金廣業(yè)

(北京金奧特曼科技有限責(zé)任公司，北京　100085)

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PowerMonitor 3000 在變電站控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

金廣業(yè)

(北京金奧特曼科技有限責(zé)任公司，北京100085)

針對(duì)工廠變電站控制系統(tǒng)存在的缺乏監(jiān)控、安全連鎖不佳等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了先進(jìn)的變電站監(jiān)控連鎖控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用先進(jìn)的PowerMonitor3000電力監(jiān)控模塊和可編程序邏輯控制技術(shù)，并引入了滿足信息化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的可擴(kuò)展性系統(tǒng)平臺(tái)。系統(tǒng)投入實(shí)際運(yùn)行后，實(shí)現(xiàn)了變電站的自動(dòng)監(jiān)控、安全連鎖、數(shù)據(jù)采集等功能；運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有良好的應(yīng)用前景。

變電站控制系統(tǒng)監(jiān)控連鎖DeviceNet網(wǎng)絡(luò)PowerMonitor3000自動(dòng)化

Automation

0　引言

隨著信息化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展，工廠對(duì)能源的需求也在不斷調(diào)整，單純供電的變電站已不能滿足現(xiàn)代化工廠的需要。在現(xiàn)代工業(yè)控制中，可編程序控制器[1]已成為基本平臺(tái)，并廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制中。

以可編程序控制器為平臺(tái)，建立了使用最新技術(shù)硬件、可采集大量數(shù)據(jù)、基于優(yōu)化算法[2]和工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)組成的變電站監(jiān)控連鎖控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了分散控制和集中優(yōu)化管理，并為整個(gè)工廠的信息化管理提供了有效能源數(shù)據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)性能穩(wěn)定、操作方便，降低了生產(chǎn)的能源成本，提高了生產(chǎn)效率，確保了工廠供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。

1　PowerMonitor 3000介紹

工廠變電站監(jiān)控連鎖控制系統(tǒng)以可編程序控制器為基本控制平臺(tái)，采用了關(guān)鍵硬件PowerMonitor3000。PowerMonitor3000是由美國(guó)羅克韋爾自動(dòng)化專門(mén)為滿足電力生產(chǎn)商和用戶的需求而設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)的，被稱為電力監(jiān)控模塊。PowerMonitor3000包括1個(gè)提供計(jì)量功能和DF1通信功能的主模塊、1個(gè)可選的顯示模塊和1個(gè)可選的通信端口，可適用于以下應(yīng)用場(chǎng)合。

①負(fù)載分布分析。使用電力參數(shù)和可組態(tài)的趨勢(shì)記錄功能，進(jìn)行負(fù)載分布分析。

②用電需求管理。了解用電需求量的變化，優(yōu)化電量，節(jié)省能源。

③費(fèi)用攤配?？蓪?duì)工廠各個(gè)部門(mén)進(jìn)行用電計(jì)算，分析各部門(mén)的實(shí)際用電量，提高其生產(chǎn)效率，有利于各部門(mén)的成本考核。

④配電系統(tǒng)監(jiān)控。使用電力參數(shù)顯示電流方向、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)備狀態(tài)。

⑤緊急負(fù)載切斷。當(dāng)突然發(fā)生故障斷電時(shí)，調(diào)整電力參數(shù)并切斷相關(guān)負(fù)載，可保證其余系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

⑥電力系統(tǒng)控制。調(diào)整電力參數(shù)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓和功率因數(shù)，可實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)最佳運(yùn)行。

PowerMonitor3000主模塊內(nèi)置有1個(gè)通信端口，同時(shí)還可添加1個(gè)可選的通信端口，以便與可編程序控制器及其他控制設(shè)備相連接；可測(cè)量多達(dá)30個(gè)電力參數(shù)，并具備數(shù)值存儲(chǔ)和傳輸功能。PowerMonitor3000顯示模塊是可選的輸入/輸出設(shè)備，可對(duì)主模塊進(jìn)行組態(tài)，同時(shí)具有2行高清晰度LED顯示器和4個(gè)操作按鍵，即可通過(guò)操作按鍵和顯示器完成對(duì)主模塊的組態(tài)和操作。在個(gè)人計(jì)算機(jī)上運(yùn)行RSPower32軟件，即可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)對(duì)主模塊的組態(tài)和操作。

2　控制系統(tǒng)的構(gòu)成

2.1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)可編程序控制器組成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法[3]，變電站監(jiān)控連鎖控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1　The structure of control system

系統(tǒng)根據(jù)工廠供電分布，分為 110kV、35kV和10kV這3個(gè)控制區(qū)段，并根據(jù)每個(gè)區(qū)段供電設(shè)備的不同，分別使用了6個(gè)、11個(gè)和39個(gè)PowerMonitor3000，對(duì)每個(gè)供電區(qū)段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和連鎖保護(hù)。

PowerMonitor3000本身的輸入/輸出點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)對(duì)象的自身連鎖控制；主模塊都選用了顯示模塊，從而使每個(gè)模塊本身都具有單獨(dú)的分散監(jiān)控功能，也可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)在操作站計(jì)算機(jī)上進(jìn)行集中控制。

系統(tǒng)以ControlLogix可編程序控制器系統(tǒng)為平臺(tái)，將PowerMonitor3000采集的數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)娇删幊绦蚩刂破?，同時(shí)可編程序控制器本身也配置了輸入/輸出模板，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)區(qū)段的電量數(shù)據(jù)采集、用電量監(jiān)控、供電系統(tǒng)連鎖保護(hù)、系統(tǒng)操作監(jiān)控和供電優(yōu)化處理。2臺(tái)上位計(jì)算機(jī)作為操作員站和工程師站，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接到可編程序控制器，使用了RSPower32軟件、RSview32軟件編程軟件和圖像處理技術(shù)[4]進(jìn)行系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)維護(hù)和操作監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了工廠變電站監(jiān)控連鎖控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

2.2系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

采用多種數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，可以大大提升系統(tǒng)的控制功能，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行互相交換，并將工廠變電站監(jiān)控連鎖控制系統(tǒng)納入整個(gè)工廠的過(guò)程控制系統(tǒng)中；同時(shí)，為上層的生產(chǎn)管理決策系統(tǒng)提供底層支持是整個(gè)變電站監(jiān)控連鎖控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要原則。

由圖1可以看到，系統(tǒng)底層采用的是基于現(xiàn)場(chǎng)總線的DeviceNet[5]網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)DeviceNet網(wǎng)絡(luò)將分布在3個(gè)不同供電區(qū)段的PowerMonitor3000電力監(jiān)控模塊連接到ControlLogix可編程序控制器中。ControlLogix可編程序控制器向上通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)EtherNet/IP[6]與操作員站、工程師站相連。變電站遠(yuǎn)離工廠中心控制室，在工業(yè)以太網(wǎng)EtherNet/IP中通過(guò)無(wú)線電臺(tái)系統(tǒng)與中心控制室的全場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)相連，并向上連接到生產(chǎn)管理決策系統(tǒng)中，真正實(shí)現(xiàn)了信息一體化的工廠生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)。

3　應(yīng)用軟件的組成

應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)需要考慮整個(gè)系統(tǒng)的功能和通信方式。應(yīng)用軟件主要包括3個(gè)部分：操作員站和工程師站的圖形操作監(jiān)控軟件、可編程序控制器應(yīng)用控制軟件和網(wǎng)絡(luò)通信軟件。

3.1圖形操作監(jiān)控軟件

在RSview32開(kāi)發(fā)軟件的基礎(chǔ)上，圖形操作監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)操作的監(jiān)控。該軟件采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)壓縮和圖形處理技術(shù)[7-8]，監(jiān)控畫(huà)面有主畫(huà)面和次級(jí)畫(huà)面之分。每一種畫(huà)面都會(huì)分成若干級(jí)的次級(jí)畫(huà)面，便于操作、監(jiān)控和系統(tǒng)分析。軟件主要畫(huà)面如下。

①系統(tǒng)操作畫(huà)面。該畫(huà)面為主畫(huà)面，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的正常啟動(dòng)/停車(chē)操作、緊急狀態(tài)停車(chē)操作、工藝過(guò)程畫(huà)面顯示、各功能鍵的設(shè)置使用和用戶權(quán)限設(shè)置。

②工作流程畫(huà)面。根據(jù)設(shè)備的工作流程，該畫(huà)面直觀地顯示各部分工作狀態(tài)，并顯示相應(yīng)的運(yùn)行和報(bào)警狀態(tài)等。

③設(shè)備狀態(tài)畫(huà)面。在工作流程畫(huà)面基礎(chǔ)上，可進(jìn)入各部分設(shè)備的狀態(tài)畫(huà)面，給出設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，以及運(yùn)行參數(shù)的曲線圖和柱狀圖。

④數(shù)據(jù)顯示畫(huà)面。該畫(huà)面顯示整個(gè)供電系統(tǒng)的參數(shù)數(shù)據(jù)，給出趨勢(shì)曲線，并進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)記錄和分析、作出統(tǒng)計(jì)報(bào)表等。

⑤報(bào)警處理畫(huà)面。該畫(huà)面實(shí)現(xiàn)報(bào)警顯示、報(bào)警分析，設(shè)定修改報(bào)警限值和報(bào)警延時(shí)時(shí)間；給出故障發(fā)生順序、故障分類，指出主要故障和次要故障，并進(jìn)行故障報(bào)警操作。

3.2可編程序控制器應(yīng)用控制軟件

在可編程序控制器編程軟件基礎(chǔ)上，可編程序控制器應(yīng)用控制軟件應(yīng)用梯形圖，編制出系統(tǒng)的順序控制、連鎖控制、邏輯控制和模擬量數(shù)字處理程序。由于可編程序控制器的應(yīng)用軟件[9]設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，并已在其他文獻(xiàn)中作過(guò)介紹[10]，在此不再詳細(xì)討論。

3.3網(wǎng)絡(luò)通信軟件

網(wǎng)絡(luò)通信軟件包括DeviceNet網(wǎng)絡(luò)通信軟件、工業(yè)以太網(wǎng)EtherNet/IP通信軟件和無(wú)線通信系統(tǒng)運(yùn)行部分的組態(tài)開(kāi)發(fā)軟件。

DeviceNet網(wǎng)絡(luò)通信軟件的組態(tài)開(kāi)發(fā)，首先就是在每一個(gè)PowerMonitor3000模塊上通過(guò)硬件或顯示模塊設(shè)定，使它們處于DeviceNet網(wǎng)絡(luò)模式下；然后通過(guò)工程師站，在ControlLogix可編程序控制器中為每個(gè)模塊分配對(duì)應(yīng)的地址，在內(nèi)存中為它們分配相應(yīng)的空間，并根據(jù)供電過(guò)程中的需要，處理相應(yīng)的參數(shù)和邏輯。

工業(yè)以太網(wǎng)EtherNet/IP通信軟件的組態(tài)開(kāi)發(fā)需要與上一級(jí)全廠控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相結(jié)合，在工程師站上對(duì)可編程序控制器系統(tǒng)中的EtherNet/IP通信模板進(jìn)行組態(tài)，然后對(duì)需要與上級(jí)控制系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)處理，并分配使用上一級(jí)傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。同時(shí)，在工程師站和操作員站上也需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的組態(tài)，使操作員站、工程師站、可編程序控制器和上一級(jí)控制系統(tǒng)都成為工業(yè)以太網(wǎng)EtherNet/IP上的設(shè)備，分別承擔(dān)其各自的任務(wù)和權(quán)限。

無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的通信軟件比較簡(jiǎn)單，只需實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸介質(zhì)的功能。所以，在變電站監(jiān)控連鎖控制系統(tǒng)和全廠的控制系統(tǒng)中，采用成對(duì)的無(wú)線電臺(tái)，只要通過(guò)硬件設(shè)定或通過(guò)工程師站軟件設(shè)定，就可達(dá)到無(wú)線通信的要求。

4　結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)通過(guò)軟、硬件設(shè)計(jì)，利用了最新的硬件技術(shù)PowerMonitor3000電力監(jiān)控模塊和多層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了工廠變電站監(jiān)控連鎖控制系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)的變電站控制系統(tǒng)采集了大量的變電站數(shù)據(jù)并進(jìn)行了數(shù)據(jù)

分析處理，完成了變電站的監(jiān)控操作和安全連鎖；重要的是，該系統(tǒng)與整個(gè)工廠過(guò)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)連成一體，滿足了現(xiàn)代化工廠對(duì)供電系統(tǒng)的要求。本系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行安全、可靠，維護(hù)靈活方便，大大提高了工廠電能使用效率。

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ApplicationofPowerMonitor3000inControlSystemofSubstation

Inviewoftheproblemthatmonitoringandsafetyinterlockingarenotperfectinoriginalcontrolsystemofsubstationsinfactory,theadvancedmonitoringandinterlockcontrolsystemforsubstationsisdesigned.ByadoptingadvancedPowerMonitor3000powermonitoringmodulesandPLCcontroltechnology,theexpandablesystemplatformthatmeetsthedemandsforintellectualization,digitalizationandnetworkingisintroduced.Havingbeenputintooperation,thesystemoffersthefunctionsofautomaticmonitoring,safetyinterlockanddataacquisition,etc.Itrunssteadyandreliable,andpossessesexcellentapplicableprospects.

TransformersubstationControlsystemMonitoringandcontrolInterlockDeviceNetnetworkPowerMonitor3000

TH-39;TP29

A< class="emphasis_italic">DOI

:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201610013

修改稿收到日期：2016-04-18。

作者金廣業(yè)(1956—)，男，1982年畢業(yè)于東北大學(xué)工業(yè)自動(dòng)控制專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，高級(jí)工程師；主要從事現(xiàn)代控制理論研究、生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用。