煙廠供配電自動(dòng)化系統(tǒng)與智能設(shè)備接口解決方案

紅云紅河煙草（集團(tuán)）昆明卷煙廠 唐 鑫 周 艷 陸奕帆

由于煙廠用電設(shè)備種類繁多，在用電系統(tǒng)中擾動(dòng)性負(fù)荷所占比例較高，如不對(duì)稱負(fù)載、沖擊性負(fù)載及非線性負(fù)載等擾動(dòng)源，再加上系統(tǒng)中存在各種故障，均會(huì)降低電能質(zhì)量。研究發(fā)現(xiàn)，閃絡(luò)、三相不平衡及諧波等不正?，F(xiàn)象均會(huì)對(duì)電網(wǎng)正常運(yùn)行產(chǎn)生直接影響，尤其是一些高精密行業(yè)，其對(duì)電能質(zhì)量有著較高的要求，還會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。而煙廠供配電自動(dòng)化系統(tǒng)可利用數(shù)據(jù)通訊管理控制器裝置，對(duì)各類智能設(shè)備（如GPS系統(tǒng)、有源濾波柜、五防系統(tǒng)、UPS裝置、PLC控制器）、多功能側(cè)控儀及微機(jī)數(shù)字保護(hù)裝置的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并收集報(bào)警信息和保護(hù)事件。同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備均能連通監(jiān)控系統(tǒng)，可促進(jìn)信息交換的實(shí)現(xiàn)，并對(duì)全廠電網(wǎng)進(jìn)行信息化、智能化管理，為廠區(qū)提供高效、安全、穩(wěn)定的能源供應(yīng)[1-3]。

1 煙廠供配電自動(dòng)化系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)方案

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)方案

煙廠供配電自動(dòng)化系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)通過充分利用圖形顯示技術(shù)、通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及現(xiàn)代控制技術(shù)，可促進(jìn)全面數(shù)據(jù)監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)，并將用戶要求作為基本依據(jù)，監(jiān)控平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)多種功能如曲線顯示、報(bào)表功能、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等，尤其是遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)設(shè)備的有效實(shí)時(shí)值有助于能管和測(cè)控一體化的實(shí)現(xiàn)，從而使傳統(tǒng)工業(yè)控制、管理及生產(chǎn)的信息孤島消除。在本次研究中選擇的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有分層分布式、開放性的特點(diǎn)，其中網(wǎng)絡(luò)類型為以太網(wǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)，可劃分整個(gè)系統(tǒng)為三部分，分別是設(shè)備間隔層、通訊控制層及站控層，且系統(tǒng)可維修性和可擴(kuò)性較好。

在供配電自動(dòng)化系統(tǒng)中各個(gè)間隔單元互相獨(dú)立，運(yùn)用以太網(wǎng)配置站控層網(wǎng)絡(luò)，其中網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議為TCP/IP或IEEE802.3網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，且網(wǎng)絡(luò)傳輸速率一般＞100mb/s。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用鎧裝光纜連接，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，可靠、安全且每個(gè)子系統(tǒng)配置相應(yīng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，結(jié)合配電室核心交換機(jī)，從而形成光纖以太環(huán)網(wǎng)。通過對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓展能使自動(dòng)化系統(tǒng)的操作員站、工程師站、Web服務(wù)器及數(shù)據(jù)服務(wù)器一方面可與子系統(tǒng)分控制通訊，另一方面還能直接對(duì)子系統(tǒng)控制器進(jìn)行訪問，從而體現(xiàn)了子系統(tǒng)控制的及時(shí)性、主導(dǎo)性特點(diǎn)。

1.2 系統(tǒng)軟件方案

1.2.1 總體架構(gòu)

按照煙廠的建設(shè)特點(diǎn)和用電需求，典型的供配電自動(dòng)化系統(tǒng)軟件包括：客戶端連接器軟件；數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件；SCADA客戶端操作員站軟件；SCADA客戶端工程師站軟件。同時(shí)還包括其他第三方軟件，如多功能測(cè)控儀表專用調(diào)式軟件、微機(jī)數(shù)字保護(hù)監(jiān)控裝置專用調(diào)式軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)支撐軟件、工作站操作系統(tǒng)及服務(wù)器操作系統(tǒng)等[4]。

1.2.2 SCADA軟件

SCADA軟件作為各級(jí)數(shù)據(jù)分析和實(shí)時(shí)監(jiān)控的一個(gè)供應(yīng)者，主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)各類計(jì)量數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。為對(duì)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行合理分配，每套SCADA監(jiān)控站的操作系統(tǒng)為MicroSoft Windows XP，然后將SIEMENS的SCADA運(yùn)行軟件安裝在操作員工作站，其中數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件安裝在服務(wù)器上，并將維護(hù)和開發(fā)配置軟件安裝在工程師工作站。同時(shí)SCADA作為通用的一個(gè)工業(yè)軟件，其數(shù)據(jù)通信方式有兩種：與控制系統(tǒng)設(shè)備直接通訊，如PLC設(shè)備；利用OPC方式與第三方設(shè)備通訊，因?yàn)镺PC通訊具有相對(duì)成熟的技術(shù)，不僅能為OPC Server與設(shè)備直接通信提供支持，還能作為OPC Client的一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行獲取并構(gòu)建SCADA數(shù)據(jù)庫(kù)[5]。

1.2.3 實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)庫(kù)

在數(shù)據(jù)挖掘中，實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)庫(kù)作為較核心的一個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)器。本次方案研究采用GE的Proficy Historian standard Server5000 Pta v3.5，而MicroSoft Windows 2003 Server則作為操作系統(tǒng)。在系統(tǒng)運(yùn)行期間，運(yùn)用客戶端連接器Historian Client Connection Pack v3.5采集數(shù)據(jù)，建立好配置并且對(duì)參數(shù)進(jìn)行儲(chǔ)存后向Proficy Historian數(shù)據(jù)庫(kù)中傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。由于Proficy Historian能將數(shù)據(jù)的變化規(guī)律作為基本依據(jù)選擇數(shù)據(jù)的處理方式，如事件方式、時(shí)間周期等，其中數(shù)據(jù)吞吐量為20000條/秒，掃描最小周期為1s，可滿足數(shù)據(jù)的響應(yīng)要求。

系統(tǒng)在儲(chǔ)存數(shù)據(jù)時(shí)能進(jìn)行斜率壓縮和死區(qū)壓縮，使數(shù)據(jù)占用量下降，從而為硬件的穩(wěn)定運(yùn)行和數(shù)據(jù)長(zhǎng)期儲(chǔ)存提供有效保障。同時(shí)OLE/DB數(shù)據(jù)引擎存在于實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中，可將實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為OLE/DB訪問格式，為連接系統(tǒng)中的Windows SQL數(shù)據(jù)庫(kù)提供方便。此外數(shù)據(jù)庫(kù)還具備開放API的一套接口，有助于通用腳本（VB/VC）挖掘、引用及儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。

2 煙廠供配電自動(dòng)化系統(tǒng)與智能設(shè)備接口解決方案

2.1 數(shù)據(jù)采集管理方式

數(shù)據(jù)采集中兩種方法較常見：SCADA直接讀取。即SCADA服務(wù)器和工作站運(yùn)用OPC和IEC61859的通訊方法，可對(duì)數(shù)據(jù)通訊管理控制器的數(shù)據(jù)進(jìn)行直接采集；數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)。即運(yùn)用數(shù)據(jù)通訊管理控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，其中前者的通訊規(guī)約包括OPC、Modbus/TCP及IEC661850標(biāo)準(zhǔn)等，而平臺(tái)的基礎(chǔ)則為開放式的模塊化結(jié)構(gòu)，且具備通訊管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、通訊互聯(lián)及數(shù)據(jù)處理等多個(gè)方面功能[6]。

2.2 數(shù)據(jù)通訊管理控制器的技術(shù)特性

一般數(shù)據(jù)通訊管理控制器需要具備的技術(shù)特性有：提供現(xiàn)場(chǎng)總線接口選項(xiàng)且具備主流現(xiàn)場(chǎng)總線通訊的兼容功能；為下列通訊協(xié)議提供支持，包括IEC60870-5-104、OPC Server、MODBUSRTU、MODBUS/TCP及IEC61850等；擁有帶隔離的RS-232/485串口12個(gè)和以太網(wǎng)口4個(gè)；對(duì)應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域的供配電自動(dòng)化系統(tǒng)和全密封、無風(fēng)扇、超緊湊的堅(jiān)固型嵌入式設(shè)備，可運(yùn)用通訊方法對(duì)微機(jī)數(shù)字保護(hù)監(jiān)控裝置的電力信息進(jìn)行采集，并促進(jìn)遠(yuǎn)程控制的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)運(yùn)用多功能測(cè)控儀表可對(duì)電能計(jì)量信息進(jìn)行采集，再加上通用采集設(shè)備如RTU、串口等，能監(jiān)控廠區(qū)各個(gè)配電房所有配電設(shè)備如五防系統(tǒng)、小電流接地系統(tǒng)、變壓器、有源濾波柜、直流屏及無功功率補(bǔ)償器等，從而對(duì)以以太網(wǎng)為基本前提的分布式采集方案進(jìn)行構(gòu)建。

2.3 數(shù)據(jù)采集接口解決方案

與UPS裝置接口。監(jiān)控系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)通訊管理控制器可連接UPS裝置，然后根據(jù)MODBUS通訊規(guī)約和RS-485串行通信接口上傳運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)至后臺(tái)系統(tǒng)，從而促進(jìn)監(jiān)視功能的實(shí)現(xiàn)。

與直流屏系統(tǒng)接口。在監(jiān)控系統(tǒng)中，利用變電所直流裝置接口和數(shù)據(jù)通訊管理控制器，再與MODBUS通信規(guī)約和RS-485串行通信接口相結(jié)合，可將直流母線電壓、充電器進(jìn)線電壓和電流、蓄電池電壓及直流裝置的蓄電池正反向電流等信息向后臺(tái)系統(tǒng)傳送，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)視功能。

與多功能側(cè)控儀表和PLC控制器的接口。通過分散安裝在各個(gè)車間配電室的PLC控制器可完成0.4kV低壓開關(guān)柜的所有開關(guān)量狀況控制和采集，而其他模擬量如相關(guān)溫度等則利用PLC的AI模塊完成，并運(yùn)用ProfiBus協(xié)議。在智能測(cè)控儀表中選擇MODBUS總線通訊接口，可順利完成各部分模擬量采集計(jì)算、諧波計(jì)算及電度計(jì)算等功能，其中數(shù)據(jù)通訊匯總由PLC控制器完成，然后利用ProfiNet向數(shù)據(jù)通訊控制器傳送，經(jīng)集中處理后向IEC61850通訊標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，最后向變電所站控層監(jiān)控后臺(tái)系統(tǒng)上傳[7]。

與微機(jī)數(shù)字保護(hù)監(jiān)控裝置的接口。通過微機(jī)數(shù)字保護(hù)監(jiān)控裝置完成10kV高壓開關(guān)柜的保護(hù)信號(hào)、斷路器控制及狀態(tài)監(jiān)視，其中微機(jī)數(shù)字保護(hù)監(jiān)控裝置擁有雙光纖接口，根據(jù)IEC61850通訊標(biāo)準(zhǔn)向數(shù)據(jù)通訊管理控制器上傳，且數(shù)據(jù)集中傳送至變電所站控層監(jiān)控后臺(tái)系統(tǒng)。

與有載調(diào)壓裝置和變壓器的接口。在監(jiān)控系統(tǒng)中，利用有載調(diào)壓裝置及變壓器接口和數(shù)據(jù)通訊管理控制器，再與MODBUS通訊規(guī)約和RS-485串行通信接口相結(jié)合，可向后臺(tái)系統(tǒng)傳送運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)，從而達(dá)到監(jiān)視目的。

與有源濾波柜設(shè)備、無功功率補(bǔ)償器的接口。監(jiān)控系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)通訊管理控制器與有源濾波柜、無功功率補(bǔ)償器的接口，再結(jié)合MODBUS通訊規(guī)約和RS-485串行通信接口可向后臺(tái)系統(tǒng)傳輸運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)視功能。

3 結(jié)語

通過構(gòu)建煙廠供配電自動(dòng)化系統(tǒng)方案，提供供配電系統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)與弱電集成系統(tǒng)和能管系統(tǒng)的接口，為OPC接口通訊提供了支持，可促進(jìn)以管、控、測(cè)、計(jì)量為一體自動(dòng)化控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，不僅能夠減少人力資源還能確保系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。