區(qū)域供能SCADA系統(tǒng)構(gòu)建研究與設(shè)計(jì)

周一軍 陳建平 吳佳

(上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院1,上海 200233;上海虹橋商務(wù)區(qū)新能源投資發(fā)展有限公司2,上海 200335)

區(qū)域供能SCADA系統(tǒng)構(gòu)建研究與設(shè)計(jì)

周一軍1陳建平2吳佳1

(上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院1,上海 200233;上海虹橋商務(wù)區(qū)新能源投資發(fā)展有限公司2,上海 200335)

針對(duì)區(qū)域供能系統(tǒng)由多種供能設(shè)備構(gòu)成這一現(xiàn)狀,提出建立一套集中管控系統(tǒng)用以對(duì)區(qū)域供能系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一有效管理。考慮到各設(shè)備參數(shù)的復(fù)雜性及多樣性,提出應(yīng)用數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視(SCADA)技術(shù)建設(shè)一套能源中心運(yùn)行管理自控系統(tǒng)(即區(qū)域供能SCADA系統(tǒng))。SCADA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了區(qū)域能源生產(chǎn)、管溝輸送、用戶換能站的實(shí)時(shí)監(jiān)控和生產(chǎn)運(yùn)行調(diào)度的集中管理,滿足核心區(qū)內(nèi)用戶的全部冷/熱空調(diào)用能、生活熱水需求。系統(tǒng)的成功建設(shè)對(duì)同類工程項(xiàng)目具有示范作用。

區(qū)域供能 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視(SCADA) 集中管理 控制系統(tǒng) 三聯(lián)供系統(tǒng)

0 引言

近年來(lái),北京、上海、廣州、深圳、天津等眾多城市提出并加快推進(jìn)城市中心商務(wù)區(qū)的建設(shè)計(jì)劃,力爭(zhēng)給城市產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)提供空間載體。城市中心商務(wù)區(qū)大都通過(guò)功能高度集聚以追求能級(jí)效應(yīng),這往往會(huì)形成較大的開發(fā)建設(shè)規(guī)模和較高的建設(shè)強(qiáng)度。為盡量減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響,開辟新時(shí)代商務(wù)區(qū)建設(shè)發(fā)展的新模式,越來(lái)越多的城市提出了建設(shè)低碳商務(wù)區(qū)的構(gòu)想。

分布式供能是實(shí)現(xiàn)低碳商務(wù)區(qū)構(gòu)想的有效措施之一。它是在能源的梯級(jí)利用基礎(chǔ)上,將供熱、發(fā)電及制冷過(guò)程一體化的多聯(lián)供總能系統(tǒng),又稱為“能源島系統(tǒng)”。系統(tǒng)具有靠近用戶、梯級(jí)利用、能源利用率高、能源供應(yīng)安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。

本文針對(duì)分布式供能系統(tǒng),研究科學(xué)的管控系統(tǒng)對(duì)分布式供能設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度控制,滿足商務(wù)區(qū)內(nèi)用戶的冷、熱需求,保證商務(wù)區(qū)低碳建設(shè)理念的實(shí)現(xiàn)。

1 建設(shè)區(qū)域供能系統(tǒng)的意義

大城市90%以上的碳排放來(lái)自能源消耗。因此,低碳實(shí)踐從能源使用入手,區(qū)域集中供能就是供能優(yōu)化工程的核心內(nèi)容。所謂區(qū)域集中供能,就是對(duì)一定區(qū)域內(nèi)的建筑群,由一個(gè)或多個(gè)能源站集中制取冷水、熱水或蒸汽等冷熱媒,通過(guò)區(qū)域管網(wǎng)輸配到各單體建筑內(nèi),為用戶提供能源服務(wù)[1]。

相對(duì)于傳統(tǒng)集中供電系統(tǒng),區(qū)域集中供能具有節(jié)能、高效、環(huán)保和安全等特點(diǎn),近年來(lái)在世界范圍內(nèi)的應(yīng)用日益廣泛[2-7]。

我國(guó)分布式供能技術(shù)已經(jīng)發(fā)展近20年。在分布式供能系統(tǒng)的建設(shè)方面,國(guó)內(nèi)外已有較多類似已建和在建的工程項(xiàng)目,這些項(xiàng)目在設(shè)計(jì)及運(yùn)行技術(shù)方面已趨于成熟。初期,分布式供能項(xiàng)目都以單體建筑物項(xiàng)目為主。其后,隨著各種分布式能源設(shè)備性能不斷改進(jìn),分布式供能成本不斷降低,應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大,覆蓋了包括辦公樓、賓館、商店、飯店、住宅、學(xué)校、醫(yī)院、福利院、療養(yǎng)院、大學(xué)、體育場(chǎng)館等多種場(chǎng)所,其應(yīng)用對(duì)象是一個(gè)從小到大、從單體建筑到群體建筑甚至較大規(guī)模城區(qū)的發(fā)展過(guò)程。國(guó)家“十二五”新興能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃提出,在“十二五”期間我國(guó)要建設(shè)1 000個(gè)分布式供能示范項(xiàng)目。

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(supervisory control and data acquisition,SCADA)與區(qū)域供能系統(tǒng)是相輔相成的。SCADA系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的集散控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)與電力自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)。在電力系統(tǒng)中,SCADA系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛,技術(shù)發(fā)展也最為成熟。SCADA系統(tǒng)在遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)中占重要地位,可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制,以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測(cè)量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號(hào)報(bào)警等各項(xiàng)功能,即“四遙”功能[8-9]。

2 區(qū)域供能系統(tǒng)功能定位

設(shè)計(jì)旨在構(gòu)建一個(gè)集“可靠性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性”為一體的能源中心運(yùn)行管理自控系統(tǒng),即SCADA系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)能源生產(chǎn)(三聯(lián)供系統(tǒng)、水蓄冷系統(tǒng)、冷水機(jī)組、燃?xì)鉄崴仩t等)、管溝輸送、用戶換能站的實(shí)時(shí)監(jiān)控和生產(chǎn)運(yùn)行調(diào)度管理,滿足區(qū)域內(nèi)用戶的電、熱、冷用能需求。

設(shè)計(jì)中首先考慮如何在保證變配電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行的情況下,合理調(diào)配各供能設(shè)備的協(xié)調(diào)運(yùn)行。然后通過(guò)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)的積累及分析,完成對(duì)控制策略的優(yōu)化,最終達(dá)到供能系統(tǒng)安全、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)。

區(qū)域供能SCADA系統(tǒng)的建設(shè)通過(guò)構(gòu)建冗余的光纖環(huán)網(wǎng),鏈接下層各供能子系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集。通過(guò)科學(xué)的數(shù)據(jù)分析,實(shí)現(xiàn)能源輸送的優(yōu)化調(diào)度;通過(guò)開發(fā)完整的軟件平臺(tái),實(shí)現(xiàn)各功能模塊的統(tǒng)一管理。

3 區(qū)域供能系統(tǒng)建設(shè)方案

3.1 SCADA監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

區(qū)域供能SCADA系統(tǒng)由SCADA監(jiān)控中心(計(jì)算機(jī)監(jiān)控管理系統(tǒng))、各供能子系統(tǒng)(分布式供能系統(tǒng)、冷水機(jī)、燃?xì)鉄崴仩t、變配電、建筑智能化系統(tǒng)、管溝子系統(tǒng)等)控制系統(tǒng)以及千兆工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)組成,遵循“集中管理、分散控制、資源共享”的原則。

①監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)監(jiān)控管理系統(tǒng)包括:監(jiān)控操作員站、監(jiān)控管理員站、數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、建模運(yùn)算服務(wù)器、磁盤陣列等附屬網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備。

②三聯(lián)供控制系統(tǒng)的控制對(duì)象包括:發(fā)電機(jī)組、溴化鋰機(jī)組、熱交換設(shè)備、并網(wǎng)控制柜、冷卻塔、三聯(lián)供管路公共閥門、三聯(lián)供管路公共儀表、三聯(lián)供管路附屬設(shè)備。

③供冷控制系統(tǒng)由冷凍機(jī)組群控系統(tǒng)及水蓄冷槽、冷水二次泵、管道閥門儀表等相關(guān)設(shè)備兩部分組成。冷凍機(jī)組群控系統(tǒng)由承包商成套提供;水蓄冷槽、冷水二次泵、管道閥門儀表等相關(guān)設(shè)備的控制由SCADA系統(tǒng)集成。

④供熱控制系統(tǒng)由鍋爐群控系統(tǒng)和熱水二次泵、管道閥門儀表等相關(guān)設(shè)備兩部分組成。鍋爐群控系統(tǒng)由承包商成套提供;熱水二次泵、管道閥門儀表等相關(guān)設(shè)備的控制由SCADA系統(tǒng)集成。

⑤管網(wǎng)控制系統(tǒng)由管網(wǎng)PLC站和管溝地面沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。

⑥電能管理系統(tǒng)包括電能監(jiān)控主站。

⑦建筑智能系統(tǒng)包括建筑智能系統(tǒng)主控站。

3.2 初步設(shè)計(jì)原則

整個(gè)控制系統(tǒng)是由各子系統(tǒng)的控制系統(tǒng)和區(qū)域SCADA控制中心組成。在區(qū)域SCADA系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下,由區(qū)域SCADA控制中心進(jìn)行控制;當(dāng)區(qū)域SCADA系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行時(shí),通過(guò)對(duì)各子系統(tǒng)的控制系統(tǒng)實(shí)施人工干預(yù),實(shí)現(xiàn)能源中心的正常生產(chǎn)運(yùn)行。

區(qū)域供能SCADA監(jiān)控中心是一個(gè)具有客戶機(jī)/服務(wù)器(client/server)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),其組成整個(gè)區(qū)域供能的監(jiān)控管理層。

監(jiān)控中心可采集供能各子系統(tǒng)的全部運(yùn)行參數(shù)和信息,實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)能源生產(chǎn)和輸送流程、設(shè)備運(yùn)行狀況,通過(guò)權(quán)限約定,在線調(diào)度遙控各子系統(tǒng)運(yùn)行。構(gòu)成的自動(dòng)控制系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)區(qū)域生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)人值守為目標(biāo)和全系統(tǒng)計(jì)算機(jī)智能化管理,為具有先進(jìn)水平的現(xiàn)代化供能企業(yè)提供一個(gè)生產(chǎn)監(jiān)控和運(yùn)營(yíng)管理的信息交換處理平臺(tái)。

大規(guī)模的區(qū)域性冷、熱、電聯(lián)供裝機(jī)容量在國(guó)內(nèi)沒(méi)有成熟的運(yùn)行調(diào)度控制經(jīng)驗(yàn),而且用戶端需隨地塊開發(fā)逐步推進(jìn),在短期內(nèi)無(wú)法達(dá)到穩(wěn)定。所以在機(jī)組運(yùn)行初期,采用人工干預(yù)的方式進(jìn)行控制較為適宜;待各子系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后,經(jīng)過(guò)一定的運(yùn)行參數(shù)積累,在條件成熟時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行調(diào)試。

三聯(lián)供機(jī)組在供冷模式下,根據(jù)區(qū)域內(nèi)冷需負(fù)荷來(lái)優(yōu)化協(xié)調(diào)冷水機(jī)組、溴化鋰制冷及蓄冷水槽制/放冷的組合,實(shí)現(xiàn)最高能效、最低成本的運(yùn)行。三聯(lián)供機(jī)組在供熱模式下,根據(jù)區(qū)域內(nèi)熱需負(fù)荷來(lái)優(yōu)化協(xié)調(diào)燃?xì)鉄崴仩t、三聯(lián)供熱交換設(shè)備的組合,實(shí)現(xiàn)最高能效、最低成本的運(yùn)行。

區(qū)域供能SCADA監(jiān)控中心如圖1所示。

圖1 區(qū)域供能SCADA監(jiān)控中心Fig.1 The monitoring center of regional energy supply SCADA system

3.3 區(qū)域供能SCADA系統(tǒng)功能

區(qū)域供能SCADA系統(tǒng)由SCADA監(jiān)控中心、各供能子系統(tǒng)以及千兆工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)組成。其功能描述示意圖如圖2所示。

圖2 區(qū)域供能SCADA系統(tǒng)功能描述圖Fig.2 Functional descriptions of regional energy supply SCADA system

SCADA監(jiān)控中心監(jiān)控功能:實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)、管溝輸送、換能站運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)控,協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)運(yùn)行。

SCADA監(jiān)控中心管理功能:優(yōu)化調(diào)度、客戶管理、能效管理及安全生產(chǎn)。

各子系統(tǒng)管控功能:各成套子系統(tǒng)群控主機(jī)對(duì)子系統(tǒng)自身設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)控制及聯(lián)鎖保護(hù),控制系統(tǒng)由專業(yè)廠家完成。

為了保證區(qū)域供能SCADA系統(tǒng)與各站點(diǎn)之間數(shù)據(jù)交換的實(shí)時(shí)性,使其及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠、協(xié)調(diào)、高效率地工作,區(qū)域供能SCADA系統(tǒng)需達(dá)到如下要求。

①數(shù)據(jù)讀取吞吐量達(dá)到300 000點(diǎn)/s。

②單點(diǎn)方式同步/異步查詢實(shí)時(shí)值平均時(shí)間≤10 ms。

③批量點(diǎn)(100點(diǎn))方式同步/異步查詢實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)平均時(shí)間≤1 s。

④批量方式同步/異步查詢實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)總吞吐量≥126 000 TPS。

在區(qū)域供能SCADA系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度、協(xié)調(diào)下,各子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化運(yùn)行,并采用區(qū)域供能SCADA中心控制級(jí)和各子系統(tǒng)群控主機(jī)控制級(jí)兩級(jí)控制模式。

第一級(jí)為各子系統(tǒng)群控主機(jī)控制級(jí)。各個(gè)子系統(tǒng)群控主機(jī)通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)子系統(tǒng)自身所有過(guò)程變量及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視控制及聯(lián)鎖保護(hù)。

第二級(jí)為區(qū)域供能SCADA中心控制級(jí)。對(duì)南/北區(qū)區(qū)域供能所有子系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控,實(shí)行統(tǒng)一調(diào)度管理。

各子系統(tǒng)群控主機(jī)控制系統(tǒng)至少應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下操作模式:①支持區(qū)域供能SCADA中心集中監(jiān)視和遠(yuǎn)程調(diào)度控制;②各子系統(tǒng)群控主機(jī)具有手動(dòng)/自動(dòng)控制功能。

3.4 區(qū)域供能SCADA系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

虹橋商務(wù)區(qū)作為上海首個(gè)低碳商務(wù)社區(qū),是區(qū)域供能的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。虹橋商務(wù)區(qū)北區(qū)設(shè)立一套能源中心運(yùn)行管理自控系統(tǒng),對(duì)南、北區(qū)區(qū)域能源生產(chǎn)、管溝輸送、用戶換能站的實(shí)時(shí)監(jiān)控和生產(chǎn)運(yùn)行調(diào)度實(shí)現(xiàn)集中管理,滿足核心區(qū)(一期)內(nèi)用戶的全部冷/熱空調(diào)用能、生活熱水需求。

區(qū)域SCADA監(jiān)控中心設(shè)立在北區(qū)。北區(qū)域供能SCADA系統(tǒng)由下列系統(tǒng)組成:監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)監(jiān)控管理系統(tǒng)、三聯(lián)供控制系統(tǒng)、供冷控制系統(tǒng)、供熱控制系統(tǒng)、管網(wǎng)控制系統(tǒng)、電能管理系統(tǒng)、建筑智能系統(tǒng)以及千兆工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)。

南區(qū)供能SCADA系統(tǒng)由下列系統(tǒng)組成:監(jiān)控計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)、三聯(lián)供控制系統(tǒng)、供冷控制系統(tǒng)、供熱控制系統(tǒng)、管網(wǎng)控制系統(tǒng)、電能管理系統(tǒng)、建筑智能系統(tǒng)以及千兆工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)。

南、北兩區(qū)以光纖貫通,由中國(guó)電信敷設(shè)一根12芯的單模鎧裝光纜,接入點(diǎn)位置由建設(shè)方確定。

依據(jù)虹橋商務(wù)區(qū)全區(qū)域供能的總體規(guī)劃,將設(shè)立1個(gè)供能SCADA監(jiān)控中心(三號(hào)供能中心)、4個(gè)供能監(jiān)控站。目前,設(shè)立于北區(qū)的SCADA監(jiān)控中心屆時(shí)可整體遷移到三號(hào)供能中心。通過(guò)全區(qū)域貫通的光纖網(wǎng)絡(luò),該SCADA監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)對(duì)全區(qū)域的能源生產(chǎn)、管溝輸送、用戶換能站的實(shí)時(shí)監(jiān)控和生產(chǎn)運(yùn)行調(diào)度、管理。北區(qū)SCADA系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖3所示。

圖3 北區(qū)SCADA系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.3 Topological structure of the North SCADA system

4 結(jié)束語(yǔ)

區(qū)域供能系統(tǒng)在提高能源利用效率、節(jié)能減排等環(huán)境保護(hù)方面有突出的作用,SCADA系統(tǒng)對(duì)確保區(qū)域供能系統(tǒng)穩(wěn)定高效的運(yùn)作提供了必不可少的監(jiān)控平臺(tái)。該平臺(tái)在虹橋商務(wù)區(qū)的建設(shè),可促進(jìn)商務(wù)區(qū)的綠色發(fā)展、確保商務(wù)區(qū)用電安全可靠,對(duì)整個(gè)上海市的能源建設(shè)具有示范作用。

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Research and Design of Construction of the SCADA System for Regional Energy Supply

Regional energy supply system is constituted by a variety of equipment for energy supply,thus establishing a set of centralized management and control system is proposed to implement unified and effective management of regional energy supply system.Considering the complexity and diversity of the parameters of each device;by applying SCADA technology,the automatic control system of energy center operation and management(i.e.,regional energy supply SCADA system)is constructed.The SCADA system realizes regional energy production,pipe canal transportation,real time monitoring of user transducer stations,and centralized management of production operation dispatching,it meets the demands for cooling/heating air conditioning,and domestic hot water of users in kernel area.The successful construction of the system possesses demonstration effect to similar engineering projects.

Regional energy supply Supervisory control and data acquisition(SCADA) Centralized management Control system Combined cooling heating power(CCHP)system

TP273

A

2012年上海市軟件和集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(編號(hào):120449)。

修改稿收到日期:2014-02-13。

周一軍(1967-),男,1990年畢業(yè)于上海工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化及儀表專業(yè),獲學(xué)士學(xué)位,教授級(jí)高級(jí)工程師;主要從事工業(yè)控制領(lǐng)域智能控制技術(shù)和信息技術(shù)應(yīng)用的研究。