王暉，張思才，劉艾民

1 引言

變配電網(wǎng)絡監(jiān)控與能源管理系統(tǒng)[1]是現(xiàn)代化水泥廠生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的重要組成部分，能夠提供實時的廠區(qū)變配電監(jiān)控數(shù)據(jù)，對可能出現(xiàn)的故障進行預報警，改善供電質(zhì)量，降低電能損耗，提高供電的安全性和可靠性。另一方面，還可對水泥廠電能進行管理，以降低電耗，節(jié)約生產(chǎn)成本。

IEC61850標準[2]是由國際電工委員會（International Electrotechnical Commission）第57技術(shù)委員會于2004年頒布的、應用于變電站通信網(wǎng)絡和系統(tǒng)的國際標準。作為基于網(wǎng)絡通訊平臺的變電站唯一的國際標準，IEC61850標準吸收了IEC60870系列標準[3]和UCA的經(jīng)驗，同時吸收了很多先進的技術(shù)，對保護和控制等自動化產(chǎn)品和變電站自動化系統(tǒng)（SAS）的設計產(chǎn)生深刻的影響。IEC61850作為制定電力系統(tǒng)遠動無縫通信系統(tǒng)基礎能大幅度改善信息技術(shù)和自動化技術(shù)的設備數(shù)據(jù)集成，減少工程量、現(xiàn)場驗收、運行、監(jiān)視、診斷和維護等費用，節(jié)約大量時間，增加自動化系統(tǒng)使用期間的靈活性。它解決了變配電自動化系統(tǒng)產(chǎn)品的互操作性和協(xié)議轉(zhuǎn)換問題。采用該標準還可使變配電自動化設備具有自描述、自診斷和即插即用（Plug and Play）的特性，極大地方便了系統(tǒng)的集成，降低了變配電自動化系統(tǒng)的工程費用。

由于IEC61850標準能極大提高變配電自動化的技術(shù)水平、提升變配電監(jiān)控與能源管理系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行水平、節(jié)約開發(fā)驗收維護的人力物力、實現(xiàn)完全的互操作性，所以，在歐美及一些海外背景的水泥工程項目，都要求變配電網(wǎng)絡監(jiān)控與能源管理系統(tǒng)遵從IEC61850規(guī)約。鑒于此，本文提出一種集成在水泥廠DCS自動化控制系統(tǒng)中的符合IEC61850標準的變配電監(jiān)控工程應用實施方案，為類似工程應用提供參考。

2 工程應用方案

本文提出的水泥廠變配電監(jiān)控工程應用方案選用遵從IEC61850國際電力標準的施耐德ECI850 Sepam服務器[4]作為核心網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)服務器，并基于其完成系統(tǒng)架構(gòu)，以實現(xiàn)給水泥廠提供集成在工廠DCS自動化控制系統(tǒng)中符合IEC61850標準的變配電網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)與能源管理系統(tǒng)的需求。方案實施所用到的第三方工具包括施耐德SFT2841 ECI850組態(tài)軟件、串口調(diào)試軟件、Siemens SIMATIC PCS7[5]、IEC61850 Lib、IEC61850 Browser以及施耐德SFT850 ICD文件修改及通訊參數(shù)設備等。

圖1 變配電監(jiān)控網(wǎng)絡架構(gòu)

圖2 Ethernet&TCP/IP配置

本應用方案中，ECI850 Sepam服務器與DCS各控制器（PLC）之間采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊，與配變電站自動化設備采用Profibus/Modbus(RS485/232)協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換。在方案實施過程中，時鐘同步與高精度時間戳的歷史事件查詢，特別是各個開關(guān)設備先后動作（分、合閘）的歷史查詢是一個技術(shù)難點。在實際應用中，我們分別對具有時鐘同步功能的智能開關(guān)設備采用NTP協(xié)議的時鐘同步方案，對不具備時鐘同步功能的開關(guān)設備采用西門子SOE（高精度時間戳）的方案，并最終由中央歸檔服務器CAS統(tǒng)一歸檔以備歷史事件查詢。另外，為滿足所建監(jiān)控系統(tǒng)對不同廠家智能開關(guān)電氣設備的兼容性，我們研究了施耐德ICD文件格式，設計了開放性的設備通訊接口申明文件格式和符合IEC61850標準的ICD文件格式。此外，我們根據(jù)施耐德ECI850提供的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約，用西門子機構(gòu)化語言編輯器SCL創(chuàng)建了對應的功能塊FB，從而保證了與水泥廠DCS自動化控制系統(tǒng)的有效集成。

本變配電監(jiān)控工程應用方案的具體實施過程如下所述。

2.1 變配電監(jiān)控網(wǎng)絡設計

可將ECI850 Sepam服務器接入采取C/S架構(gòu)的DCS水泥自動化系統(tǒng)（選用Siemens PCS7 V7.1 SP3），實現(xiàn)對水泥廠變配電資源的數(shù)字化監(jiān)控和調(diào)度。整個變配電監(jiān)控自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)如圖1所示，對于水泥廠變配電監(jiān)控調(diào)度部分，不再需要單獨配置工程師站及數(shù)據(jù)服務器，所有組態(tài)工作和數(shù)據(jù)服務都在水泥廠中控室的工程師站和服務器上統(tǒng)一進行。

2.2 ECI850 Sepam服務器組態(tài)

在工程師站上通過IE WEB訪問ECI850 Sepam服務器，設置IP地址與串口參數(shù)，分別如圖2和圖3所示。

然后，采用Schneider SFT2841 ECI850組態(tài)軟件組態(tài)ECI850 Sepam服務器及設置開關(guān)斷路器通訊參數(shù)，如圖4和圖5所示。

最后，編譯并下裝到ECI850 Sepam服務器。

2.3 開關(guān)設備ICD文件創(chuàng)建

創(chuàng)建開關(guān)設備的ICD（IEC61850配置文件）文件是變配電監(jiān)控工程應用中的難點，也是能否實現(xiàn)IEC61850標準的關(guān)鍵。一般水泥廠的智能開關(guān)電氣設備型號多樣，如中壓柜斷路器和綜合繼電保護是施耐德電氣產(chǎn)品，MCC（Motor Control Center）柜智能斷路器是西門子電氣產(chǎn)品，變頻器的主斷路器（MCB）是ABB電氣產(chǎn)品，等等。部分由施耐德提供的智能開關(guān)設備能提供ICD文件，但是仍有大部分開關(guān)電氣設備不提供這類型的文件，目前也沒有這樣的ICD生成專有工具。因此，需要根據(jù)IEC61850標準將串口通訊協(xié)議RS232/485轉(zhuǎn)換成ICD文件。

在實際工程中，用串口調(diào)試軟件測試所需通訊變量地址，使用編輯器將變量地址及數(shù)據(jù)長度寫入以完成開關(guān)設備ICD文件的創(chuàng)建。

2.4 與水泥廠DCS控制系統(tǒng)集成

與水泥廠DCS系統(tǒng)的集成包括硬件網(wǎng)絡組態(tài)集成和軟件組態(tài)集成兩部分。對于硬件網(wǎng)絡組態(tài)集成，在PLC的硬件組態(tài)中添加SOE功能的網(wǎng)絡卡件，然后在西門子SIMATIC PCS7的網(wǎng)絡NetPro環(huán)境下，為PLC添加ISO TCP連接，如圖6所示。對于軟件組態(tài)集成，將西門子IEC 61850客戶端庫導入到工程項目庫中[6]，并根據(jù)施耐德ECI850提供的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約，用西門子結(jié)構(gòu)化語言編輯器SCL創(chuàng)建功能塊FB。

3 實施效果及特點分析

依據(jù)上述應用方案，我們已在實際項目中成功為水泥廠提供了集成在工廠DCS中的變配電網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)與能源管理系統(tǒng)，實際項目中的變配電監(jiān)控和能源管理報告分別如圖7和圖8所示。

圖3 串口參數(shù)配置

圖4 ECI850 Sepam服務器地址設置

圖5 開關(guān)設備ICD文件導入和地址分配

圖6 變配電監(jiān)控網(wǎng)絡組態(tài)

圖7 變配電網(wǎng)絡監(jiān)控操作界面

在方案實施過程中，針對變配電監(jiān)控系統(tǒng)中時鐘同步與高精度時間戳歷史事件查詢的難點問題，采用了NTP時鐘同步協(xié)議與Siemens SOE（高精度時間戳）的解決方案，很好滿足了歷史事件查詢，特別是各個開關(guān)設備先后動作（分、合閘）的歷史查詢。方案采用ISO TCP與PLC的連接集成，沒有增加PLC總線掃描時間與負荷率，將各個開關(guān)設備的詳盡工作狀態(tài)信息實時完備地顯示并歸檔記錄在工廠DCS系統(tǒng)中，打破了Profibus單站設備通訊字節(jié)數(shù)244的限制。另外，實施方案中為非施耐德開關(guān)設備創(chuàng)建ICD文件，打破了ECI850只能應用于施耐德自身開關(guān)設備的限制，擴展了ECI850的應用范圍，使工廠變配電監(jiān)控系統(tǒng)的兼容性得到極大提高。

在實施成本方面，該應用方案將變配電監(jiān)控系統(tǒng)與水泥廠DCS系統(tǒng)集成，進一步減少了建設廠區(qū)變配電監(jiān)控系統(tǒng)的資金投入和維護成本。根據(jù)目前對國內(nèi)外工程現(xiàn)狀的調(diào)研結(jié)果可知，本文提出的工程應用實施方案所得的變配電監(jiān)控系統(tǒng)與同類系統(tǒng)，如某些水泥廠單獨為變配電監(jiān)控而投資開發(fā)的變配電計算機監(jiān)控管理系統(tǒng)等相比，硬件投資少（僅需為每個電氣室或開關(guān)站配置一臺ECI850 Sepam服務器），不需要額外軟件投資（僅需要負擔自動化工程師的集成費用與ICD文件的創(chuàng)建費用），而統(tǒng)一通過水泥廠DCS系統(tǒng)來提供完備的變配電監(jiān)控畫面、信息報警及精準的歷史歸檔功能，也更便于最終用戶的操作使用。

圖8 能源管理報告操作界面

目前，基于該實施方案的水泥廠變配電網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)與能源管理系統(tǒng)已成功應用于實際水泥工程項目，為水泥廠電氣安全及故障查詢、維護、檢修及診斷提供了符合IEC61850國際標準的變配電監(jiān)控平臺，較大提升了水泥生產(chǎn)線自動化解決方案的附加值。

4 結(jié)語

隨著現(xiàn)代化水泥廠對供電安全性和可靠性的要求越來越高，為水泥廠提供配套的變配電網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)與能源管理系統(tǒng)已越來越成為水泥廠工程建設的一部分，本文在基于IEC61850標準的基礎上提出了一種集成在水泥廠DCS自動化控制系統(tǒng)中符合IEC61850標準的變配電監(jiān)控工程應用實施方案，通過在具體水泥工程項目中的成功應用表明該方案實際可行。而且，依據(jù)該方案建設的變配電監(jiān)控及能源管理系統(tǒng)在系統(tǒng)性能、兼容性、實施成本以及符合國際電力建設標準等方面與現(xiàn)有的同類變配電計算機監(jiān)控管理系統(tǒng)相比具備優(yōu)勢。該方案可推廣到同類規(guī)模的水泥廠中，以實現(xiàn)與工廠現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)無縫集成，提升同規(guī)模工廠自動化管理水平，為水泥廠的電力電氣提供強有力的事故安全分析、診斷維護平臺。

[1]楊紅梅,杜繼平.淺談水泥工廠變配電計算機監(jiān)控管理系統(tǒng)[J].水泥技術(shù).2011.

[2]W.S.Choi,C.H.Choi,J.H.Park,et al.The Study of Substation Automation Systems Based on IEC 61850[G].International Conference on Electrical Machines and Systems.2011.

[3]G.Z.Han,B.Y.Xu,et al.IEC 61850-based Feeder Terminal Unit Modeling and Mapping to IEC 60870-5-104[S].IEEE Transactionson Power Delivery.V 27,n 4,p 2046-2053,2012.

[4]User Manual of Sepam IEC61850 Communication.Schneider Electric.2009.

[5]Siemens PCS7 System Architecture.Siemens AG.2012.

[6]User Manual of PCS7 V7.1 Client Library IEC61850.Siemens AG.2009.■