计算机职称论文浅析港口码头变配电所的设计

　　摘要：本文对变配电所的计算机监督控制系统的构成、内容及特点进行了叙述，并结合港口码头工程事例再现了实时检测、远程控制、事故报警及故障分析等功能的实现。

　　关键词：遥测,遥信,遥控

　　l　前言

　　变配电所是电力输送系统中的一个重要组成环节，它的任务是接受电能，变换电能电压，将电网输送来的35kv或10kv高压电能降低为普通电力设备及照明灯具能使用的额定电压380v/220v，并分配和输送到所需的地方。变配电所能否正常运行关系到电力系统的稳定和安全，因此对变电所进行监控和保护具有十分重要的意义。

　　变配电所计算机监控系统是利用现代电子技术、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、控制、计量和供电部门的工作管理有机地融合在一起，能改进供电质量，力求供电最为安全、可靠、方便、灵活，经济性好。真正实现变配电所的无人值守，全面提高变配电运行管理的现代化水平，减少运行费用。

　　2　系统构成

　　变配电所计算机监控系统采用分散、分层、分布式结构设计，按间隔单元划分、模块化设计，整个系统分为三层;现场监控层、通信管理层和系统管理层。

　　2.1 现场监控层：所有监控单元相对独立，按一次设备对应分布式配置，就地安装在开关柜回路内，完成保护、控制、监测和通信等功能，同时具有动态实时显示开关设备工作状态、运行参数、故障信息和时间记录、保护定值等功能。监控单元与开关柜融为一体，构成智能化开关柜，经RS485通信接口介入现场总线。

　　2.2 通信管理层：完成监控层和管理层之间的网络连接、转换和数据、命令的交换，通过以太网可实现系统与办公信息管理系统(MIS)、建筑设备监控(BAS)和智能消防管理系统(FAS)等自动化系统的网络通信，达到信息资源共享，系统还具备与模拟显示屏、智能直流电源系统、柴油机发电机组、变压器温控单元等其他智能设备的通信接口。

　　2.3 系统管理层：由监控主机、大屏幕彩显、打印机、UPS电源等组成。监控主机采用高性能计算机，选用专业组态监控软件完成变配电系统的全部监控功能，系统软件基于多进程、多任务MicrosftWindowsNT/2000中文操作系统。

　　2.4 变配电数据通过现场监控层进行分散采集和就地显示，经过变配电通信管理层的通信网络接口与系统管理层的主机系统联网，MODBUS通信协议转换，实现对各种配电网络的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率、电能量等电参数进行监测以及对断路器的分合状态、故障信息进行监测，以及对断路器的分合状态进行控制，最终由系统管理层实现集中的管理。其典型的系统远离方框图如图1所示。

　　3　系统内容

　　3.1变配电所计算机监控系统的硬件部分

　　首先，对于35kV以下的高压中心配电所主进、出线、母联可采用电力综合仪表来实现遥测、遥信、遥控功能是必不可少的。该仪表与CT、PT直接相连，采集高精度交流信号，经过离散数学计算，即可测量出各个回路电量参数(测量精度为0.5%)，该仪表具有八路开关量输入，四路继电器输出，同时带有自检功能，可与综合继电保护装置配合使用。如：一般在高压10kV中心配电所的主进、母联以及出线柜中采用电力综合仪表与综合继电保护装置进行配合使用，来实现高压10kV中心配电所的监测与保护要求，即全电量(电流、电压、频率、功率因数、有功功率、无功功率、有功电度和无功电度)遥测，断路器、失压跳闸故障、过电流故障、单相接地故障的遥信，断路器合闸、跳闸的遥控。具体接线如图2所示。

　　由图2可知：

　　1)CT、PT直接接入电力综合仪表测量回路中，即可测量出该回路的电量参数。实现该回路的“遥测”;

　　2)该仪表的八路开关量输入分别采集电气设备的模拟量(电流、电压、功率、电度、频率、温度等)和开关量(断路器及隔离开关位置信号、继电保护及自动装置信号、设备运行状态信号等)。如配电柜中断路器的分合闸状态、手车工作位置、电机储能状态以及接地刀闸位置，同时对综合继电保护装置中的故障跳闸信号和内部故障进行采集、分析，给予报警，并显示该回路的故障类型。实现该回路的“遥信”;

　　3)该仪表的继电器输出分别接至断路器的分、合闸线圈上，实现断路器的远程控制，即断路器的“遥控”。

　　0.4kV低压主进、母联同样采用电力综合仪表来实现“三遥”功能。该仪表与CT、母线直接相连，采集高精度交流信号，测量该回路的实际电量，实现遥测，同时对主进、母联开关的断路器合、分闸状态，框架式开关的位置以及故障报警等开关量实现遥信，并对断路器实现远程遥控。具体接线方式与图2基本相同。

　　根据电力综合仪表的功能特点也可实现低压配电出线回路的“三遥”功能，但因配电室低压出线回路较多，采用该仪表分散安装于开关柜内经济投资较大，电气设备制造商根据低压配电出线回路采集特点(即一般采集回路开关的合分闸状态、报警信号以及回路的电流、电压等)、基于降低成本的原则，专门开发了一种实用于低压配电出线回路的带有RS485通讯接口，支持MODBUS通讯协议的模块，分别对各回路实现“三遥”功能。模块集中组屏，可方便电力管理者对低压站出线回路集中管理。

　　3.1.1遥信

　　通过系统电流量输入采集模块实现变配电所中所有各出线回路开关量的采集，如断路器的分合闸状态、手车工作位置、操作机构电机储能状态、断路器故障报警信号、失压报警信号、过压报警信号、事故跳闸信号、综合保护器的故障类型、以及框架式空气开关的位置，并对变压器的风机状态、高温、超高温信号等开关量实时监控。一个单独模块可采集16路开关状态。具体接线方式如图3所示。

　　3.1.2遥测

　　1)通过电流量输人采集模块对各出线回路的各相电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、超限报警、频率等进行不断地采集、分析、处理、记录、显示曲线，自动生成报表。单个模块可采集16回路电流。具体接线方式如图4所示。

　　每一个回路可以由电流量输入模块采集该回路的电流，并根据测量的实际电压、功率因数等来计算该回路的实际用电量。

　　2)通过模拟量输入模块采集变压器的温度信号、湿度信号以及液位信号等模拟量信号(各个模拟量信号需有4,-,20mA或0--5V输出)。

　　3.1.3遥控

　　通过继电器控制输出模块分别对高、低压开关柜各进出线回路(带有电动操作机构、失压脱扣器的开关) 实现开关的远程分、合闸功能。单个模块共有16路继电器输出。具体接线方式如图5所示。

　　现场监控层可设有现场管理机，其在本系统中位于系统管理机与各模块之间，作为一级底层控制单元，增加系统的可靠性。其功能是：进行现场调试，利用现场管理机动性对各模块进行现场参数整定，独立完成现场显示工作，并将信号整理后通过485通讯线发送给系统管理机，同时接受系统管理机所下达的指令。也可作为系统管理机的备用机，具有显示功能、自检功能。

　　3.2变配电所计算机监控系统的软件部分

　　变配电所计算机监控系统所安装的监控软件是基于Windows环境下的电力系统专用组态软件，能够运行在Microsoft Windows 9x/NT/2000/XP平台上。给用户提供的是全中文界面，简洁的画面设计、灵活的组态方式，高性能DDE驱动程序，支持诸多工控产品，并遵循开放式数据库联接(ODBC)标准。允许通过第三方，如Microsoft Access，SQL Server，Oracle等访问本系统数据库。因而它带给您的是像Word、Excel等软件轻松、实用、高效的工作环境。

　　系统软件功能特点：

　　3.2.1显示功能

　　显示变配电所实际开关柜体图、一次系统图，并在一次系统图上显示各开关的分、合状态;显示各配电回路的三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、有功电度、无功电度、频率以及功率因数等电量参数;显示各开关的分、合状态和事故报警类别等;显示各回路电量参数的实时曲线图;显示变压器的运行状态以及高温、超高温报警和风机运行状态;显示直流屏、柴油发电机的运行状态以及运行参数;显示其他工艺设备的运行状态及故障情况。

　　3.2.2报警功能

　　状态报警：当变配电系统的开关出现过载跳闸、短路故障跳闸以及综合继电保护装置内部故障时，计算机能够通过多媒体音箱发出声音报警并自动记录时间、站号、回路名称、事故类别。

　　超限报警：当变配电系统的各电量参数出现超过额定值时或其他工艺设备超限运行时，计算机能够通过多媒体音箱发出声音报警并自动记录时间、站号、回路名称。

　　三相不平衡系数报警：当变、配电系统的三相电流或三相电压值出现不平衡时(可自定义范围)，计算机能够通过多媒体音箱发出声音报警并自动记录时间、站号、回路名称。

　　3.2.3控制功能

　　在变配电所总值班室系统管理机处，可以通过鼠标器控制各种高、低压开关(带有电动操作机构或者带有交流接触器)的合闸和分闸;同时也可实现电气闭锁功能，以防止具有闭锁回路的开关误操作;在系统管理机处鼠标下达操作命令时具有密码识别功能，只有操作人员输入正确密码时才可下达操作命令。

　　3.2.4统计和打印功能

　　统计和打印所监控采集到的所有电流值、电压值、功率值、频率值、功率因数值，并可通过负荷曲线进行分析;统计和打印各断路器运行状态变化时间及故障报警时间和类别;统计和打印各断路器的操作时间及操作人员代码;统计和打印有功电度、无功电度的一天24小时内单位小时用电量及电量棒图，同时具有峰谷计费功能。

　　3.2.5历史记录

　　值班室计算机软件能将所监测并统计的各种电量参数、各断路器或开关的状态变化时间、报警故障类别、操作人员代码和时间、开关机时间等永久保存，以便对整个变、配电系统的运行情况进行分析。

　　3.2.6通讯功能

　　系统内部采用RS485通讯接口。与上位机通讯遵循MODBUS规约或TCP/IP通讯协议。可给其他系统提供通信接口。

　　3.2.7自检功能

　　本系统具有完善的自诊断功能。当系统发生故障时，诊断功能将提供详细的故障信息，以便及时排除故障。

　　4　工程实例

　　4.1项目概况

　　某码头工程为2x1万吨级散货泊位，属于二级负荷，采用两回路10KV进线，单母线运行方式，当一路电源进线发生故障时，另一路电源进线柜主开关闭合。该码头工程变配电所由7台高压开关柜、2台变压器、10台低压柜、1台中央信号屏和1台直流屏组成。

　　4.2工程方案

　　系统管理机位于后方办公楼调度室，内有工控机、显示器、打印机、键盘UPS电源、报警设备等，现场监控层设有现场管理机，并配有电脑、打印机等。电力调度员通过系统管理机查找高、低压柜每一回路的数据、故障类型以及开关状态同时可针对显示的实时数据进行记录、分析，并以打印。电力调度员可直接通过键盘和鼠标下答各种操作命令，现场管理机可进行现场调试，利用现场管理机动性对各模块进行现场参数整定，独立完成现场显示工作，传输和接收各种指令。

　　4.2.1高压柜监控结构示意图如图6所示。

　　高压系统采用保护装置和变配电监控装置分开的形式，实现变配电计算机自动化监控管理。#1#2电源进线柜、#3馈线柜、#6#7变压器柜采用变配电计算机监控装置，#3柜采用线路保护装置、#6#7柜采用变压器保护装置。

　　4.2.2变压器监控部分

　　采用模拟量输入模块采集变压器的温度(需有4~20mA或者1~5V温度信号输出)信号。

　　采用开关量输入模块分别采集变压器的风机运行状态、高温报警信号以及超高温跳闸信号。监控系统结构示意图如图7所示。

　　4.2.3低压部分：

　　1)低压主进、母联之间的监控示意图如图8所示：

　　2)低压配电出线回路监控采用模块集中组屏方式，其监控示意图如图9所示。

　　4.3功能实现

　　4.3.1显示功能

　　4.3.2报警功能

　　4.3.3控制功能

　　4.3.4统计和打印功能

　　4.3.5历史记录

　　5　系统特点

　　5.1变配电所计算机监控系统的末端数据采集

　　与控制单元直接安装于开关柜内，采用交流采样直接从电流互感器或电压互感器取交流0-5A电流信号或交流0-100V电压信号(380/220V低压系统直接取交流0-220V或0-380V电压信号)，不再需要各种电量变送器，开关柜上各种测量仪表可以保留，外部电缆只有一根通信电缆与供电电源电缆，设计与施工相对简单。

　　5.2虽然智能化开关和智能开关柜本身已经具备监控功能，只要设计一根通信电缆引至值班室中央管理机，就可以实现集中监测与远方调度。但由于各厂家的通讯协议不统一，实现联网较困难，开关柜内的继电保护、信号与控制回路仍保留。因此，如何统一通讯协议，是系统未来发展方向。(如能实现将使系统更简单)

　　5.3变配电所计算机监控系统对高次谐波的监控、记录和保护有待于完善。

　　6　结论

　　由于一般港口码头具有单机装卸用电负荷大，码头布置分散，货船停靠码头有间断性等的特点，变配电所供电负荷情况也相应变化。若不及时调整变电所变压器运行情况，将会造成运行成本提高和浪费能源。变配电所计算机监控系统，促进了无人值班变电站的实现，可以利用远程技术使电网调度迅速而准确地获得变电所运行的实时信息，完整地掌握变电所的实时运行状态，及时发现变电所运行的故障并做出相应的决策和处理，同时可以使值班管理人员根据变配电系统的运行情况进行负荷分析、合理调度、远控合分闸、躲峰填谷，把握安全控制、事故处理的主动性，减少和避免误操作、误判断，缩短事故停电时间，实现对变配电系统的现代化运行管理。

　　总之，变配电所计算机监控系统具有可靠性高、抗干扰能力强、实时性好及维护简单等特点。随着计算机技术的迅速发展，变配电所的计算机化进程越来越快，变配电所计算机监控及无人值守已成为当今电气自动化领域的发展趋势其发展势头方兴未艾。