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1、前言
1.1 电力综合自动化系统的概念
电力综合自动化是指利用现代电子技术、通信技术、计算机及网络技术与电力设备相结合，将配电网在正常及事故情况下的监测、保护、控制、计量和供电部门的工作管理有机地融合在一起，改进供电质量，与用户建立更密切更负责的关系，力求供电经济性最好，企业管理更为有效。
工厂电力综合自动化系统包含企业中与配电系统有关的全部功能数据流和控制。主要包含以下2个方面：
馈线自动化：完成馈电线路的监测、控制、故障诊断、故障隔离和网络重构。其主要功能有：运行状态监测、远方控制和就地自主控制、故障区隔离、负荷转移及恢复供电、无功补偿等。
变配电站自动化：变电站自动化指应用自动控制技术和信息处理与传输技术，通过计算机硬软件系统或自动装置代替人工对变电站进行监控、测量和运行操作的一种自动化系统。
1.2 实现电力综合自动化的必要性
电力的正常供应对朝柴公司、思益公司生产的正常进行有着非常重要的作用。随着朝柴公司、思益公司新产品的开发和生产规模的扩大，工业用电的需求量逐年增加，精益生产、准时化的生产方式对供电质量及可靠性也提出了更高的要求。这就要求思益公司的变配电系统在扩建和改造的同时，还要加强监控力度，做好负荷分析和负荷预测工作。
思益公司电力系统电源由电业局孟克变电站10KV系统供给，经西厂区开闭所、南厂区开闭所、北厂区开闭所分配至各变压器降低为0.4KV供给各种用电单位使用。
而动力公司只在10KV开闭所内设有值班室，依靠人工对电力系统运行数据进行采集，抄录数据少，无法实现准确的负荷分析与管理，无法保证电力系统运行的可靠性。这样，期望在配电所及时记录电力参数的变异，掌握电力运转的品质，对非正常状态及时报警，并准确记录实发事故，及时发现和排除事故隐患，保证安全、可靠、连续地供电，实现配电系统智能化，做到防患于未然，就成了急需解决、十分重要的问题。
但我公司变配电设备使用时间较短，加上设备比较坚固耐用，老化现象并不严重。为了提高设备的综合自动化水平而将现有设备淘汰重建，将会造成巨大的投资浪费。因此，必须充分利用现有设备，采用计算机控制和通信技术，对现有设备进行适当的技术改造，使之满足自动化运行的要求，才是最佳解决方案。
1.3 实现电力综合自动化的可行性
常规开关柜与智能仪表、现场控制模块的组合应用就可以构成智能配电系统。现在，随着微处理器及个人计算机技术的飞速发展，PLC、智能仪表、现场控制模块等自动化监控设备的价格得以大幅度降低，体积也逐渐缩小，使得常规配电系统的智能化改造不再是昂贵而遥不可及的梦想。
2、电力综合自动化改造的具体要求
对常规变配电站实施电力综合自动化系统改造后，应满足如下要求：
（1）遥测
可以实时对系统的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率等进行采集、分析、处理、记录，显示曲线，自动生成报表。
（2）遥信
可以实时对开关的运行状态、保护动作等开关量进行监测，计算机实时显示和自动报警，并对各柜内的开关状态、事故跳闸、过流、速断、温度等动作实时记录、打印。
（3）遥控
通过计算机屏幕选择相应的站号、开关号、合分闸等信号，同时在屏幕上将要选择的开关的状态反馈回来，确认后执行，实时记录操作的时间、类型和开关号等。
3、电力综合自动化系统硬件结构和设备选型
系统采用模块化、分层分布式开放系统结构。本着分散控制、集中监视的原则，按间隔划分、单元化设计、分布式处理，实现设备分层和网络分层的解决方案，整个系统分为现场级控制层和站级控制层。
现场级控制层中的自动化设备要求运行十分稳定可靠，能免维护使用，同时又能满足工程的自动化设计要求。
站级控制层位于集中控制室，一般由计算机、打印机、通讯设备及不间断电源等组成，硬件采用高性能高可靠性的工业PC机，系统软件采用Microsoft Windows 抢占式多任务多线程操作系统，实现遥测、遥信、遥控、报警显示、数据存储、统计报表和变配电站优化运行控制等功能。
3.1 方案设计
方案一：如图1，在每个变配电站内用屏蔽双绞线将全部智能表联接在一起，再接一个RS-232C／RS-485转换器后，与微机构成一个变电所内的监控部分。对于距离超过1200米以外的变电所，通过电话、无线通信实现远程通信，构成整个硬件系统。
图1 一台中央控制机和每个配电所安装1-32个智能仪表
方案二：如图2，每个开闭所作为一个监控子站，每个开闭所配备一台微机安装智能系统软件，微机的一个RS-232接口（COM1或COM2）外接一个RS-232/RS-485转换器，在每个配电所内，用屏蔽双绞线智能仪表表联接在一起，构成一个单独的监控子站。该子站再通过局域网与监控中心通信。
图2 每个变配电站安装一台监控子站和1-32块智能表
方案三：如图3，每个开闭所配备一台下位机，下位机带有RS-485接口，在每个配电所内，用屏蔽双绞线将智能仪表联接在一起，与下位机相连，下位机通过局域网与监控中心通信。
图3 每个配电所安装一台下位机和1-32台智能表
3.2 方案比较
以上是系统构成的三种常规方案，可以根据工程实际需要进行灵活设计，智能仪表可以分散安装在开关柜的仪表盘上，也可以安装在集控柜内。
- 中控机与RS-485总线直连方式，可靠性好，通讯速度快，投资少，软件设计简单，但RS-485总线长度限制在1200米以内。
- 监控子站方式，每个子站可以独立实施自动化监控和管理，但需设置多台监控子站，投资费用大，且软件设计较复杂。
- 无线通讯方式需安置天线等附属设施，投资费用大，可靠性差。
- 电话线方式，通讯速度快，软件设计简单，投资少，但每部电话需要占用线路，并按月交纳月租费。
- 现场下位机方式，可充分利用现有的局域网资源，投资少，软件设计简单，但下位机本身无存贮装置，不能独立实施自动化监控和管理。
3.3 方案确定
因我们将监控中心选在西厂开闭所，所以对西厂区开闭所的自动化监控和管理系统通讯方式采用RS-485总线与中央控制机直连方式；对于距离超过1200米的南厂区开闭所、北厂区开闭所、金工一、金工二、金工三、金工四低压配电所，采用在每个配电所安装一台现场下位机，由下位机通过局域网与中央控制机进行通讯，完成自动化数据采集与监控。系统结构如图4所示。
图4 东风思益电力综合自动化系统结构图
3.4 设备选型
系统结构及具体方案设计完成后，下一步的工作就是设备选型，我们查阅了大量自动化设备资料，经过仔细研究，决定采用如下设备。
（1）智能仪表
智能仪表是整个系统的硬件核心，应在符合计量标准同时，具备与上位机通讯功能。考虑节省改造资金及充分利用原有设备，智能仪表使用原有的全电子式多功能电能表，全电子式多功能电能表具有高稳定、高可靠、高安全、高寿命、高精度等诸多优点，符合DL/T614-1997、DL/T645-1997等标准，是电力部门现代化电能测量和管理的理想计量仪表。
全电子式多功能电能表基本特性如下：
- 采用双处理机，分别担任功率计量和数据处理工作，相互间完全隔离，增强抗干扰性能，确保系统稳定工作。
- 主CPU设内外部双看门狗电路，按操作规程使用时，系统可以永不死机，确保高可靠性。
- 数据备份时，采用双份拷贝、热缓冲，数据恢复时，采用冗余判决，确保系统数据的真实性。
- 双后备电池做数据和时钟的备份电源，可长期工作无后顾之忧
- 通过RS-485串口可对电能表实施全功能操作。
全电子式多功能表基本功能如下：
- 测量双向有功、四象限无功电能；
- 测量双向有功、四象限无功最大需量；
- 保留三个抄表周期的电能和最大需量数据；
- 四种费率，每日可切换12次，周休、节假日可以设定
- 六套时段表，每年可分四个季节段；
- 无源有功正反向、无功四象限脉冲输出，脉冲宽度可编程设定；
- 失压、失流计时及显示；
- 测量瞬时功率、电压、电流及功率因数；
- 超需量限额报警；
- 超预警电量报警及剩余电量等于零或小于透支电量时拉闸；
- 具有存储功能，每15分钟存储一次数据，并保存前一天的数据；
- 上位机可实时读取有功、无功功率，产生任何时间密度的复合曲线，便于合理的用电管理。
（2）RS-232/RS-485信号转换模块
由于RS-232与RS-485所采用的IC不一样，它们之间的信号标准电位也不相同，如果希望能使用RS-232去进行RS-485的控制，就必须将RS-232的标准电位做转换。本系统选用泓格科技出品的分布式模块ICP-CON的I-7520进行RS-232与RS-485的信号转换。
图5 I7520外观和引脚图
（3）可编程自动化控制模块
可编程自动化控制模块选用了台湾鸿格科技的I－7188EXD。I-7188EXD的强大功能来自于带有512K字节的静态RAM和512K字节闪存的 80188-40 处理器。它还提供1个RS-232串口和1个RS-485口。通过一个与NE-2000兼容并带有16K字节缓存芯片和10Base-T接口界面的控制器提供支持以太网的功能。 I-7188EX 也能提供14个用户定义的I/O连线。可以连接低价高效的I/O扩展板卡，如A/D，D/A，继电器驱动和输入保护板卡。I-7188EX也支持电池供电的SRAM磁盘卡和Flash-Rom卡，从而能提供从2G到64G的不丢失的大容量存储。
图6 I－7188EXD 外观和引脚图
（4）分布式数据采集控制模块
实现监控最基础的便是应用数字输入/输出来检测外界状态和控制开关，我们在系统中选用了台湾鸿格科技的I－7065，作为数字输入/输出模块，实现对现场开关量的采集和控制。I－7065是5通道继电器输出/4通道数字量输入模块。如图7所示。
图7 I－7065外观和引脚图
（5）中央控制机
中央控制机选用台湾艾讯公司生产的工业计算机，工业计算机具有较高可靠性，具有较好的扩展性。
4、电力综合自动化系统的软件开发
主要工作是按DL/T645-1997《多功能电能表通信规约》及Delphi编程语言开发串口通信组件和数据采集程序，实现动态的人机界面，并实现数据网络共享。
5、电力综合自动化系统的具体功能
5.1 数据采集功能
电力综合自动化系统采集现场有关数据，包括模拟量及开关量，测量量，外部输入讯号等数据传至监控系统作实时处理，实时更新数据库及显示画面，并在屏幕上采用模拟图方式实时显示现场设备运行状况，显示实时和历史事件，为系统实现其他功能提供必需的运行信息。具体如下：
（1）系统能完成配电系统模拟量运行状态的监视，有效反映各模拟量（电流、电压、有功功率、无功功率、有功电能、无功电能等）。
（2）系统能对配电系统内状态量进行有效，安全，可靠，直观的监视，如开关位置、断路器位置。
图8 系统主画面
5.2 控制功能
通过主站微机的键盘，鼠标器对控制对象进行分合操作。控制对象包括开关和断路器开关的分合（跳合）操作。为保证受控设备的安全，必须有可靠的闭锁和防范措施，控制操作实施时必须输入口令，口令是操作员唯一通过微机来分合开关或断路器的唯一验证手段，口令需要双重验证。
5.3 屏幕显示功能
系统能在主控机显示与实际相对应的一次主接线模拟图，显示各控制对象的运行状态并实时动态更新。可形成实时的和历史的模拟量连续变化的趋势图，如功率负荷曲线。数据可以在系统硬盘中长时间储存，为进行负荷分析和预测提供全面的第一手资料。
- 系统主接线图；
- 断路器、开关状态；
- 实时量参数表显示；
- 报警信息；
- 历史数据，趋势曲线；
- 事件显示。
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图9
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图11
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5.4 越限监视与报警功能
按系统实际需要，可在任何时间在显示屏上通过弹出报警窗口方式显示最新的报警信号和提示，及时反映事故报警，并产生报警声音，包括音响报警，语音报警，警铃报警。报警分模拟量报警和开关量报警，报警讯号一旦发出将持续不断直到有值班人员来处理并按报警取消或复归键。报警信号按时间先后顺序排队，报警信号分不同的报警级别，并用闪烁和不闪烁来区别某一报警是否已确认或已处理。所有报警信息均存储在事件记录中，作为对该报警之事后分析依据。
模拟量越限报警，将越限时间，测点名称，越限时刻工程值（高限，高高限，低限，低低限），工程量单位，越限性质输出当地主机硬盘或打印机上，并给出声光报警信息。
5.5 事件信息功能
系统能显示和记录配电系统中所有动作事件。事件包括：所有报警信号；开关的操作；系统通讯状况，设备运行状况；断路器动作和状态等。
5.6 报表记录和打印功能
系统可以将采集数据存储在实时数据库，并可按要求自动生成报表。
- 运行日志，月报表，年报表；
- 事故，故障，操作一览表；
- 事件顺序记录表；
6、电力综合自动化系统的经济性分析
6.1 提高供电质量
使用电力综合自动化系统可提高供电的可靠性。实现变配电站自动化，可减少故障次数，缩小事故范围，缩短事故时间，为恢复供电、快速分析、诊断、报告事故原因提供有效的依据。
6.2 降低网损
根据国内配电自动化系统运行的成功经验，通过电压和无功优化控制，可以降低网损率3％左右。
6.3 提高设备管理水平
电力综合自动化系统系的效益还在很大程度上体现在变配电设备管理上。比如设备检修，如果没有相应的配电自动化监控管理系统，所有设备按一定期限定期检修，其工作量巨大，耗费大量人力物力，电力自动化系统的使用可以使设备检修的针对性更强。变故障修为状态修，变人工巡检为自动故障保修，减轻维护人员的劳动强度；减少操作人员；增强电力系统的免维护性。
通过对负荷的监控，合理分配负荷，还可以最大限度地保护供电设备投资。有利于提高设备的安全和健康水平，延长使用寿命。
6.4 提高用电管理水平
电力综合自动化系统提供了一套科学化的用电管理手段，可以准确、及时地提供实时的数据和信息；可以直观地监视电力设备的运行情况，方便的控制计划停电、供电，实现总体控制。为用户调整用电峰谷时段，提供有效的依据。做到值班电工通过电脑化面实时监视系统的运行状况；检修电工根据画面的予警提示有针对性的对设备进行保养、检修；电气工程师通过系统报表和分析曲线制订保养、检修、整改计划；管理者代表可根据详细的电量统计报表核算、控制生产成本；为企业ERP提供充足完整的数据信息。在不增加人员成本的基础上，大大提升了管理水平。
6.5 节省人员成本
电力综合自动化系统使得动力公司电气人员职责更清晰、层次更分明、分工更具体，对运行、检修人员要求少而精，电力综合自动化系统投入使用比没有进行自动化改造前可节省1/3人员。
7、结束语
总结以上可以看出，电力综合自动化系统改造具有明显的经济效益。另外，随着现代工业的发展，将电力综合自动化系统同工厂的集散控制系统DCS、企业资源计划ERP融合在一起，达到良好管理，已成为一种必然趋势和发展方向。
参考文献
[1]《监控组态软件及其应用》，清华大学出版社，马国华
[2]《水电站无人值班综合自动化系统》，杨辰，周洪，贺剑锋
[3]《Visual Basic与分布式监控系统--RS-232/485串行通信》，范逸之，清华大学出版社
[4]《常规变电站实现无人值班对二次回路的改造》，台山电力局，余国平
[5]《低压智能配电监控系统方案》，珠海派诺电子有限公司 |
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