【摘要】本文介绍了一种以PLC为核心融合基于MODBUS通讯协议的RS-485现场总线和工控以太网技术的水厂智能配电系统,使电耗更为经济,企业管理更为高效。
【关键词】PLC，现场总线，智能配电系统
1.智能型配电系统概述
原有的水厂配电系统中,高低压配电柜中往往要安装各类仪表,实现对电力系统的监视,有专人定时到厂区内的配电间巡视,记录数值进行数据分析和处理。即使部分有计算机监测系统的配电,大多也只是只监不控,所以计量的精度和同步性均不高,更无法满足提高配电质量的要求。
随着智能型配电系统这一概念的出现,以可编程逻辑控制器(PLC)为核心使用多功能智能电力仪表,综合保护器等为监测、继保的高低压配电柜得到了越来越广泛的应用。多功能智能电力仪表可以一表多用,同时可以通过其通讯接口来实现对仪表的编程、数据采集等功能综合保护器不但可以实现电力参数测量,更可以按需求实现电动机保护、变压器保护、配电线路保护等功能可编程逻辑控制器是专为工业环境下应用而设计的工业控制计算机,已经成为电气控制系统中应用*为广泛的核心装置,它能实现复杂的逻辑控制,且编程简单,维护方便,并配有各类通讯接口与模块处理,可方便各级连接。所以利用多功能智能电力仪表和综合保护器的通讯功能,以(PLC)为核心对配电线路进行实时监控,并且建立与工控以太网的连接,完成(PLC)工作站与监控服务器间的数据交换,使用智能型配电系统能够在很大程度上减少劳力,并且可以提高效率,使电耗更为经济,企业管理更为高效。
原则上讲,智能型配电系统不同于智能型高低压开关柜,智能型配电系统其配置是根据具体工程的需要,既能配置成全智能型器件及控制设备的开关柜,又能配置成全部使用传统电器元件及控制设备的开关柜,同时也能混合配置。给用户选用提供了较大的灵活性,以满足不同的需要。
本智能型配电系统中,使用普通电控型断路器作为执行器,使用安科瑞公司的(PLC)作为运行状态和参数自动检测、自动控制的控制器件。各多功能智能电力仪表、综合保护器作为从站,分别安装在各开关柜中。主站通讯模块均选用安科瑞公司。从站与从站和主站之间,通过现场总线以及RS485通信网络接口联接,进行数据交换。从站可以把各开关柜中有关断路器开关的状态和电量参数送往主站,也可以接受上位机的遥控操作命令,对断路器开关进行开关控制。但目前由于水厂供电的特殊性,现场总线上设备过多,通讯控制有时相应滞后,所以实际的模式是,电动机回路电量参数以通讯方式传送,分合断路器以PLC接点控制方式控制,就是利用PLC的输人输出模块,将断路器开关信号、位置信号,故障信号等以干接点形式送到,将分合闸控制命令以继电器输出形式接到电气二次回路实现上位机对断路器的分合闸控制。电源馈线回路电量参数以通讯方式传送PLC,人工现场分合断路器,PLC接点控制方式控制作为备用方式。工作站通过交换机和中央控制室监控服务器进行数据交换,实现数据库存储、数据报表生成等功能。
2.系统构成
2.1系统硬件
2.1.1高低压配电柜
(1)采用二路进线,单母线分段运行供电,进线和母联三开关两合闸连锁,各馈线柜原理同传统一样,如综合保护器选用AM3SE-I,通讯协议MODBUS-RTU协议。
(2)采用二路进线,双母线供电,进线和母联三开关两合闸连锁,分段电容补偿,各馈线柜原理同传统一样,如多功能智能电力仪表选用安科瑞APM810,通讯协议MODBUS-RTU协议。
2.1.2PLC工作站
(1)选用安科瑞公司处理器,通讯模块选用安科瑞AWT100、一,通过背板完成与处理器的数据通讯
(2)通过交换机建立与工控以太网连接
(3)监控服务器和上位机
2.2系统软件
(1)馈线控制及数据采集处理由处理器完成,采用与系统配套的编程环境。
(2)上位机监控界面使用安科瑞EMS能效管理平台监控软件。
(3)数据库存储及数据报表生成采用安科瑞数据库系统,利用软件开发技术完成数据的转换、存储及报表的生成。
2.3系统监测元件和开关元件
在智能型配电系统中,电流、电压等电量参数的检测通过电流互感器铁心互感器、空心互感器及霍尔传感器、电压互感器、漏电流检测互感器等。
普通电控型断路器是智能型配电系统的主要器件,主要用于主进回路和联络母联的开关控制,也用于大负荷馈电回路的开关控制。低压配电上的开关具有过载脱扣整定,过载、短路、失压保护等功能,有合闸、分闸和脱扣指示合闸线圈和分闸线圈分别使用脉冲控制信号。如中国安科瑞公司的ASCB系列低压开关产品,高压配电上的断路器应配套综合保护器共同使用,具有过载长延时反时限、短延时反时限、定时限、速动等功能。
3.系统现场数据采集和通讯
低压配电采用多功能电力仪表,高压配电采用多功能综合保护器,也有在高压柜上同时安装综合保护器和多功能电力仪表,但不管安装什么品牌的产品,均通过其提供的RS-485接口以现场总线的方式完成同工作站的通讯。
现场总线就是应用在生产现场,在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统,本系统里的现场总线就是RS-485总线,通信协议为MODBUS-RTU协议,主站就是PLC工作站里面1756机架上插入的AWT通讯模块,从站就是配电柜上的各类多功能电力仪表和综合保护器。它描述了一个控制器访问其它设备的过程,当采用MODBUS协议通信时,此协议规定每个控制器需要知道自己的设备地址,识别按地址发来的消息,如何响应来自其它设备的请求,如何侦测错误并记录。通信采用主一从技术,即,只有主设备能发出查询,从设备响应消息。主设备可单独和从设备通信,从设备返回一个消息。MODBUS通信有两种模式。消息的起始位以至少3.5个字符传输时间的停顿开始(一般采用4个),在传输完*后一个字符后,有一个至少3.5个字符传输时间的停顿来标识结束。一个新的消息可在此停顿后开始。在接收期间,如果等待接收下一个字符的时间超过1.5个字符传输时间,则认为是下一个消息的开始。只针对设备地址、功能代码和数据段进行。整个消息帧作为一连续的流传输,传输速率较高。
当消息从主站发往从站时,功能代码域将告之从站需要执行哪些行为。在这里主要使用到3种功能码,03H:读寄存器数据，05H:单个线圈输出,06H写寄存器数据。读寄存器的内容包括开关分合闸状态、当前电流值、电压值、故障记录值等。从站回应时,它使用功能代码域来指示是正常回应无误还是有某种错误发生称作异议回应。对正常回应,从站仅回应相应的功能代码。对异议回应,从站返回一等同于正常代码的代码,并将功能代码置为逻辑。功能码是单个线圈输出,它可以通过从站设备输出,控制对应断路器的分合。在程序中设置一个帧计时器,当线路上有数据时就刷新该计时器,线路空闲时则停止刷新,计时时间达到3.5帧时计时器被软件清除,而下一帧则为地址帧,MODBUS通信查询发送处理程序流程见图2。
作为主站的一通讯模块是平台开发的通讯接口模块,各从站采集的数据信息存放在各自的数据缓存区中,模块读取各从站的数据存放在自己的数据区后,PLC可以通过块写和块读操作发指令和接收信息。
4.系统数据网络和监控管理
（1）现场数据采集后在站内配置以太网交换机,通过光缆连人中央控制室,完成各个PLC工作站与监控服务器间的数据交换
（2）监控管理使用组态软件,同时在监控服务器运行数据连接软件,并由其完成的服务功能,中央控制室的电脑界面上可以同步看到每个配电间内每个开关柜的电量参数,也可以通过上位机发命令控制现场设备的运行。
（3）人机界面可以察看数据库系统自动生成的电量参数日报表、月报表等。
5.安科瑞电气针对水厂监测推出能效管理解决方案--AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台5.1平台概述
安科瑞电气具备从终端感知、边缘计算到能效管理平台的产品生态体系，AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台通过在污水厂源、网、荷、储、充的各个关键节点安装保护、监测、分析、治理装置，用于监测污水厂能耗总量和能耗强度，重点监测主要用能设备能效，保护污水厂运行安全可靠，提高污水厂能效，为污水处理的能效管理提供科学、精细的解决方案。
5.2平台组成
AcrelEMS智慧水务综合能效管理系统由变电站综合自动化系统、电力监控及能效管理系统组成，涵盖了水务中压变配电系统、电气安全、应急电源、能源管理、照明控制、设备运维等，贯穿水务能源流的始终，帮助运维管理人员通过一套平台、一个APP实时了解水务配电系统运行状况，并且根据权限可以适用于水务后勤部门管理需要。
5.3平台拓扑图
5.4平台子系统
5.4.1变电站综合自动化系统及电力监控
对水务配电系统中35kV、10kV电压等级配置继电保护和弧光保护，实现遥测、遥信、遥控、遥调等功能，对异常情况及时预警。
监测变压器、水泵、鼓风机的电流、电压、有功/无功功率、功率因数、负荷率、温度、三相平衡、异常报警等数据。
5.4.2电能质量监测与治理
水务中大量的大功率电机、水泵变频启动导致配电系统中存在大量谐波，通过监测其配电系统的谐波畸变、电压波动、闪变和容忍度指标分析其电能质量，并配置对应的电能质量治理措施提高供电电能质量。
5.4.3电动机管理
马达监控实现水务中电机的保护、遥测、遥信、遥控功能，电动机保护器能对过载、短路、缺相、漏电等异常情况进行保护、监测和报警。高效、准确地反映出故障状态、故障时间、故障地点、及相关信息，对电机进行健康诊断和预防性维护。同时支持与PLC、软启、变频器等配合，实现电动机自动或远程控制，监视、控制各个工艺设备,保障正常生产。
5.4.4能耗管理
为水务搭建计量体系，显示水务的能源流向和能源损耗，通过能源流向图帮助水务分析能源消耗去向，找出能源消耗异常区域。
将所有有关能源的参数集中在一个看板中，从多个维度对比分析，实现各个工艺环节的能耗对比，帮助领导掌控整个工厂的能源消耗，能源成本，标煤排放等的情况。
能耗数据统计采集水务中污水厂、自来水厂、水泵站等的用电、用水、燃气、冷热量消耗量，同环比对比分析，能耗总量和能耗强度计算，标煤计算和CO2排放统计趋势。
能效分析按三级计量架构，分别进行能效分析，契合能源管理体系要求，可对各车间/职能部门的能效水平进行分析，同比、环比、对标等。通过污水处理产量以及系统采集的能耗数据，在污水单耗中生成污水单耗趋势图，并进行同比和环比分析，同时将污水的单耗与行业/先进指标对标，以便企业能够根据产品单耗情况来调整生产工艺，从而降低能耗。
5.5电气安全
5.5.1电气火灾监测
监测配电系统回路的漏电电流和线缆温度，实现对污水厂、自来水厂、水泵站的电气安全预警。
5.5.2消防应急照明和疏散指示
根据预先设置的应急预案快速启动疏散方案引导人员疏散。系统接入消防应急照明指示系统数据，通过平面图显示疏散指示灯具工作状态和异常情况。
5.5.3消防设备电源监测
监测消防设备的工作电源是否正常，保障在发生火灾时消防设备可以正常投入使用。
5.5.4防火门监控系统
防火门监控系统集中控制其各终端设备即防火门监控模块、电动闭门器、电磁释放器的工作状态，实时监测疏散通道防火门的开启、关闭及故障状态，显示终端设备开路、短路等故障信号。系统采用消防二总线将具有通信功能的监控模块相互连接起来，当终端设备发生短路、断路等故障时，防火门监控器能发出报警信号，能指示报警部位并保存报警信息，保障了电气安全的可靠性。
5.6环境监测
污水厂、自来水厂、水泵站等场所温湿度、烟雾、积水浸水、视频、UPS电池间可燃气体浓度展示和预警，保障污水厂、自来水厂、水泵站等安全运行。当可燃气体或有害气体浓度超标可自动启动排风风机或新风系统，排除隐患，保持良好的水处理环境。
5.7分布式光伏监测
实时监测低压并网柜每路的电流、电压、功率等电气参数及断路器开关状态，逆变器运行监视，对逆变器直流侧每一光伏组串的输入直流电压、直流电流、直流功率，逆变器交流电压、交流电流、频率、功率因数、当前发电功率、累计发电量进行监测，以曲线方式绘制上述监测的各个参量的历史数据。
平台结合厂区实际分布情况，通过3D或2.5D平面图显示分布式光伏组件在屋顶、车棚的分布情况，显示汇流箱、并网点位置，各个屋顶的装机容量。
6.1电力监控、电能质量、电动机管理及配电室环境监控系统
应用场合（10KV） | 产品 | 型号 | 功能 | |
| 10KV进/馈线 |
| AM6-L | 相间电流速断保护，相间限时电流速断保护（可带低压闭锁），相间过电流保护（可带低压闭锁），两段式零序过流保护，反时限相间过流保护（可带低压闭锁），零序反时限过流保护，过负荷保护，控制回路异常告警。 |
10/0.4KV变压器 | AM6-S | 分合闸位置、手车工作/试验位置、接地刀闸位置、硬接点信号(保护跳闸、装置告警、控制回路断线、装置异常、未储能、事故总等)、报文(过流、过负荷、超温报警、过温报警、装置告警、PT断线、CT断线、对时异常等)、遥控开关、故障波形分析(故障录波、故障波形、故障记录、跳闸、故障电流电压)等。 | ||
智能操控装置 |
| ASD500 | 一次回路动态模拟图、弹簧储能指示、高压带电显示及闭锁、验电、核相、自动温湿度控制及显示（标配一路强制加热）、远方/就地旋钮、分合闸旋钮、储能旋钮、人体感应、柜内照明控制、RS485接口、高压柜内电气接点无线测温。 | |
10KV计量 |
| APM520 | 该仪表采用交流采样技术，能分别测量电网中的电流、电压、功率、功率因数和电能等参数，可通过面板薄膜开关设置倍率。带RS-485通讯接口，采用Modbus协议;也可将电量信号转换成标准的直流模拟信号输出;或带开关量输入/输出，继电器报警输出等功能。 | |
7.结束语
智能配电系统集自动化程度高、可靠性好、可操作性强、可扩展性强等优点于一体,随着水厂自动化程度要求的不断提高,各种智能型的生产设备将不断出现,以为核心融合现场总线的智能配电系统是对水厂强电管理的一种创新,是一切自动化和智能设备的基础,将为企业的成本核算和优化运行管理发挥重要作用。
参考文献
[1]林峻.智能配电系统在水厂中的应用
[2]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版智能配电系统在水厂作者简介：