配的多模塊的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)理論，對現(xiàn)場離散的狀態(tài)與信息及控制量進(jìn)行集中監(jiān)控，以最優(yōu)的成本控制達(dá)到全方位［7］智能監(jiān)控的要求。各類型模塊任意適配概念及模數(shù)化結(jié)構(gòu)思想完全滿足工程用戶不確定性及自由多變的需求。然而本文中的多路信息的集中監(jiān)控與傳輸理論是在硬件設(shè)備性能與網(wǎng)絡(luò)通訊速率完全滿足要求的前提下提出的，實(shí)際上現(xiàn)有條件是存在一定困難的，因此如何進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的集中并行處理性能與可靠性將是下一階段研究的方向與課題。

［1］張杭.智能化電器和智能化開關(guān)柜的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.江蘇機(jī)械制造與自動(dòng)化，1999，28(6):3-8.

［2］魏建國，李小玲.智能建筑配電監(jiān)控系統(tǒng)［J］.攀枝花學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，27(3):62-65.

［3］晏行芳.智能配電監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，5(3):6-9.

［4］宮慧穎.集控站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)造模式的分析與設(shè)計(jì)［J］.北華大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，12(1):113-116.

［5］譚忠顯.多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)［D］.重慶:西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，2010.

［6］陶曉農(nóng).分散式變電站監(jiān)控系統(tǒng)中的通信技術(shù)方案［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，1998，22(4):51-54.

［7］揚(yáng)培君，馬文瑞.智能配電監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)交互設(shè)計(jì)［J］.電子科技，2011，24(4):92-95.