10kV電站自動化系統(tǒng)在智能建筑中的應用

嵇文津/ 張明莉

1. AECOM（艾奕康咨詢（深圳）有限公司）， 北京 100025; 2. 北京聯(lián)合大學，北京 100101

現(xiàn)代建筑中的電氣系統(tǒng)愈來愈復雜，給系統(tǒng)的設(shè)計和運營帶來了許多新的問題。首先，建筑規(guī)模的擴大，例如20～30萬m2的建筑，一個變電站已無法滿足其用電需求，需要4、5個變電站。其次，龐大的建筑內(nèi)，機電系統(tǒng)每天都有各種運行操作，僅僅靠增加運行人員已無法保證建筑高效智能化運行;對于變電站的監(jiān)控要求，原有的樓宇自控系統(tǒng)已顯得落后，需要一種根據(jù)變配電系統(tǒng)自身特點運行的自動化系統(tǒng)來完成智能操作的需求。在變配電系統(tǒng)中引入電站自動化系統(tǒng)技術(shù)已成為智能建筑機電系統(tǒng)中不可或缺的組成部分，并且隨著綠色建筑理念的應用，以該系統(tǒng)為平臺的能源管理技術(shù)也不斷地擴展其應用范圍。

在智能建筑中的10kV變配電系統(tǒng)中引入電站自動化系統(tǒng)需要解決下列相關(guān)設(shè)計問題。

1 10kV變電所中的電站自動化系統(tǒng)的設(shè)計

如圖1所示，10kV變電站的電站自動化系統(tǒng)由三個層面組成，包括現(xiàn)場監(jiān)控層、通信管理層和系統(tǒng)管理層。

（1）現(xiàn)場監(jiān)控層：在現(xiàn)場安裝網(wǎng)絡(luò)電力儀表和監(jiān)控模塊，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集和就地顯示功能，經(jīng)RS485通信接口接入現(xiàn)場總線。其中，10kV高壓開關(guān)柜執(zhí)行元件一般由綜合繼電保護單元構(gòu)成，低壓配電柜內(nèi)的執(zhí)行元件則分別由與框架開關(guān)或塑殼開關(guān)配套的電力儀表和開關(guān)監(jiān)控單元構(gòu)成。

（2）通信管理層：完成監(jiān)控層和管理層之間的網(wǎng)絡(luò)連接、轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)、命令的交換。系統(tǒng)使用Modbus協(xié)議。

（3）系統(tǒng)管理層：由監(jiān)控主機、監(jiān)視器、打印機和UPS電源等組成。監(jiān)控主機采用工控機或服務(wù)器，通過專業(yè)的電站自動化監(jiān)控軟件，實現(xiàn)對變電站及整個低壓配電系統(tǒng)的監(jiān)控。

通過上述系統(tǒng)，結(jié)合電力系統(tǒng)監(jiān)控的專用軟件，系統(tǒng)可以實現(xiàn)對10kV變電所設(shè)備的遙信、遙測、遙控和遙調(diào)等電站自動化操作功能，系統(tǒng)軟件基本功能包括以下四點：

（1）遙測：進行實時數(shù)據(jù)采集，可遠程測量并通訊，傳輸所有電力參數(shù)，包括三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、頻率、諧波及電度等。

（2）遙信：可遠程檢測斷路器分合狀態(tài)、輔助觸點狀態(tài)、變壓器超溫信號及瓦斯狀態(tài)等，并且可做事故紀錄，以便查找造成事故發(fā)生的根源。

（3）遙控：可遠程遙控斷路器分閘和合閘（要求開關(guān)有電動操作機構(gòu)、RTU選型帶繼電器控制輸出）。

（4）遙調(diào)：可遠程對智能監(jiān)控模塊進行參數(shù)設(shè)置及調(diào)整，包括密碼、地址、通訊速率、電壓變比、電流變比、整定值及時間等（功能可選）。

上述軟件和硬件組合的系統(tǒng)，使用Windows平臺，通過人機交互界面，可以很好地實現(xiàn)對10kV 變電站系統(tǒng)設(shè)備的監(jiān)視和控制操作。見圖2。

2 多個10kV變電站的電站自動化系統(tǒng)的設(shè)計

在許多智能建筑中，特別是超高層建筑，由于建筑體量很大，1個10kV變電站已無法滿足建筑用電要求。首先，建筑高度或跨度超過供電半徑；其次，用電容量超過單組雙路供電容量。在這樣的建筑物中，會由4～5個10kV變電站組成一個變電站群。為了提高系統(tǒng)運行性能和加強管理，需要將這些變電站的各自獨立的電站自動化系統(tǒng)聯(lián)接成網(wǎng)，組成一個電站自動化監(jiān)控網(wǎng)。通過設(shè)置在主變電站的指定主監(jiān)控機進行各個變電站的監(jiān)控和運行，如圖3所示。

如圖3所示，電站自動化監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)是由各個變電站自控系統(tǒng)的主機通過與上一層的互聯(lián)而形成的。這里面有三個主要環(huán)節(jié)：首先是網(wǎng)絡(luò)的搭建，各站之間網(wǎng)路是以站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)管理層為基礎(chǔ)構(gòu)成的；第二，對于電站自動化系統(tǒng)來說，站間網(wǎng)絡(luò)的可靠性是十分重要的。為了保證系統(tǒng)的可靠性， 建議采用雙光纖方式，這種方式既可以提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，又能夠保證系統(tǒng)的傳輸速度；第三，通常，整個項目會設(shè)置一臺主監(jiān)控計算機，一般采用服務(wù)器級別的計算機，通過雙光纖通訊方式與各個10kV變電站的計算機聯(lián)接。在純技術(shù)角度上，該主機與各站的主機是同一級別，而其高于其他主機的方式是通過軟件的操作口令分級來確定。一般情況下，各變電站站內(nèi)各種操作是由各站的主機獨立完成的；同時，將站內(nèi)的信息資料通過雙光纖網(wǎng)絡(luò)上傳至項目主機。項目主機對各個變電站的運行只監(jiān)不控，這樣可以有效了解各變電站的運行情況，完成監(jiān)控整個項目電氣系統(tǒng)運行狀態(tài)的工作，也不對各站內(nèi)的運行產(chǎn)生干擾，充分發(fā)揮集散系統(tǒng)設(shè)計理念的優(yōu)勢。特殊情況下，當需要進行跨站間操作時，通過輸入更高操作級別口令，主機直接與通過兩個變電站通訊層與操控設(shè)備聯(lián)系，進行信息交換，下達操作指令和接受反饋信息，直接進行跨站之間操作。

3 電站自動化系統(tǒng)在智能建筑機電系統(tǒng)中的擴展

電站自動化系統(tǒng)作為一個由計算機為主體構(gòu)建的自控平臺，通過對軟件平臺的不斷開發(fā)和拓展，配合適當?shù)耐獠拷涌诓考?，具有強大的功能和擴展其工作范圍的能力。其不但能夠持續(xù)地深化變電站內(nèi)的監(jiān)控操作性能，同時，還可以擴展到變電站外和變配電系統(tǒng)外，突出表現(xiàn)在下列幾個方面。

1）電站自動化系統(tǒng)在內(nèi)部的擴展

（1）與漏電火災報警系統(tǒng)的結(jié)合

通過擴展電力儀表的功能，已經(jīng)有廠家開發(fā)出兼有漏電火災報警模塊功能的電力儀表，通過一套電力儀表模塊可以將低壓配電柜中的漏電火災報警探測功能納入電站自動化系統(tǒng)中。如果將該種電力儀表模塊植入變電所外的建筑樓層配電箱中，接入漏電探測CT的采集信號，通過485總線手拉手連接成網(wǎng)絡(luò)，最終接入電站自動化系統(tǒng)中，可使系統(tǒng)具備漏電火災報警功能。

（2）與電費計量系統(tǒng)的結(jié)合

能源管理功能的實現(xiàn)是建筑智能化電能管理系統(tǒng)的另一個擴展功能，通過對建筑電能消耗的記錄，并參照歷史數(shù)據(jù)的分析，建立本建筑機電系統(tǒng)和設(shè)備的電能消耗模型，制定出建筑在不同季節(jié)各系統(tǒng)設(shè)備或不同區(qū)域的能源消耗指標。在實時監(jiān)視過程中及時發(fā)現(xiàn)電能消耗異?，F(xiàn)象，能夠采取有效措施進行設(shè)備改造，以避免電能不正常損耗；對建筑配電系統(tǒng)內(nèi)部的各用電單位進行電能分配、計量和監(jiān)控，優(yōu)化配電系統(tǒng)運行模式，并有針對性地對高耗電設(shè)備進行改造或更新，提高管理效率、降低運營成本；通過數(shù)據(jù)分析，使用戶更合理有效地利用設(shè)備，避免了資源浪費，節(jié)約資金；根據(jù)建筑設(shè)備運行需要結(jié)合上級電網(wǎng)峰谷平電價運行管理要求，調(diào)整設(shè)備運行時間、消峰填谷，降低建筑運行費用。

2）電站自動化系統(tǒng)向外部的的擴展

通過設(shè)置網(wǎng)關(guān)設(shè)備，提供標準的網(wǎng)絡(luò)接口和通信協(xié)議，實現(xiàn)將Modbus協(xié)議轉(zhuǎn)換為TCP/IP協(xié)議。通過以太網(wǎng)形式實現(xiàn)本系統(tǒng)與建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BMS）等自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信，進行數(shù)據(jù)交換，達到資源共享。這樣，該系統(tǒng)可以向上加入樓宇自控系統(tǒng)（BMS系統(tǒng)），成為BMS系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

10kV電站自動化系統(tǒng)是智能建筑設(shè)計理念在建筑變配電系統(tǒng)不斷深化發(fā)展的新成果，它以計算機為平臺，通過通訊系統(tǒng)構(gòu)成變電站自動化系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對變電站的四遙控制功能。同時，通過不同的擴展方式，其功能還可以延伸到其他電氣系統(tǒng)領(lǐng)域，擴大和增強了智能建筑的功能，成為智能建筑的一個重要的組成部分。

[1]呂金山, 戴樂. 智能化電能管理系統(tǒng)在軟件產(chǎn)業(yè)基地中的實踐[J]. 機電信息, 2009, 25(10).

[2]周鐵軍. 地鐵電能量管理系統(tǒng)[J].電器工業(yè)， 2011,9.