Riyear-PowerNet配电监控系统的运用

2010-06-23胡建刚

电气技术 2010年5期

胡建刚陈平

（常熟开关制造有限公司，江苏常熟 215500）

1 引言

随着电力技术的发展和用户需求的不断提高，配电行业对电器性能的要求越来越高，要求有带通信功能的电器以实现配电网络的遥控、遥测、遥调和遥信的“四遥”功能。

所谓的低压电器智能化配电系统就是通信网络把众多的带有通信接口的低压开关和控制设备与主计算机连接起来，由计算机进行智能化管理，实现集中数据处理、集中监控、集中分析和集中调度的新型配电系统。实现智能化配电系统中设备的互连互通就由现场总线来实现。

智能化配电系统与传统的配电系统相比具有稳定性好、可靠性高、利于集中控制、能实现无人值守、组网后能降低大量费用等优点。可以预见，可通信智能电器设备将逐步取代传统的电器设备。对于现在的智能建筑来说，配电系统是其他系统的基础，实现配电系统的智能化也是智能建筑不可或缺的重要组成部分。

常熟开关制造有限公司（原常熟开关厂）一直致力于智能低压电器的研究，通过不断努力，已取得了一定的成绩。除原有的带有通信接口的CW系列智能型万能式断路器、CM 系列智能型可通信塑壳断路器外，公司还进一步开发出其他智能化产品如电动机保护器、电动机软起动器、双电源切换控制装置、网络电力仪表、智能 I/O模块等一大批产品。公司在2006年末推出了Riyear-PowerNet配电监控系统，系统集成了专业的Riyear-PowerNet配电监控组态软件，配合公司的智能配电元件，形成了一个完整的产品体系。

2 Riyear-PowerNet配电监控系统概述

从电力供应质量和供电安全的关注角度考虑，工业界对电网控制与管理提出了更高的要求。电器元件融入数字化和可通信技术，也将信息技术引入电力行业。Riyear-PowerNet智能网络配电与控制系统，可以支持多种现场总线在变配电和控制领域的运用，有力地推动了变配电控制的信息化和网络化的发展。

Riyear-PowerNet系统包括一系列具备自动化功能的工业级配电元件以及完整的上位机软件、网络布线方案，支持各种通信总线的连接，包括Modbus、ModbusTCP、Profibus-DP、DeviceNet等。通过高效率的数据采集，用户可以在任何时间任何地点实时掌控整个配电系统的运行情况。现场的工作状态、趋势曲线、历史记录、操作及报警记录等均可轻松浏览，帮助用户能在最短的时间内建立起适合自己的完善的配电自动化网络。

Riyear-PowerNet系统支持各种最新的数据解决方案，包括支持远程数据库、OPC服务器、Web服务器等，大大减少用户组织计算机系统的成本和时间。比如通过安装本公司的Web服务器组件，用户在网络上无需任何附加软件就可通过 IE浏览器进行数据和画面的浏览。

Riyear-PowerNet系统除支持本公司所有的可通信元件外，同时也支持各种不同厂商的可通信元件，并且可以无限升级扩充，是具有开放性、通用性的功能强大的监控系统。

图1 Riyear-PowerNet配电监控系统的典型结构

3 Riyear-PowerNet配电监控系统的配置方案

Riyear-PowerNet配电监控系统配置方案主要根据系统规模大小和系统组成分布情况而定，按系统组成通常可分为三层：智能元件层（由各种智能型可通信设备组成，包括断路器、电力仪表、I/O模块等）、通信网络层（由现场总线或者工业以太网组成，在连接介质上可使用双绞线、光纤或者GPRS无线等）、系统软件层（由Riyear-PowerNet系统软件、监控主机、打印机、UPS等组件组成）。

图2 系统构成图

3.1 系统软件层

由Riyear-PowerNet系统软件、监控主机、打印机、UPS电源等组成。通过计算机软件实现系统管理功能，提供用户界面、系统组态、数据储存管理、报警提示、故障记录等功能，是整个Riyear-PowerNet系统的核心。

在系统软件层可实现整个配电系统的运行状态监控、数据管理、系统安全管理以及设备维护管理等等功能。

按照不同工程用户的需要，也可灵活配置系统软件层，例如，按主机数量来分：

（1）单主机系统：一个客户端/服务器应用。

（2）多主机系统：一个服务器和多个客户端应用。

图3 多主机系统示意图

3.2 通信网络层

提供底层智能元件和上位监控主机间的连接，进行数据传输，包括通信协议的转换。系统提供包括现场总线、工业以太网等多种解决方案，实现底层设备和监控主机间的无缝连接。通信网络层现场总线通信系统采用通信协议必须是标准开放的，如Profibus-DP、Modbus-RTU、DeviceNet等。

图4 使用Modbus现场总线方案图

通信网络层采用的介质除了常见的双绞线、光纤，另外还可采用无线通信的形式。目前可供用户选用的无线通信有GPRS无线、CDMA无线、ZigBee等，这些无线组网形式是常规通信网络的补充，解决了一些难以实施布线场合的用户需要。

图5 使用GPRS无线组网方案图

3.3 智能元件层

智能元件层是指现场安装的智能仪表和装置，各类现场智能元件负责采集底层信息和现场智能控制，数据通信接口和通信总线提供给监控主机管理，是Riyear-PowerNet系统的基础。

智能元件层设备包括：①CM 系列可通信塑壳断路器；②CW 系列可通信万能式框架断路器；③CE系统可通信智能仪表；④CA系列自动转换开关；⑤CD4系列电动机控制保护器；⑥CR2系列智能型电动机软起动器；⑦其他第三方可通信产品。

4 Riyear-PowerNet配电监控系统中的智能型低压成套设备

通常智能型低压成套设备包括：采用标准开放的现场总线通信技术将具有通信功能的低压智能设备（如：智能型断路器、智能型保护控制装置、智能型测控装置及智能仪表等等设备）由通信电缆相互连接起来，通过后台主控系统（PLC或PC系统）实现对整个配电系统数据采集和运行状态的远程监视、控制（“四遥”功能）以及系统数据的存储分析和设备运行管理等等功能的低压成套设备。智能型低压成套设备是全新设计的总线式的智能化开关柜（如 CGZ1），也可以是 GCK、GCS、MNS、GGD等传统柜的智能化改造。

图6 在常熟开关制造有限公司CGZ1总线型配电柜中的实际应用

智能型低压成套设备相对于传统低压成套设备最主要的区别是他采用可通信智能型保护、测量及控制设备取代了传统热磁保护设备、指针表及继电器控制设备，提高了保护动作的准确性、测量的精确性及控制的可靠性，同时运用计算机技术和现场总线通信技术很好地实现了配电系统的远程智能化监控管理功能。

智能型低压成套设备相对于传统低压成套设备在结构上的主要区别是采用了数字式可通信智能设备、增加了现场总线通信网络，为了保证通信系统的稳定运行，必须考虑如何提高设备和通信网络的抗干扰能力和系统可维护性。

4.1 通信电缆选型

考虑到配电柜正常运行后环境温升较高、电磁场干扰较大，所以通信电缆需建议选用A类屏蔽双绞线，其技术指标要求见表1。

表1

4.2 通信电缆敷设

同样为了提高通信网络的运行可靠性和系统可维护性，要求设立专用的通信电缆敷设通道，远离强电环境。

我公司的CGZ1型可通信配电柜均设计有专用的辅助电缆隔室和通信电缆通道的隔室，分别用于布置各种控制信号线和通信电缆，并且该二个隔室分别完全与主回路或大电流母线隔离。

图7 CGZ1上的通信电缆隔室和通信电缆隔室图

4.3 通信电缆连接

智能设备之间和配电柜之间通信电缆的连接，必须考虑连接的可靠性，并且通信电缆的屏蔽层不能在总线任何中间位置断裂。分支线路即总线分叉到子站的距离应尽可能短，且不大于20m，避免过多的星形接法。

图8 电缆的连接示意图

4.4 系统接地

根据工程实际情况要求，通信接地方式有多种（通常采用单点接地），但通信屏蔽层接地必须可靠，以提高系统通信的稳定性。由于柜体的地并不纯净，一般以通信板卡的地作为基准，而不是柜体作为通信的接地。

5 Riyear-PowerNet配电监控系统中的智能化电器设备选型

智能化电器设备的选型主要是指针对根据工程总体设计需要对现场层智能型保护设备、测控装置等设备进行配置。在对设备功能、质量稳定性和外形进行选择的同时必须充分考虑到现场总线通信接口规范（物理接口、协议、传输速率、数据量等）。

5.1 进线、联络及馈线（大电流）回路

采用智能型万能式断路器（如CW1、CW2、CW3系列等等），在考虑这些设备的相关保护特性及分断指标的同时还需考虑如何实现配电系统的远程监控功能（“四遥”功能、管理维护功能等）。

（1）智能型断路器配置通信接口功能，直接实现回路的远程监控管理功能。

需明确要求断路器通信接口规范，CW1、CW2、CW3系列断路器能够直接实现Modbus-RTU现场总线通信。

若系统设计为 Profibus-DP现场总线通信网络，则可以通过外加协议转换模块来实现 Profibus-DP现场总线通信，DeviceNet总线系统也采用相同解决办法。目前支持的协议转换模块有CN1DP-MP（Modbus转 Profibus-DP适配器）、CN1DP-MD（Modbus转DeviceNet适配器）、CN1EG/10（Modbus TCP网关）、CN1DP-MC（Modbus转CAN适配器）。

CW2/P型断路器以及CW3/EA型以上型号是我公司近年来最新推出的产品，相比普通的通信型断路器 CW1/H、CW2/H增加了电能参数测量功能，除原有的电流、线电压测量外，还能对有功、无工、视在功率、电量、2～31次谐波等参数进行测量，CW3、EG还具备电机过频、欠频、逆功率保护功能，同时这些断路器在测量精度上相比传统型号有较大提高，在功能上可取代一般的多功能电力仪表。

使用具有通信接口的万能式断路器，在断路器发生故障时，除了能够进行报警以外，还能提供故障追忆功能，可以通过监控软件把故障的原因及具体参数以多种形式的提醒方式（包括图形、语音、短信等）告知相关的值班人员，帮助他们有针对性的快速排除现场故障。大大减少停电时间，减少停电损失。

（2）智能型断路器未配置通信接口功能，采用外加智能电力仪表实现回路的远程监控管理功能。

主要适用于不具备通信能力的断路器的回路，采用搭配智能电力仪表的形式，同时这些外配智能型可通信模块通信接口规范必须符合系统设计要求。

CE1Z是我公司开发的多功能网络电力仪表，可测量电流、电压、功率、频率、电能、谐波等电力参数，具有精度高、体积小、功能全等特点。CE1Z可加装专用的 I/O扩展模块，直接对断路器的合分状态和报警状态进行采集，并且通过继电器输出控制断路器合分闸。但是由于使用的是普通型断路器，在断路器发生故障时可以进行报警，但无法获得故障详细信息来进行故障追忆。

图9 CW2/P、CW3/EG智能型万能式断路器

图10 CE1Z智能电力仪表+普通型万能式断路器

5.2 馈线及配电回路

采用智能型塑壳断路器（如CM1z、CM2Z/T系列等），同样在考虑这些设备的相关保护特性及分断指标的同时还需考虑如何实现配电系统的远程监控功能。

（1）智能型塑壳断路器配置通信接口功能，直接实现回路的远程监控管理功能。

主要适用于大电流等级或者重要的塑壳断路器回路，需实现比较完善的远程监控管理功能。设备配置符合系统设计要求的标准开放现场总线通信接口。

常熟开关制造有限公司的CM1z、CM2Z/T智能型塑壳断路器具备RS-485通信接口，可实现完整的“遥测、遥信、遥调、遥控”四遥功能，在断路器发生故障时，也可以通过通信接口来获得故障详细信息进行故障追忆。

图11 CM1z、CM2Z/T智能型塑壳断路器

（2）智能型断路器未配置通信接口功能，采用外加网络电力仪表实现回路的远程监控管理功能。

使用普通断路器，可通过网络电力仪表（如常熟开关制造有限公司的CE1系列网络电力仪表）或来实现回路的远程监控管理功能。

CE1系列提供多种可选电力参数测量功能，可根据用户需要进行灵活的配置。通过CE1的I/O模块采集塑壳断路器的工作状态，通过CE1的I/O模块对塑壳断路器进行远程控制（通过电操或者分励线圈）。由于配合的是普通型断路器，因此能提供故障报警，但无法提供故障追忆功能。

使用仪表的监控方案适合配电柜改造，对柜内线路改动较少。

图12 普通型塑壳断路器+ CE1系列网络电力仪表

（3）智能型断路器未配置通信接口功能，采用外加远程I/O模块实现回路的远程监控管理功能。

使用普通断路器，可通过远程 I/O模块（如常熟开关制造有限公司的CI1系列远程I/O模块）或来实现回路的远程监控管理功能。

CI1可以提供简单的电流测量功能，通过 CI1采集塑壳断路器的工作状态，通过CI1对塑壳断路器进行远程控制（通过电操或者分励线圈）。由于是普通型断路器，同样无法提供故障追忆功能

这种方案适合配电柜改造，柜内线路改动较少，改造成本较低。

图13 普通型塑壳断路器+CI1系列远程I/O模块

5.3 电动机回路

采用智能型电动机保护控制单元/智能型控制实现电动机的各种保护功能、测量功能、操作功能和事件记录功能等等。配置通信接口功能可实现电动机回路的远程运行监控管理功能。

主要适合于传统电动机回路（塑壳断路器/熔断器+接触器+保护装置）设计方案，设备通信接口规范必须符合现场总线通信系统设计要求。该方案中的保护装置采用智能型电动机保护控制单元（如CD4等）。同样设备的通信接口规范必须完全满足设计要求。

常熟开关制造有限公司的 CD4电动机保护器具备RS-485通信接口，全面支持“四遥”功能，提供故障追忆功能。并能提供手持式编程器，在失电状态下仍可进行维护。

另外，常熟开关制造有限公司最新推出的CB1系列控制与保护开关电器，内部集成断路器、接触器、热继电器及隔离器为一体，具有短路分断能力高、体积小、功能全、操作寿命长、可靠性高等特点，可用于频繁操作。同样CB1具备通信接口，可以实现“四遥”功能。

CB1适用于一些电流等级较小的电动机回路，完全可以取代传统的断路器、接触器、热继电器。

图14 CD4电动机控制器+CK3交流接触器

图15 CB1系列控制与保护开关电器

对于需要软起动的电动机回路，可选择常熟开关制造有限公司的CR2系列电动机软起动器，CR2具备RS-485通信接口，全面支持“四遥”功能，并可提供故障追忆功能。针对不同的负载，还可选择对应的应用设置，CR2提供6条过载曲线可供选择。

图16 CR2软起动器

5.4 双电源切换

自动转换开关适用于额定工作电压 AC400V 50Hz、额定电流 6～800A 的两路中性点接地的电源（常用电源和备用电源或常用电源和发电电源），因一路电源发生异常而进行电源之间的切换，保证其供电的可靠性和安全性。其中CA1 为CB级双断路器连锁结构，CAP1为PC级双电源切换，切换速度快（CAP1-32～100在 100ms以内，CAP1-125～400在200ms以内），可适用于紧急供电系统。

CA1、CAP1均有带通信功能的 Z型控制器，可实现“四遥”操作（一般情况下，双电源切换开关不使用“遥控”操作）。

图17 CA1系列双电源切换

图18 CAP1系列双电源切换

6 Riyear-PowerNet配电监控系统支持的现场总线类型

根据项目的实际需要和系统造价综合考虑系统的网络结构和总线类型。目前在国内电力自动化系统中常用的总线协议有4种。

6.1 Modbus-RTU总线

优点：协议简单、成本低、大多数厂家均能供货、采用A类屏蔽双绞线实际通信距离可达到1km（理论值1.2km），当通信距离大于1km可通过增加中继器或采用光电转换模块（RS-485转光接口）实现距离的延伸。

缺点：通信速率不高，一般情况下波特率小于100kbps，通常使用波特率为19.2kbps。

6.2 Profibus-DP总线

优点：通信速率高，通常情况下波特率可达1.5Mbps，最高波特率可达 12Mbps；当现场通信距离超过标准要求时，可通过增加Profibus光电转换器或Profibus中继器（最多9个）来实现距离的延伸。

缺点：成本相对较高，协议复杂（但提供协议转换芯片和开发工具包）。

6.3 CAN总线

优点：相对于RS485传输距离和波特率都有很大改善。

表2 波特率与距离关系

表3 波特率与距离关系

缺点：CAN总线没有定义应用层协议，所以在项目实施的时候会因为通信协议的问题带来很大的麻烦，也不便于系统的维护；另外，由于CAN总线采用短帧报文传输（最长为 8byte），所以对于信息量较大的电力设备来说，通信效率就会降低。

6.4 DeviceNet总线

优点：在CAN总线基础上定义了应用层协议，统一了接口协议。

表4 波特率与距离关系

缺点：目前国内并未推广开，只有少数厂家能供货，且该成本很高。

通过上述比较，RS-485 Modbus-RTU总线不失为一种经济型选择方案； Profibus-DP总线通常应用在要求实时性较高的场合。另外，为了便于自动化系统的调试和维护，同一系统中的总线协议类型最好一致，尽量避免出现多种协议类型，特别是制造厂家自定义协议。

7 Riyear-PowerNet配电监控系统功能

Riyear-PowerNet配电监控系统采用具现场总线通信功能的智能型保护、测量及控制设备，它主要分：一次设备和二次设备，一次设备如智能型框架断路器、智能型塑壳式断路器，二次设备如智能型 PC测控装置、智能型测控仪表、智能型电动机控制器等。

7.1 遥控功能

通过上位机对智能型低压成套设备各电气回路或电器设备实现远程操作控制功能（具体各回路的可遥控的功能应根据设计需要确定）。

（1）配电回路：控制断路器的分闸、合闸。

（2）电动机控制电路：电动机的起动、停车、复位等操作。

7.2 遥测功能

通过上位机远程采集智能型低压成套设备各电气回路的电量参数(具体可遥测的参数应根据设计需要确定)。

（1）主进线电路：三相电流、三相电压、有功功率、功率因素、有功电能、无功电能等。

（2）配电电路：三相电流、三相电压（相电压/线电压）、有功功率、有功电能等。

（3）出线回路：三相或单相电流、有功功率、有功电能等。

（4）电动机回路：三相或单相电流、有功功率等。

（5）补偿回路：功率因素（实际值/设定值）等。

（6）其他：电网频率、谐波分量等。

图19是“某低压智能化配电监控管理系统”主界面图（部分）。系统中400V系统采用具有Modbus 总线通信接口的智能断路器测控装置实现进线和馈线回路断路器的远程控制、电参量测量和运行状态监视。

图19 智能化监控管理系统1

图20 智能化监控管理系统2

7.3 遥调功能

通过上位机远程调整各个智能终端的的可变参数（如断路器保护参数）。

下图是智能型万能式断路器 CW2/H主要保护参数远程下载和查看界面。

图21 遥调功能

7.4 遥信功能

通过上位机对智能型成套设备各电气回路或电器设备实现以下遥信功能，具体可遥信的功能应

根据设计需要确定。图22是现场设备故障报警指示画面。

（1）通信状态。

（2）报警/故障信息。

（3）开关状态、补偿电容器投切状态。

（4）设备操作次数/运行时间等。

图22 遥信功能故障报警指示画面

7.5 维护管理功能

系统能通过上位机对各从站实现以下维护管理功能：

（1）智能型成套设备的工程资料及设备信息管理。

（2）各回路的挂牌检修功能。

（3）操作事件记录功能。

（4）报警管理。

（5）故障管理。

（6）电能管理。

（7）负荷分析。

（8）报表打印等（包括实时报表、日报表、月报表及年报表）。

图23是系统故障记录管理功能界面。

图24是系统操作记录管理功能界面。

图25是系统实时报表功能界面。

图26是系统日报表功能界面。

图23 故障记录管理功能

图24 操作记录管理功能

图25 实时报表功能

图26 日报表功能

8 Riyear-PowerNet配电监控系统应用案例

（1）某智能化配电监控管理系统方案简介

某工业园区智能低压配电系统共有 4个变电站、1个测试中心和2个箱式变电站组成。为了实现低压配电系统的保护、测控功能，在配电柜中安装智能型万能式断路器，在电容补偿柜上加无功补偿控制器及电量监控仪作为显示。

由于各变电站分布较远，从站的节点数有 100多点，还需要为今后的发展和扩充留有余地，基本情况分两个阶段：

第一阶段把1#、4#变电站和生活区箱式变电站安排在一个主控站，把2#、3#变电站和顶楼箱式变电站安排在一个主控站，生活水泵安排在一个主控站，五台发电机控制和目前已运行的三期高压系统组成一个高压主控站。既方便操作又为以后发展留有余地，而各个主控站则通过工厂级以太网连接到中央控制室。在中央展示室通过以太网增加一个投影屏，实现对整个配电系统的显示。

试验站变电站单独一个主控站，空压机、空调机控制单独一个主控站。将在第二阶段安排实施。

多主站这种方式适合配电站相对分散，从站设备相对较多，数量大于32个的系统。采用多主站形式，多主站PC集中在中央控制室，进行集中监控，各个主站之间通过以太网与信息管理中心连接。