淺談智能配電能效系統平臺在水廠(chǎng)中的應用

【摘要】本文介紹了一種以PLC為核心融合基于MODBUS通訊協(xié)議的RS-485現場(chǎng)總線(xiàn)和工控以太網(wǎng)技術(shù)的水廠(chǎng)智能配電系統,使電耗更為經(jīng)濟,企業(yè)管理更為高效。

【關(guān)鍵詞】PLC，現場(chǎng)總線(xiàn)，智能配電系統

1.智能型配電系統概述

原有的水廠(chǎng)配電系統中,高低壓配電柜中往往要安裝各類(lèi)儀表,實(shí)現對電力系統的監視,有專(zhuān)人定時(shí)到廠(chǎng)區內的配電間巡視,記錄數值進(jìn)行數據分析和處理。即使部分有計算機監測系統的配電,大多也只是只監不控,所以計量的精度和同步性均不高,更無(wú)法滿(mǎn)足提高配電質(zhì)量的要求。

隨著(zhù)智能型配電系統這一概念的出現,以可編程邏輯控制器(PLC)為核心使用多功能智能電力儀表,綜合保護器等為監測、繼保的高低壓配電柜得到了越來(lái)越廣泛的應用。多功能智能電力儀表可以一表多用,同時(shí)可以通過(guò)其通訊接口來(lái)實(shí)現對儀表的編程、數據采集等功能綜合保護器不但可以實(shí)現電力參數測量,更可以按需求實(shí)現電動(dòng)機保護、變壓器保護、配電線(xiàn)路保護等功能可編程邏輯控制器是專(zhuān)為工業(yè)環(huán)境下應用而設計的工業(yè)控制計算機,已經(jīng)成為電氣控制系統中應用*為廣泛的核心裝置,它能實(shí)現復雜的邏輯控制,且編程簡(jiǎn)單,維護方便,并配有各類(lèi)通訊接口與模塊處理,可方便各級連接。所以利用多功能智能電力儀表和綜合保護器的通訊功能,以(PLC)為核心對配電線(xiàn)路進(jìn)行實(shí)時(shí)監控,并且建立與工控以太網(wǎng)的連接,完成(PLC)工作站與監控服務(wù)器間的數據交換,使用智能型配電系統能夠在很大程度上減少勞力,并且可以提高效率,使電耗更為經(jīng)濟,企業(yè)管理更為高效。

原則上講,智能型配電系統不同于智能型高低壓開(kāi)關(guān)柜,智能型配電系統其配置是根據具體工程的需要,既能配置成全智能型器件及控制設備的開(kāi)關(guān)柜,又能配置成全部使用傳統電器元件及控制設備的開(kāi)關(guān)柜,同時(shí)也能混合配置。給用戶(hù)選用提供了較大的靈活性,以滿(mǎn)足不同的需要。

本智能型配電系統中,使用普通電控型斷路器作為執行器,使用安科瑞公司的(PLC)作為運行狀態(tài)和參數自動(dòng)檢測、自動(dòng)控制的控制器件。各多功能智能電力儀表、綜合保護器作為從站,分別安裝在各開(kāi)關(guān)柜中。主站通訊模塊均選用安科瑞公司。從站與從站和主站之間,通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)以及RS485通信網(wǎng)絡(luò )接口聯(lián)接,進(jìn)行數據交換。從站可以把各開(kāi)關(guān)柜中有關(guān)斷路器開(kāi)關(guān)的狀態(tài)和電量參數送往主站,也可以接受上位機的遙控操作命令,對斷路器開(kāi)關(guān)進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制。但目前由于水廠(chǎng)供電的特殊性,現場(chǎng)總線(xiàn)上設備過(guò)多,通訊控制有時(shí)相應滯后,所以實(shí)際的模式是,電動(dòng)機回路電量參數以通訊方式傳送,分合斷路器以PLC接點(diǎn)控制方式控制,就是利用PLC的輸人輸出模塊,將斷路器開(kāi)關(guān)信號、位置信號,故障信號等以干接點(diǎn)形式送到,將分合閘控制命令以繼電器輸出形式接到電氣二次回路實(shí)現上位機對斷路器的分合閘控制。電源饋線(xiàn)回路電量參數以通訊方式傳送PLC,人工現場(chǎng)分合斷路器,PLC接點(diǎn)控制方式控制作為備用方式。工作站通過(guò)交換機和中央控制室監控服務(wù)器進(jìn)行數據交換,實(shí)現數據庫存儲、數據報表生成等功能。

2.系統構成

2.1系統硬件

2.1.1高低壓配電柜

(1)采用二路進(jìn)線(xiàn),單母線(xiàn)分段運行供電,進(jìn)線(xiàn)和母聯(lián)三開(kāi)關(guān)兩合閘連鎖,各饋線(xiàn)柜原理同傳統一樣,如綜合保護器選用AM3SE-I,通訊協(xié)議MODBUS-RTU協(xié)議。

(2)采用二路進(jìn)線(xiàn),雙母線(xiàn)供電,進(jìn)線(xiàn)和母聯(lián)三開(kāi)關(guān)兩合閘連鎖,分段電容補償,各饋線(xiàn)柜原理同傳統一樣,如多功能智能電力儀表選用安科瑞APM810,通訊協(xié)議MODBUS-RTU協(xié)議。

2.1.2PLC工作站

(1)選用安科瑞公司處理器,通訊模塊選用安科瑞AWT100、一,通過(guò)背板完成與處理器的數據通訊

(2)通過(guò)交換機建立與工控以太網(wǎng)連接

(3)監控服務(wù)器和上位機

2.2系統軟件

(1)饋線(xiàn)控制及數據采集處理由處理器完成,采用與系統配套的編程環(huán)境。

(2)上位機監控界面使用安科瑞EMS能效管理平臺監控軟件。

(3)數據庫存儲及數據報表生成采用安科瑞數據庫系統,利用軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)完成數據的轉換、存儲及報表的生成。

2.3系統監測元件和開(kāi)關(guān)元件

在智能型配電系統中,電流、電壓等電量參數的檢測通過(guò)電流互感器鐵心互感器、空心互感器及霍爾傳感器、電壓互感器、漏電流檢測互感器等。

普通電控型斷路器是智能型配電系統的主要器件,主要用于主進(jìn)回路和聯(lián)絡(luò )母聯(lián)的開(kāi)關(guān)控制,也用于大負荷饋電回路的開(kāi)關(guān)控制。低壓配電上的開(kāi)關(guān)具有過(guò)載脫扣整定,過(guò)載、短路、失壓保護等功能,有合閘、分閘和脫扣指示合閘線(xiàn)圈和分閘線(xiàn)圈分別使用脈沖控制信號。如中國安科瑞公司的ASCB系列低壓開(kāi)關(guān)產(chǎn)品,高壓配電上的斷路器應配套綜合保護器共同使用,具有過(guò)載長(cháng)延時(shí)反時(shí)限、短延時(shí)反時(shí)限、定時(shí)限、速動(dòng)等功能。

3.系統現場(chǎng)數據采集和通訊

低壓配電采用多功能電力儀表,高壓配電采用多功能綜合保護器,也有在高壓柜上同時(shí)安裝綜合保護器和多功能電力儀表,但不管安裝什么品牌的產(chǎn)品,均通過(guò)其提供的RS-485接口以現場(chǎng)總線(xiàn)的方式完成同工作站的通訊。

現場(chǎng)總線(xiàn)就是應用在生產(chǎn)現場(chǎng),在微機化測量控制設備之間實(shí)現雙向串行多節點(diǎn)數字通信的系統,本系統里的現場(chǎng)總線(xiàn)就是RS-485總線(xiàn),通信協(xié)議為MODBUS-RTU協(xié)議,主站就是PLC工作站里面1756機架上插入的AWT通訊模塊,從站就是配電柜上的各類(lèi)多功能電力儀表和綜合保護器。它描述了一個(gè)控制器訪(fǎng)問(wèn)其它設備的過(guò)程,當采用MODBUS協(xié)議通信時(shí),此協(xié)議規定每個(gè)控制器需要知道自己的設備地址,識別按地址發(fā)來(lái)的消息,如何響應來(lái)自其它設備的請求,如何偵測錯誤并記錄。通信采用主一從技術(shù),即,只有主設備能發(fā)出查詢(xún),從設備響應消息。主設備可單獨和從設備通信,從設備返回一個(gè)消息。MODBUS通信有兩種模式。消息的起始位以至少3.5個(gè)字符傳輸時(shí)間的停頓開(kāi)始(一般采用4個(gè)),在傳輸完*后一個(gè)字符后,有一個(gè)至少3.5個(gè)字符傳輸時(shí)間的停頓來(lái)標識結束。一個(gè)新的消息可在此停頓后開(kāi)始。在接收期間,如果等待接收下一個(gè)字符的時(shí)間超過(guò)1.5個(gè)字符傳輸時(shí)間,則認為是下一個(gè)消息的開(kāi)始。只針對設備地址、功能代碼和數據段進(jìn)行。整個(gè)消息幀作為一連續的流傳輸,傳輸速率較高。

當消息從主站發(fā)往從站時(shí),功能代碼域將告之從站需要執行哪些行為。在這里主要使用到3種功能碼,03H:讀寄存器數據，05H:單個(gè)線(xiàn)圈輸出,06H寫(xiě)寄存器數據。讀寄存器的內容包括開(kāi)關(guān)分合閘狀態(tài)、當前電流值、電壓值、故障記錄值等。從站回應時(shí),它使用功能代碼域來(lái)指示是正?；貞獰o(wú)誤還是有某種錯誤發(fā)生稱(chēng)作異議回應。對正?；貞?從站僅回應相應的功能代碼。對異議回應,從站返回一等同于正常代碼的代碼,并將功能代碼置為邏輯。功能碼是單個(gè)線(xiàn)圈輸出,它可以通過(guò)從站設備輸出,控制對應斷路器的分合。在程序中設置一個(gè)幀計時(shí)器,當線(xiàn)路上有數據時(shí)就刷新該計時(shí)器,線(xiàn)路空閑時(shí)則停止刷新,計時(shí)時(shí)間達到3.5幀時(shí)計時(shí)器被軟件清除,而下一幀則為地址幀,MODBUS通信查詢(xún)發(fā)送處理程序流程見(jiàn)圖2。

作為主站的一通訊模塊是平臺開(kāi)發(fā)的通訊接口模塊,各從站采集的數據信息存放在各自的數據緩存區中,模塊讀取各從站的數據存放在自己的數據區后,PLC可以通過(guò)塊寫(xiě)和塊讀操作發(fā)指令和接收信息。

4.系統數據網(wǎng)絡(luò )和監控管理

（1）現場(chǎng)數據采集后在站內配置以太網(wǎng)交換機,通過(guò)光纜連人中央控制室,完成各個(gè)PLC工作站與監控服務(wù)器間的數據交換

（2）監控管理使用組態(tài)軟件,同時(shí)在監控服務(wù)器運行數據連接軟件,并由其完成的服務(wù)功能,中央控制室的電腦界面上可以同步看到每個(gè)配電間內每個(gè)開(kāi)關(guān)柜的電量參數,也可以通過(guò)上位機發(fā)命令控制現場(chǎng)設備的運行。

（3）人機界面可以察看數據庫系統自動(dòng)生成的電量參數日報表、月報表等。

5.安科瑞電氣針對水廠(chǎng)監測推出能效管理解決方案--AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺

5.1平臺概述

安科瑞電氣具備從終端感知、邊緣計算到能效管理平臺的產(chǎn)品生態(tài)體系，AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺通過(guò)在污水廠(chǎng)源、網(wǎng)、荷、儲、充的各個(gè)關(guān)鍵節點(diǎn)安裝保護、監測、分析、治理裝置，用于監測污水廠(chǎng)能耗總量和能耗強度，重點(diǎn)監測主要用能設備能效，保護污水廠(chǎng)運行安全可靠，提高污水廠(chǎng)能效，為污水處理的能效管理提供科學(xué)、精細的解決方案。

5.2平臺組成

AcrelEMS智慧水務(wù)綜合能效管理系統由變電站綜合自動(dòng)化系統、電力監控及能效管理系統組成，涵蓋了水務(wù)中壓變配電系統、電氣安全、應急電源、能源管理、照明控制、設備運維等，貫穿水務(wù)能源流的始終，幫助運維管理人員通過(guò)一套平臺、一個(gè)APP實(shí)時(shí)了解水務(wù)配電系統運行狀況，并且根據權限可以適用于水務(wù)后勤部門(mén)管理需要。

5.3平臺拓撲圖

5.4平臺子系統

5.4.1變電站綜合自動(dòng)化系統及電力監控

對水務(wù)配電系統中35kV、10kV電壓等級配置繼電保護和弧光保護，實(shí)現遙測、遙信、遙控、遙調等功能，對異常情況及時(shí)預警。

監測變壓器、水泵、鼓風(fēng)機的電流、電壓、有功/無(wú)功功率、功率因數、負荷率、溫度、三相平衡、異常報警等數據。

5.4.2電能質(zhì)量監測與治理

水務(wù)中大量的大功率電機、水泵變頻啟動(dòng)導致配電系統中存在大量諧波，通過(guò)監測其配電系統的諧波畸變、電壓波動(dòng)、閃變和容忍度指標分析其電能質(zhì)量，并配置對應的電能質(zhì)量治理措施提高供電電能質(zhì)量。

5.4.3電動(dòng)機管理

馬達監控實(shí)現水務(wù)中電機的保護、遙測、遙信、遙控功能，電動(dòng)機保護器能對過(guò)載、短路、缺相、漏電等異常情況進(jìn)行保護、監測和報警。高效、準確地反映出故障狀態(tài)、故障時(shí)間、故障地點(diǎn)、及相關(guān)信息，對電機進(jìn)行健康診斷和預防性維護。同時(shí)支持與PLC、軟啟、變頻器等配合，實(shí)現電動(dòng)機自動(dòng)或遠程控制，監視、控制各個(gè)工藝設備,保障正常生產(chǎn)。

5.4.4能耗管理

為水務(wù)搭建計量體系，顯示水務(wù)的能源流向和能源損耗，通過(guò)能源流向圖幫助水務(wù)分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區域。

將所有有關(guān)能源的參數集中在一個(gè)看板中，從多個(gè)維度對比分析，實(shí)現各個(gè)工藝環(huán)節的能耗對比，幫助領(lǐng)導掌控整個(gè)工廠(chǎng)的能源消耗，能源成本，標煤排放等的情況。

能耗數據統計采集水務(wù)中污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、水泵站等的用電、用水、燃氣、冷熱量消耗量，同環(huán)比對比分析，能耗總量和能耗強度計算，標煤計算和CO2排放統計趨勢。

能效分析按三級計量架構，分別進(jìn)行能效分析，契合能源管理體系要求，可對各車(chē)間/職能部門(mén)的能效水平進(jìn)行分析，同比、環(huán)比、對標等。通過(guò)污水處理產(chǎn)量以及系統采集的能耗數據，在污水單耗中生成污水單耗趨勢圖，并進(jìn)行同比和環(huán)比分析，同時(shí)將污水的單耗與行業(yè)/先進(jìn)指標對標，以便企業(yè)能夠根據產(chǎn)品單耗情況來(lái)調整生產(chǎn)工藝，從而降低能耗。5.4.5智能照明控制

系統為污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持單控、區域控制、自動(dòng)控制、感應控制、定時(shí)控制、場(chǎng)景控制、調光控制等多種控制方式，模塊可根據經(jīng)緯度自動(dòng)識別日出日落時(shí)間實(shí)現自動(dòng)控制功能，盡量利用自然光照，實(shí)現室內、廠(chǎng)區照明的智能控制達到安全、節能、舒適、高效的目的。

5.5電氣安全

5.5.1電氣火災監測

監測配電系統回路的漏電電流和線(xiàn)纜溫度，實(shí)現對污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、水泵站的電氣安全預警。

5.5.2消防應急照明和疏散指示

根據預先設置的應急預案快速啟動(dòng)疏散方案引導人員疏散。系統接入消防應急照明指示系統數據，通過(guò)平面圖顯示疏散指示燈具工作狀態(tài)和異常情況。

5.5.3消防設備電源監測

監測消防設備的工作電源是否正常，保障在發(fā)生火災時(shí)消防設備可以正常投入使用。

5.5.4防火門(mén)監控系統

防火門(mén)監控系統集中控制其各終端設備即防火門(mén)監控模塊、電動(dòng)閉門(mén)器、電磁釋放器的工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)監測疏散通道防火門(mén)的開(kāi)啟、關(guān)閉及故障狀態(tài)，顯示終端設備開(kāi)路、短路等故障信號。系統采用消防二總線(xiàn)將具有通信功能的監控模塊相互連接起來(lái)，當終端設備發(fā)生短路、斷路等故障時(shí)，防火門(mén)監控器能發(fā)出報警信號，能指示報警部位并保存報警信息，保障了電氣安全的可靠性。

5.6環(huán)境監測

污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、水泵站等場(chǎng)所溫濕度、煙霧、積水浸水、視頻、UPS電池間可燃氣體濃度展示和預警，保障污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、水泵站等安全運行。當可燃氣體或有害氣體濃度超標可自動(dòng)啟動(dòng)排風(fēng)風(fēng)機或新風(fēng)系統，排除隱患，保持良好的水處理環(huán)境。

5.7分布式光伏監測

實(shí)時(shí)監測低壓并網(wǎng)柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數及斷路器開(kāi)關(guān)狀態(tài)，逆變器運行監視，對逆變器直流側每一光伏組串的輸入直流電壓、直流電流、直流功率，逆變器交流電壓、交流電流、頻率、功率因數、當前發(fā)電功率、累計發(fā)電量進(jìn)行監測，以曲線(xiàn)方式繪制上述監測的各個(gè)參量的歷史數據。

平臺結合廠(chǎng)區實(shí)際分布情況，通過(guò)3D或2.5D平面圖顯示分布式光伏組件在屋頂、車(chē)棚的分布情況，顯示匯流箱、并網(wǎng)點(diǎn)位置，各個(gè)屋頂的裝機容量。5.8工藝仿真監控

平臺通過(guò)2D、3D方式實(shí)時(shí)監視粗格柵、污水提升、細格柵、曝氣沉砂、改良生化處理、二沉、加氯接觸消毒、污泥濃縮壓濾、生物除臭等工藝設備運行狀態(tài)。在格柵清渣機、污水提升泵、回流泵、曝氣風(fēng)機、加藥泵、濃縮壓濾機、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動(dòng)機控制柜或低壓饋電柜安裝電動(dòng)機保護，進(jìn)行短路、過(guò)流、過(guò)載、起動(dòng)超時(shí)、斷相、不平衡、低功率、接地/漏電、te保護、堵轉、逆序、溫度等保護以及外部故障連鎖停機，與PLC、軟啟、變頻器等配合，實(shí)現電動(dòng)機自動(dòng)或遠程控制，監視、控制各個(gè)工藝設備,保障正常生產(chǎn)。6.相關(guān)平臺部署硬件選型清單

6.1電力監控、電能質(zhì)量、電動(dòng)機管理及配電室環(huán)境監控系統

7.結束語(yǔ)

智能配電系統集自動(dòng)化程度高、可靠性好、可操作性強、可擴展性強等優(yōu)點(diǎn)于一體,隨著(zhù)水廠(chǎng)自動(dòng)化程度要求的不斷提高,各種智能型的生產(chǎn)設備將不斷出現,以為核心融合現場(chǎng)總線(xiàn)的智能配電系統是對水廠(chǎng)強電管理的一種創(chuàng )新,是一切自動(dòng)化和智能設備的基礎,將為企業(yè)的成本核算和優(yōu)化運行管理發(fā)揮重要作用。

參考文獻

[1]林峻.智能配電系統在水廠(chǎng)中的應用

[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05版智能配電系統在水廠(chǎng)