電力監(jiān)控系統(tǒng)在教學(xué)演示中的應(yīng)用
0引言
北京市電氣工程學(xué)校創(chuàng)建于1976年，1984年成立職業(yè)高中部，1991年被教委批準(zhǔn)為獨(dú)立設(shè)置的職業(yè)高中校，1995年走向規(guī)模辦學(xué)，1998年評(píng)為北京市中等職業(yè)學(xué)校骨干示范校，2001年制冷與空調(diào)設(shè)備運(yùn)用與維修專業(yè)被評(píng)為北京市骨干特色專業(yè)，2003年被北京市教委評(píng)為“北京市職業(yè)教育先進(jìn)單位”。2003年合并了原朝陽(yáng)職成中專學(xué)校，到目前已發(fā)展成擁有：經(jīng)濟(jì)法律事務(wù)、工商法律事務(wù)、制冷和空調(diào)設(shè)備運(yùn)用與維修、電子與信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)及外設(shè)維修、計(jì)算機(jī)軟件、樓宇智能化技術(shù)、電氣設(shè)備運(yùn)行與管理、物業(yè)管理等9個(gè)專業(yè)，面向社會(huì)開(kāi)展各相關(guān)專業(yè)的職業(yè)資格培訓(xùn)，在全市處于領(lǐng)先地位，是市級(jí)再就業(yè)培訓(xùn)的先進(jìn)單位。
學(xué)校目前一校五址，有獨(dú)立使用權(quán)校舍的占地面積27370平方米，建筑面積21133平方米；藏書8萬(wàn)余冊(cè)，學(xué)校設(shè)有塑膠跑道、人工草皮足球場(chǎng)、塑膠籃球場(chǎng)，裝備了先進(jìn)的閉路電視教學(xué)系統(tǒng)、校園局域網(wǎng)、計(jì)算機(jī)房、財(cái)會(huì)模擬室、多媒體教室和遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)，具有高精技術(shù)指標(biāo)適應(yīng)現(xiàn)代教學(xué)需求的空調(diào)制冷、電工、電子、視頻、鉗工、電梯、汽修等實(shí)習(xí)室。學(xué)校師資力量雄厚，84%的教師具有中高級(jí)技術(shù)職稱，專業(yè)教師均持有中、高級(jí)專業(yè)技術(shù)資格證書。在校生近1200人。社會(huì)培訓(xùn)每年2000人左右，累計(jì)畢業(yè)生3128人，就業(yè)率95%以上，近三年高職升學(xué)共計(jì)260人，升學(xué)人數(shù)居朝陽(yáng)職高校第二名。目前學(xué)校開(kāi)設(shè)八個(gè)專業(yè)：制冷和空調(diào)設(shè)備運(yùn)用與維修、電子與信息技術(shù)專業(yè)、計(jì)算機(jī)軟件專業(yè)、計(jì)算機(jī)及外設(shè)維修、電梯安裝與維修、樓宇智能化技術(shù)、汽車運(yùn)用與維修、電氣設(shè)備運(yùn)行與管理、經(jīng)濟(jì)法律事務(wù)專業(yè)、工商法律事務(wù)專業(yè)，各專業(yè)學(xué)校均有職業(yè)資格等級(jí)培訓(xùn)資格，學(xué)生職高畢業(yè)可取得學(xué)歷和崗位資格或等級(jí)證兩個(gè)以上的證書。多年來(lái)學(xué)校全面貫徹教育方針，秉承持續(xù)發(fā)展的人力資源開(kāi)發(fā)及服務(wù)首都經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的辦學(xué)宗旨，堅(jiān)持學(xué)歷教育與非學(xué)歷教育并舉的多種模式辦學(xué)，為首都培養(yǎng)了幾千名優(yōu)秀技術(shù)人才，學(xué)校注重學(xué)生全面素質(zhì)和綜合職業(yè)能力的培養(yǎng)和提高，辦學(xué)成績(jī)斐然，得到社會(huì)各界的普遍贊譽(yù)。
由于北京市電氣工程學(xué)校為了給學(xué)生充分展示配電教學(xué)的全過(guò)程，因此建立了后臺(tái)電力監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)配電進(jìn)行智能化管理。本項(xiàng)目主要是對(duì)北京市電氣工程學(xué)校變電所配電進(jìn)行監(jiān)測(cè)以及對(duì)模擬屏進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。根據(jù)學(xué)校配電系統(tǒng)管理的要求，需要對(duì)變電所內(nèi)的低壓配出線進(jìn)行電力監(jiān)測(cè)，對(duì)模擬屏實(shí)時(shí)控制，以便學(xué)生可以充分學(xué)習(xí)到配電系統(tǒng)的每一個(gè)部分。
Acrel-2000型電力監(jiān)控系統(tǒng)，充分利用了現(xiàn)代電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的最新發(fā)展，對(duì)變配電系統(tǒng)進(jìn)行分散數(shù)據(jù)采集和集中監(jiān)控管理。對(duì)配電系統(tǒng)的二次設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)和通訊網(wǎng)絡(luò)，將分散的配電所的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接為一個(gè)有機(jī)的整體，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)控。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本電力監(jiān)控系統(tǒng)主要對(duì)一個(gè)變電所進(jìn)行變配電管理，本變電所并不投入使用，主要是演示給學(xué)生如何操作的，模擬屏的作用是進(jìn)行學(xué)生考核的，即學(xué)生在后臺(tái)進(jìn)行對(duì)模擬屏發(fā)送信號(hào)，老師在模擬屏現(xiàn)場(chǎng)觀察，以此來(lái)判斷學(xué)生的操作順序是否正確。高壓并沒(méi)有運(yùn)行，只是引進(jìn)的220v普通用電，低壓也是模擬運(yùn)行。本系統(tǒng)監(jiān)控值班室設(shè)置在隔壁房間的監(jiān)控室。因此，為實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)北京電氣工程學(xué)校電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及對(duì)模擬屏的實(shí)時(shí)監(jiān)控，在值班室設(shè)立了監(jiān)控中心，基于Acrel-2000的電力監(jiān)控系統(tǒng)后臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與實(shí)時(shí)監(jiān)控。
1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本電力監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)北京電氣工程學(xué)校變電所的0.4kV配電系統(tǒng)的用電監(jiān)測(cè)與模擬屏的實(shí)時(shí)監(jiān)控；監(jiān)測(cè)范圍為變電所的T1、T2變壓器的低壓進(jìn)線柜、聯(lián)絡(luò)柜、饋線柜中的智能電力儀表和模擬屏，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和模擬屏的實(shí)時(shí)監(jiān)控。該系統(tǒng)總計(jì)有61只儀表（其中全部為PZ系列智能儀表）和一個(gè)模擬屏，分4條總線，由于變電所與值班室距離較近，采用變電所內(nèi)自行組網(wǎng)，然后通過(guò)擴(kuò)展卡直接接至電腦，實(shí)現(xiàn)該現(xiàn)場(chǎng)總線上儀表、模擬屏與監(jiān)控主機(jī)的數(shù)據(jù)連通。
系統(tǒng)主要采用分層分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖1所示：站控管理層、網(wǎng)絡(luò)通訊層和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層[1]。
圖1 系統(tǒng)總體拓?fù)鋱D
1）站控管理層
站控管理層針對(duì)電能管理系統(tǒng)的管理人員，是人機(jī)交互的直接窗口，也是系統(tǒng)的最上層部分。主要由系統(tǒng)軟件和必要的硬件設(shè)備，如工業(yè)級(jí)計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、UPS電源等組成。電能管理系統(tǒng)軟件具有良好的人機(jī)交互界面，對(duì)采集的現(xiàn)場(chǎng)各類數(shù)據(jù)信息計(jì)算、分析與處理，并以圖形、數(shù)顯、聲音等方式反映現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行狀況。
監(jiān)控主機(jī)：用于數(shù)據(jù)采集、處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。為系統(tǒng)內(nèi)或外部提供數(shù)據(jù)接口，進(jìn)行系統(tǒng)管理、維護(hù)和分析工作。
打印機(jī)：系統(tǒng)召喚打印或自動(dòng)打印圖形、報(bào)表等。
UPS：保證計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正常供電，在整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生供電問(wèn)題時(shí)，保證站控管理層設(shè)備的正常運(yùn)行，提供足夠的時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
2）網(wǎng)絡(luò)通訊層
通訊層設(shè)備為CP134U-I四口擴(kuò)展卡。該層是數(shù)據(jù)信息交換的橋梁，負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備回送的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集、分類和傳送等工作的同時(shí)，轉(zhuǎn)達(dá)上位機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的各種控制命令。
通訊介質(zhì)：系統(tǒng)主要采用屏蔽雙絞線，以RS485接口，Modbus通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與上位機(jī)的實(shí)時(shí)通訊。
3）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層
現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層是數(shù)據(jù)采集終端，主要由智能儀表和模擬屏組成，采用具有高可靠性、帶有現(xiàn)場(chǎng)總線連接的分布式I/O控制器構(gòu)成數(shù)據(jù)采集終端，向數(shù)據(jù)中心上傳采集的數(shù)據(jù)。智能電力儀表?yè)?dān)負(fù)著最基層的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，其監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)必須完整、準(zhǔn)確并實(shí)時(shí)傳送至監(jiān)控主機(jī)。
以上網(wǎng)絡(luò)儀表均采用RS485接口和Modbus-Rtu通訊協(xié)議，RS485采用屏蔽線傳輸，一般都采用二根連線，接線簡(jiǎn)單方便；通訊接口是半雙工通信即通信的雙方都可以接收、發(fā)送數(shù)據(jù)但是在同一時(shí)刻只能發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps。RS485接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗噪聲干擾能力增強(qiáng)，總線上允許連接多達(dá)32個(gè)設(shè)備，最大傳輸距離為1.2km。
1.2 現(xiàn)場(chǎng)儀表
本項(xiàng)目對(duì)于變壓器低壓主進(jìn)線回路，饋線回路等，采用的都是PZ-80/E4智能電力儀表，PZ-80/E4智能電力儀表，為嵌入式安裝，可安裝在動(dòng)力箱或低壓出線柜門板上，面板尺寸為80mm×80mm，規(guī)格為220/380V、5A，電流經(jīng)互感器接入，精度0.5級(jí)，廣泛應(yīng)用于高、低壓進(jìn)線柜、聯(lián)絡(luò)柜、出線柜、動(dòng)力柜等場(chǎng)合，帶RS485接口，Modbus通訊協(xié)議[2]。
2 電力監(jiān)控系統(tǒng)主要功能
2.1 數(shù)據(jù)采集與處理
數(shù)據(jù)采集是配電監(jiān)控的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)采集主要由底層多功能網(wǎng)絡(luò)儀表采集完成，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的本地實(shí)時(shí)顯示。需要完成采集的信號(hào)包括：三相電壓U、三相電流I、頻率Hz、功率P、功率因數(shù)COSφ、電度Epi、遠(yuǎn)程設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)處理主要是把按要求采集到的電參量實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的顯示給用戶，達(dá)到配電監(jiān)控的自動(dòng)化化和智能化要求，同時(shí)把采集到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)供用戶查詢。
2.2 人機(jī)交互
系統(tǒng)提供簡(jiǎn)單、易用、良好的用戶使用界面。采用全中文界面，CAD圖形顯示低壓配電系統(tǒng)電氣一次主接線圖，顯示配電系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)及相應(yīng)實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，畫面定時(shí)輪巡切換；畫面實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)刷新；模擬量顯示；開(kāi)關(guān)量顯示；連續(xù)記錄顯示等。
2.3 歷時(shí)事件
歷時(shí)事件查看界面主要為用戶查看曾經(jīng)發(fā)生過(guò)的故障記錄、信號(hào)記錄、操作記錄、越限記錄提供方便友好的人機(jī)交互，通過(guò)歷史事件查看平臺(tái)，您可以根據(jù)自己的要求和查詢條件方便定位您所要查看的歷史事件，為您把握整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況提供了良好的軟件支持。
2.4 數(shù)據(jù)庫(kù)建立與查詢
主要完成遙測(cè)量和遙信量定時(shí)采集，并且建立數(shù)據(jù)庫(kù)，定期生成報(bào)表，以供用戶查詢打印。
2.5 用戶權(quán)限管理
針對(duì)不同級(jí)別的用戶，設(shè)置不同的權(quán)限組，防止因人為誤操作給生產(chǎn)，生活帶來(lái)的損失，實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)的安全，可靠運(yùn)行。可以通過(guò)用戶管理進(jìn)行用戶登錄、用戶注銷、修改密碼、添加刪除等操作，方便用戶對(duì)賬號(hào)和權(quán)限的修改。
2.6 運(yùn)行負(fù)荷曲線
負(fù)荷趨勢(shì)曲線功能主要負(fù)責(zé)定時(shí)采集進(jìn)線及重要回路電流和功率負(fù)荷參量，自動(dòng)生成運(yùn)行負(fù)荷趨勢(shì)曲線的，方便用戶及時(shí)了解設(shè)備的運(yùn)行負(fù)荷狀況。點(diǎn)擊畫面相應(yīng)按鈕或菜單項(xiàng)可以完成相應(yīng)功能的切換；可以查看實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線或歷史趨勢(shì)線；對(duì)所選曲線可以進(jìn)行平移、縮放、量程變換等操作，幫助用戶進(jìn)線趨勢(shì)分析和故障追憶，為分析整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況提供了直觀而方便的軟件支持。
2.7 遠(yuǎn)程報(bào)表查詢
報(bào)表管理程序的主要功能是根據(jù)用戶的需要設(shè)計(jì)報(bào)表樣式，把系統(tǒng)中處理的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)篩選、組合和統(tǒng)計(jì)生成用戶需要的報(bào)表數(shù)據(jù)。本程序還可以根據(jù)用戶的需要對(duì)報(bào)表文件采用定時(shí)保存、打印或者召喚保存、打印模式。同時(shí)本程序還向用戶提供了對(duì)生成的報(bào)表文件管理功能。報(bào)表具有自由設(shè)置查詢時(shí)間實(shí)現(xiàn)日、月、年的電能統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)導(dǎo)出和報(bào)表打印等功能。
2.8 模擬屏的實(shí)時(shí)監(jiān)控
系統(tǒng)使用者可以在后臺(tái)中進(jìn)行高壓低壓倒閘模擬操作，可以通過(guò)點(diǎn)擊后臺(tái)畫面中高壓低壓回路的開(kāi)關(guān)，對(duì)模擬屏發(fā)送信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬屏中每一個(gè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)控制。
3 系統(tǒng)案例分析
上位機(jī)軟件為Acrel-2000電力監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)軟件，該軟件是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電參量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與監(jiān)控的專用軟件，最大的特點(diǎn)是能以靈活多樣的“組態(tài)形式”而不是編程方式來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)集成，它提供了良好的用戶開(kāi)發(fā)界面和簡(jiǎn)捷的工程實(shí)現(xiàn)方法，只要將其預(yù)設(shè)置的各種軟件模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單的“組態(tài)”，便可以非常容易地實(shí)現(xiàn)和完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)控功能。Acrel-2000電力監(jiān)控系統(tǒng)具有友好的人機(jī)交互界面，可實(shí)時(shí)和定時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備各電參量及開(kāi)關(guān)量狀態(tài)，并將采集到的數(shù)據(jù)上傳給監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)。系統(tǒng)還提供了實(shí)時(shí)曲線和歷史趨勢(shì)曲線分析，符合用戶設(shè)計(jì)需要的報(bào)表、事件記錄和故障報(bào)警等功能[3]。整個(gè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)所有回路用電量的采集和統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表、電力監(jiān)測(cè)與實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。
3.1 數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)圖顯示
現(xiàn)場(chǎng)儀表測(cè)量并采集回路數(shù)據(jù)信息，上位機(jī)軟件再對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表的數(shù)據(jù)進(jìn)行定時(shí)或周期采集并存儲(chǔ)，可以自由設(shè)置采集的時(shí)間周期，最小的系統(tǒng)支持的采集周期。可以隨時(shí)查看任一表計(jì)的瞬時(shí)表值、累計(jì)量等信息，記錄時(shí)間間隔內(nèi)電力儀表的電壓、電流、功率因數(shù)和有功電度等。這些參數(shù)信息可以自動(dòng)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于查詢。
系統(tǒng)具有友好的人機(jī)界面，便于普通的現(xiàn)場(chǎng)值班人員查看并記錄相關(guān)信息，系統(tǒng)一次圖（如圖2）不僅顯示了線路的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，還實(shí)時(shí)顯示電力等重要的電力參數(shù)。所有數(shù)據(jù)信息都定期的保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。
圖2高壓一次系統(tǒng)圖
3.2 遠(yuǎn)程抄表
系統(tǒng)對(duì)所有采集到的數(shù)據(jù)都能實(shí)時(shí)的顯示，并保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，因此可以手動(dòng)查詢每個(gè)回路的所有實(shí)時(shí)及歷史電參量數(shù)據(jù)，并以表格的形式展現(xiàn)給用戶，便于打印、保存。如圖3所示。
圖3 回路遠(yuǎn)程抄表
3.3 電壓趨勢(shì)曲線
本系統(tǒng)對(duì)于重要回路，不僅可以對(duì)電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與監(jiān)測(cè)，并可以根據(jù)保存的歷史數(shù)據(jù)做成趨勢(shì)曲線，可以查看實(shí)時(shí)和歷史變化趨勢(shì)，預(yù)測(cè)電能質(zhì)量，并可對(duì)電力故障進(jìn)行查詢，保證電力負(fù)荷的安全運(yùn)行。如圖4所示。
圖4 電流趨勢(shì)曲線
3.4 事件記錄與報(bào)警
主要用于查看歷史報(bào)警信息；幫助用戶進(jìn)行事故查詢與追憶；支持歷史查詢，打印等功能。實(shí)時(shí)報(bào)警信息會(huì)即時(shí)彈出，提醒用戶所進(jìn)行的操作。并對(duì)所有操作具有自動(dòng)事件記錄功能。如圖5所示。
圖5 回路跳閘報(bào)警
3.5 模擬屏的實(shí)時(shí)監(jiān)控
主要用于老師對(duì)學(xué)生的考核。學(xué)生可以在電腦前進(jìn)行高壓、低壓分合閘過(guò)程的模擬操作，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)相應(yīng)的給模擬屏發(fā)送信號(hào)，老師可以在模擬屏現(xiàn)場(chǎng)查看學(xué)生操作的是否正確。如圖6所示。
圖6 模擬屏
4 結(jié)束語(yǔ)
隨著智能建筑的發(fā)展及電力的廣泛應(yīng)用，對(duì)智能建筑的配電系統(tǒng)的智能化集成管理已成為國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑及大型公共建筑智能化建設(shè)的必然趨勢(shì)，本文介紹的基于Acrel-2000的電力監(jiān)測(cè)與電力監(jiān)控系統(tǒng)，不僅可以實(shí)時(shí)顯示電力運(yùn)行狀態(tài)及用電狀況，還能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，以用戶適用的方式展現(xiàn)出來(lái)，滿足用戶的需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的分析、處理，其生成各種電能報(bào)表、分析曲線、圖形等，極大的方便了用戶的使用，便于配電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與電參量的遠(yuǎn)程抄表與分析研究，為智能建筑的節(jié)能技術(shù)提供參考。
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