浅谈电力监控系统在太阳能电池工厂的应用
作者：安科瑞电气股份有限公司时间：2023-11-21 我要发布
任华
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定201801
摘要：随着计算机技术、网络技术、工业控制技术的不断发展，越来越多的用户开始重视智能化电力监控系统的建设。近几年电力监控系统给人们带来的人力成本节省、工作效率提高、生产安全可靠性提高等诸多优点得到了业内人士的一致认同。太阳能电池工厂生产工艺复杂，动力配套设施庞大，对供配电系统的可靠性、安全性、实时性、易用性、兼容性及缩小故障影响范围提出了更高的要求；同时，太阳能电池工厂还具有高能耗的特点，对能源管理也有较高要求。所以，电力监控系统对大型太阳能电池工厂显得尤为重要。结合大型太阳能电池工厂变电站工程实例，对其电力监控系统作了详细的介绍。
关键词：电力监控系统；变电站；智能化；供配电；能源管理；太阳能电池；工厂
0 引 言
随着计算机技术、网络技术、工业控制技术的不断发展，越来越多的用户开始重视智能化电力监控系统的建设，近几年电力监控系统给人们带来的节省人力成本、提高工作效率、提高生产安全可靠性等诸多优点得到了业内人士的一致认同。太阳能电池工厂生产工艺复杂，动力配套设施庞大，对供配电系统的可靠性、安全性、实时性、易用性、兼容性及无人值守、缩小故障影响范围提出更高的要求；同时，太阳能电池工厂还具有高能耗的特点，对能源管理也有较高要求。所以，电力监控系统显得尤为重要。本文结合某大型太阳能电池工厂一期变电站工程的工作，简要介绍该工程电力监控系统的实施情况。
该工程全厂占地面积4.8万m²,建筑面积19.2万m²,主要建筑为主厂房和综合动力站及若干辅助建筑物，主厂房长400m,宽90m,共四层；综合动力站长90 m,宽45m,共二层；全厂用电设备装设容量29.8 MW。一期工程在主厂房和综合动力站内共设置6个变电站，其中1号站、2号站、3号站在主厂房第一层。变电站主要设备有26台10 kV开关柜、14台变压器、99台0.4 kV配电柜、3套直流屏、2台柴油发电机组等，各变电站内均为后期工程预留足够设备安装位置。
1电力监控系统架构
变电站内主要设备均纳入电力监控系统范围，该工程在综合动力站一层设置有控制室，即电力监控系统的主站。电力监控系统子系统按变电站划分为6个部分，分别建立各自的监控分站，管理就近的供配电设备，同时将这些分站的数据信号发送到建在控制室的主站监控中心，以便实现控制分散、管理集中、整体运行管理智能化的要求。各分站间采用光纤形成环型网络结构，l号光纤、3号光纤、4号光纤、5号、6号光纤沿室内电缆桥架敷设，2号光纤沿埋地排管敷设，7号光纤沿室外电缆桥架敷设。全厂各分站网络拓扑图.如图1所示。
为了确保供配电系统运行安全可靠、管理高效，该工程采用可靠的综合继电保护产品、采取远程终端技术、计算机技术、现场总线技术、电力管理软件产品等形成“变电站PowerLogic电力监控系统”。整个系统的硬件和软件设计都着眼于高可靠性、高实用和高扩展性，为实现变电站科学化、智能化管理提供了可靠的平台。
为了达到系统要求的功能综合化、测量显示数字化、操作监视屏幕化、运行管理智能化，设计为每个监控站采集10 kV高压系统的电源电压、电流、频率、有功电度、无功电度及开关运行、故障状态；监测变压器的温度状态；以及0.4 kV低压配电系统的电源电压、电流、功率因数、各总断路器及联络开关的运行及故障跳闸状态，远程分合闸控制；同时实时检测站内直流屏设备的运行情况；监测柴油发电机组发电机组运行，监测电流、电压、频率、功率因数及转速、温度、油压等状态。
2系统功能
（1）记录包括：遥测超越记录、遥信记录、事件顺序记录、具有自动投切设备的投停记录、柴油发电机组起动、停止记录；操作记录。
（2）事件顺序记录：事故发生时，在比较高的时间精度记录下发生位置、设备编号、时间、动作保护名称、故障参数、保护动作时刻。
（3）操作记录：设备控制、设备编号、时间、性质、操作人、监护人；保护名称、修改时间、操作人、监护人。
2.1人机界面设定
（1）电气接线图及实时数据画面显示：全厂供电系统图、各变电站10 kV接线图、直流屏接线
图，0.4 kV接线图。
- 实时数据的各种报表、曲线等的显示、各种参数的在线设置和修改、控制操作检查和闭锁。负荷趋势见图2。
图2 负荷趋势图
（3）实时数据的调用菜单、引导图、各种报表、画面、表格等生成的工具俱全.1号站网络拓扑图如图3所示
（4）报警：报警具有声响、闪光、语言等方式。
2.2 操作控制功能
（1）10 kV系统：断路器，负荷开关的分、合闸控制、主变压器有载分接头调节，操作防止误闭领功能。
（2）0.4 kV系统：每台变压器低压总进线断路器、联络断路器及重要断路器的分、合闸控制及防误操作闭锁。
2.3数据统计和处理功能
（1）10 kV系统：对继电保护中各种限值、运行状态进行监视及报警处理、闭锁和解除；直流电源状态。
（2）对系统设备状态监视；运行数据计算和统计、电量累加、分时统计，运行日报表、月报表、年报表统计，*大值、*小值、负荷率、各种事故的统计，历史数据库的显示与存储。
2.4 实时数据采集功能
（1）遥测实时数据：母线电压、线路电流、功率、电度、变压器温度等。
（2）遥信包括断路器的位置，柴油发电机状态等。
（3）保护设备的状态、动作记录等数据。
3 系统网络构成
该工程电力监控系统由三层网络构成：设备层，采用Modbus RS-485现场总线技术；通信管理层，实现通信协议的转换及数据压缩；监控管理层，即计算机监控层。
3.1 设备层
采用Modbus RS-485现场总线，通讯介质采用多层屏蔽RS485双绞线，传输带宽可达
38.4 kh/s,传输距离可达1200 m。现场采集设备主要为施耐德SEPAM系列的综保设备SEPAM
S20、MT断路器、多功能电力监测仪表以及直流屏、柴油发电机组通信模块等，均带有标准RS-485通信接口，并且都采用相同的Modbus通信协议，互相连接形成RS-485的总线网络。在电力监控软件上可以直接显示出现场设备的运行状况，从而达到了远程监测、管理、控制的目的。
3.2通信管理层
由工业以太网交换机、通信服务器、多串口服务器及通信设备柜等构成，它连接设备层和计算机监控管理层，进行数据的预处理、压缩，通过10M/100M自适应以太网RJ45 UTP接口与计算机监控管理层连接。多中口服务器实现系统规模的扩充，16条串口实现*多512个现场智能设备的连接，随时可将附属的供配电设备信息接入本系统。通信服务器实现通信协议的高速转换，同时压缩数据，增加数据传输带宽，提高数据吞吐量。工业以太网交换机支持多台主机同时对其进行访问，TCP/IP通信方式开放、灵活，便于灵活构成分布式监控系统。为分站和总站通信设备均配置UPS作为备用电源，提高系统可靠性。以上通信设备以及UPS电源、过电压保护设备等一体化布置在通信设备柜内，整洁美观。现场运行图见
图4、图5。
3.3计算机监控管理层
由管理控制局域网以及监控主机和监控管理软件构成。监控主机采用高性能、高可靠性、大容量存储器的品牌计算机，配置大屏幕高分辨率显示器，安装中文Micrusoft Windows NT实时多任务操作系统，电力监控软件采用电力监控组态软件，它内置强大的图形功能、数据显示功能、报警功能、历史数据记录分析功能、报表功能等；内嵌编程语言，可以编制各种功能强大的智能管理软件，实现用户对配电系统的科学化、智能化管理的要求。
4系统特点
系统特点如下：整体性能力极强，完整解决方案；科学管理，节约成本；结构合理、产品系统安全可靠；组网灵活，通用性强；操作简单，免维护；接口规范，安全扩展；监控软件具有良好的自诊断与自恢复功能。
采用施耐德框架断路器的本体通信模块和抽架通信模块，实现对MT断路器的远程控制，也是该系统的一大亮点。
5安科瑞Acrel-2000Z电力监控系统解决方案
5.1概述
针对用户变电站（一般为35kV及以下电压等级），通过微机保护装置、开关柜综合测控装置、电气接点无线测温产品、电能质量在线监测装置、配电室环境监控设备、弧光保护装置等设备组成综合自动化的综合监控系统，实现了变电、配电、用电的安全运行和全面管理。监控范围包括用户变电站、开闭所、变电所及配电室等。
Acrel-2000Z电力监控系统是安科瑞电气股份有限公司根据电力系统自动化及无人值守的要求，针对35kV及以下电压等级研发出的一套分层分布式变电站监控管理系统。该系统是应用电力自动化技术、计算机技术、网络技术和信息传输技术，集保护、监测、控制、通信等功能于一体的开放式、网络化、单元化、组态化的系统，适用于35kV及以下电压等级的城网、农网变电站和用户变电站，可实现对变电站全方位的控制和管理，满足变电站无人或少人值守的需求，为变电站安全、稳定、经济运行提供了坚实的保障。
5.2应用场所
适用于轨道交通，工业，建筑，学校，商业综合体等35kV及以下用户端供配电自动化系统工程设计、施工和运行维护。
5.3系统架构
Acrel-2000Z电力监控系统采用分层分布式设计，可分为三层：站控管理层、网络通信层和现场设备层，组网方式可为标准网络结构、光纤星型网络结构、光纤环网网络结构，根据用户用电规模、用电设备分布和占地面积等多方面的信息综合考虑组网方式。
5.4系统功能
（1）实时监测：直观显示配电网的运行状态，实时监测各回路电参数信息，动态监视各配电回路有关故障、告警等信号。
（2）电参量查询：在配电一次图中，可以直接查看该回路详细电参量。
（3）曲线查询：可以直接查看各电参量曲线。
（4）运行报表：查询各回路或设备时间的运行参数。
（5）实时告警：具有实时告警功能，系统能够对配电回路遥信变位，保护动作、事故跳闸等事件发出告警。
（6）历史事件查询：对事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。
（7）电能统计报表：系统具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况。
（8）用户权限管理：设置了用户权限管理功能，可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限。
（9）网络拓扑图：支持实时监视并诊断各设备的通讯状态，能够完整的显示整个系统网络结构。
（10）电能质量监测：可以对整个配电系统范围内的电能质量和电能可靠性状况进行持续性的监测。
（11） 遥控功能：可以对整个配电系统范围内的设备进行远程遥控操作。
（12）故障录波：可在系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各种电气量的变化情况。
（13） 事故追忆：可自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时稳态信息。
（14） Web访问：展示页面显示变电站数量、变压器数量、监测点位数量等概况信息，设备通信状态，用电分析和事件记录。
（15）APP访问：设备数据页面显示各设备的电参量数据以及曲线。
6系统硬件配置
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应用场合 |
型号 |
图 片 |
保护功能 |
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电力监控系统 |
Acrel- 2000Z |
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电力监控主要针对10/0.4kV地面或地下变电所，对变电所高压回路配置微机保护装置及多功能仪表进行保护和监控，对0.4kV出线配置多功能计量仪表，用于测控出线回路电气参数和用能情况，可实时监控高低压供配电系统开关柜、变压器微机保护测控装置、发电机控制柜、ATS/STS、UPS，包括遥控、遥信、遥测、遥调、事故报警及记录等。 |
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网关 |
ANet- 2E8S1 |
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8路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPC UA等协议的数据接入，ModbusTCP（主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT 等协议上传，支持断点续传、XML、JSON进行数据传输、支持标准8GB SD卡（32GB）、支持不同协议向多平台转发数据；每个设备的多个报警设置。输入电源：AC/DC 220V，导轨式安装。 |
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35kV/10kV/6kV 微机保护装置 |
AM6-* AM5SE-* |
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适用于6-35kv配电线路、主变、配电变压器、电动机、电容器、PT监测/PT并列、母联/备自投等中高压柜微机保护 |
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35kV/10kV/6kV 弧光保护 |
ARB5-M |
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主控单元，可接20路弧光信号或4个扩展单元，配置弧光保护（8组）、失灵保护（4组）、TA断线监测（4组）、11个跳闸出口； |
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ARB5-E |
扩展单元，多可以插接6块扩展插件，每个扩展插件可以采集5路弧光信号： |
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ARB5-S |
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弧光探头，可安装于中压开关柜的母线室、断路器室或电缆室，也可于低压柜。弧光探头的检测范围为180°，半径0.5m的扇形区域； |
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35kV/10kV/6kV 进线柜电能质量 在线监测 |
APView500 |
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相电压电流＋零序电压零序电流，电压电流不平衡度，有功无功功率及电能、事件告警及故障录波，谐波（电压/电流63次谐波、63组间谐波、谐波相角、谐波含有率、谐波功率、谐波畸变率、K因子）、波动/闪变、电压暂升、电压暂降、电压瞬态、电压中断、1024点波形采样、触发及定时录波，波形实时显示及故障波形查看，PQDIF格式文件存储，内存32G，16D0＋22D1，通讯2RS485＋1RS232＋1GPS，3以太网接口（＋1维护网口）＋1USB接口支持U盘读取数据，支持61850协议。 |
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35kV/100kV/6kV 高压柜智能操控、 节点测温 |
ASD500 |
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5寸大液晶彩屏动态显示一次模拟图及弹簧储能指示、高压带电显示及闭锁、验电、核相、3路温温度控制及显示、远方/就地、分合闸、储能旋钮预分预合闪光指示、分合闸完好指示、分合闸回路电压测量、人体感应、柜内照明控制、1路以太网、2路RS485、1路USB接口、GPS对时、高压柜内电气接点无线测温、全电参量测温、脉冲输出、4～20mA输出； |
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35kV/10kV/6kV 间隔电参量测量 |
APM830 |
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三相（1、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序电流In，四象限电能，实时及需量，本月和上月值，电流、电压不平衡度，66种报警类型及外部事件（SOE）各16条事件记录，支持SD卡扩展记录，2-63次谐波，2D1＋2D0，RS485/Modbus，LCD显示； |
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35kV/10kV/6kV 高压柜除凝露温湿度控制器 |
WHD72面板式 |
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支持测量并显示2路温度，2路湿度。 |
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WHD20R导轨式 |
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支持测量并显示2路温度，2路湿度。 |
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变压器绕组 温度检测 |
ARTM-8 |
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8路温度巡检，预埋PT100，RS485接口，2路继电器输出； |
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0.4KV低压进出线柜接头测温 |
ARTM-Pn-E |
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无线测温采集可接入60个无线测温传感器；U、I、P、Q等全电参量测量；2路告警输出；1路RS485通讯； |
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ATE400 |
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合金片固定，CT感应取电，启动电流大于5A，测温范围-50-125C，测量精度±1℃；无线传输距离空旷150米； |
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0.4KV低压柜内环境温湿度 |
AHE100 |
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无线温湿度传感器，温度精度：±1℃，湿度精度：±3％RH，发射频率：5min，传输距离：200m，电池寿命：≥3年（可更换） |
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ATC600 |
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两种工作模式：终端、中继。ATC600-Z做中继透传，ATC600-Z到ATC600-C的传输距离空旷1000m，ATC600-C可接收AHE传输的数据，1路485,2路报警出口。 |
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0.4KV低压进线柜多功能电力仪表 |
AEM96 |
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三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，总正反向有功电能统计，正反向无功电能统计；2-31次分次谐波及总谐波含量分析、分相谐波及基波电参量（电压、电流、功率）；电流规格3×1.5(6)A，有功电能精度0.5S级,无功电能精度2级；工作温度：-10℃～+55℃；相对湿度：≤95不结露 |
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0.4KV低压出线柜多功能电力仪表 |
AEM72 |
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三相电参量U、1、P、Q、S、PF、F测量，总正反向有功电能统计，正反向无功电能统计；2-31次分次谐波及总谐波含量分析、低压出线分相谐波及基波电参量（电压、电流、功率）；电流规格3x1.5(6)A,有功电能精度0.5S级，无功电能精度2级 |
7结语
该工程电力监控系统验收投运后，实际运行情况达到预期效果，得到了使用方的满意评价。其便利及实用性主要反映在以下几个方面：工作人员可以方便和实时地监控电力系统的运行状态，为优化电力设备运行提供了有效参考，对现场的用电设备进行统一管理，免去到现场记录的繁琐工作，提高效率，实现了无人值守智能变电站的目标；形成了一个基础的能源管理系统，可以完成对能源数据进行在线的采集、计算、分析及处理从而实现对能源物料平衡、调度与优化、能源设备运行与管理等方面发挥着重要的作用；由于全厂工程庞大而分期实施，系统设计时为后期预留了充足的接口，使用方在后期实施的扩容工程中得到了很大的便利。
该项目存在各变电站内部两台变压器互相备用、变电站之间变压器互相备用的情况，0.4 kV进线和母联MT断路器间互投关系复杂，在方案设计阶段需要充分理解电力系统的运行方式，明确各断路器间的投切逻辑关系，以指导硬件连接和软件编写。在电力系统正式投运前还进行了联动调试进行验证，这是该电力监控系统实施的难点。
由于电力监控系统属于智能化供配电系统的一部分，其集成度相当高，工程移交前编写了用户操作手册，并组织使用人员进行了3天的理论培训和上机培训，对疑点、难点进行了详细的讲解，让使用人员对电力监控系统的操作有了深入了解的同时，也使该系统在以后的运行中功能得到充分利用奠定了基础。
参考文献：
[1]GB50052-2009供配电系统设计规范[S].
[2] DL/T5003-2005电力系统调度自动化设计技术规程[S].
[3] IEC870-5-101远动设备及系统传输规约[S].
[4] IEC870-5-103继电保护信息接口标准[S].
[5]刁先强.杨志锋.冉科.某大型太阳能电池工厂电力监控系统的实施
[6]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版.
作者简介：
任华，男，本科，安科瑞电气股份有限公司，工程师， 技术交流： 021-59104851 ，187-0211-2061（同微信）
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