10kV电站自动化系统在智能建筑中的应用

2012-07-30嵇文津张明莉

智能建筑电气技术 2012年4期

嵇文津/ 张明莉

1. AECOM（艾奕康咨询（深圳）有限公司），北京 100025; 2. 北京联合大学，北京 100101

现代建筑中的电气系统愈来愈复杂，给系统的设计和运营带来了许多新的问题。首先，建筑规模的扩大，例如20～30万m2的建筑，一个变电站已无法满足其用电需求，需要4、5个变电站。其次，庞大的建筑内，机电系统每天都有各种运行操作，仅仅靠增加运行人员已无法保证建筑高效智能化运行;对于变电站的监控要求，原有的楼宇自控系统已显得落后，需要一种根据变配电系统自身特点运行的自动化系统来完成智能操作的需求。在变配电系统中引入电站自动化系统技术已成为智能建筑机电系统中不可或缺的组成部分，并且随着绿色建筑理念的应用，以该系统为平台的能源管理技术也不断地扩展其应用范围。

在智能建筑中的10kV变配电系统中引入电站自动化系统需要解决下列相关设计问题。

1 10kV变电所中的电站自动化系统的设计

如图1所示，10kV变电站的电站自动化系统由三个层面组成，包括现场监控层、通信管理层和系统管理层。

（1）现场监控层：在现场安装网络电力仪表和监控模块，实现对数据采集和就地显示功能，经RS485通信接口接入现场总线。其中，10kV高压开关柜执行元件一般由综合继电保护单元构成，低压配电柜内的执行元件则分别由与框架开关或塑壳开关配套的电力仪表和开关监控单元构成。

（2）通信管理层：完成监控层和管理层之间的网络连接、转换和数据、命令的交换。系统使用Modbus协议。

（3）系统管理层：由监控主机、监视器、打印机和UPS电源等组成。监控主机采用工控机或服务器，通过专业的电站自动化监控软件，实现对变电站及整个低压配电系统的监控。

通过上述系统，结合电力系统监控的专用软件，系统可以实现对10kV变电所设备的遥信、遥测、遥控和遥调等电站自动化操作功能，系统软件基本功能包括以下四点：

（1）遥测：进行实时数据采集，可远程测量并通讯，传输所有电力参数，包括三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率、谐波及电度等。

（2）遥信：可远程检测断路器分合状态、辅助触点状态、变压器超温信号及瓦斯状态等，并且可做事故纪录，以便查找造成事故发生的根源。

（3）遥控：可远程遥控断路器分闸和合闸（要求开关有电动操作机构、RTU选型带继电器控制输出）。

（4）遥调：可远程对智能监控模块进行参数设置及调整，包括密码、地址、通讯速率、电压变比、电流变比、整定值及时间等（功能可选）。

上述软件和硬件组合的系统，使用Windows平台，通过人机交互界面，可以很好地实现对10kV 变电站系统设备的监视和控制操作。见图2。

2 多个10kV变电站的电站自动化系统的设计

在许多智能建筑中，特别是超高层建筑，由于建筑体量很大，1个10kV变电站已无法满足建筑用电要求。首先，建筑高度或跨度超过供电半径；其次，用电容量超过单组双路供电容量。在这样的建筑物中，会由4～5个10kV变电站组成一个变电站群。为了提高系统运行性能和加强管理，需要将这些变电站的各自独立的电站自动化系统联接成网，组成一个电站自动化监控网。通过设置在主变电站的指定主监控机进行各个变电站的监控和运行，如图3所示。

如图3所示，电站自动化监控网络是由各个变电站自控系统的主机通过与上一层的互联而形成的。这里面有三个主要环节：首先是网络的搭建，各站之间网路是以站内网络系统管理层为基础构成的；第二，对于电站自动化系统来说，站间网络的可靠性是十分重要的。为了保证系统的可靠性，建议采用双光纤方式，这种方式既可以提高网络的可靠性，又能够保证系统的传输速度；第三，通常，整个项目会设置一台主监控计算机，一般采用服务器级别的计算机，通过双光纤通讯方式与各个10kV变电站的计算机联接。在纯技术角度上，该主机与各站的主机是同一级别，而其高于其他主机的方式是通过软件的操作口令分级来确定。一般情况下，各变电站站内各种操作是由各站的主机独立完成的；同时，将站内的信息资料通过双光纤网络上传至项目主机。项目主机对各个变电站的运行只监不控，这样可以有效了解各变电站的运行情况，完成监控整个项目电气系统运行状态的工作，也不对各站内的运行产生干扰，充分发挥集散系统设计理念的优势。特殊情况下，当需要进行跨站间操作时，通过输入更高操作级别口令，主机直接与通过两个变电站通讯层与操控设备联系，进行信息交换，下达操作指令和接受反馈信息，直接进行跨站之间操作。

3 电站自动化系统在智能建筑机电系统中的扩展

电站自动化系统作为一个由计算机为主体构建的自控平台，通过对软件平台的不断开发和拓展，配合适当的外部接口部件，具有强大的功能和扩展其工作范围的能力。其不但能够持续地深化变电站内的监控操作性能，同时，还可以扩展到变电站外和变配电系统外，突出表现在下列几个方面。

1）电站自动化系统在内部的扩展

（1）与漏电火灾报警系统的结合

通过扩展电力仪表的功能，已经有厂家开发出兼有漏电火灾报警模块功能的电力仪表，通过一套电力仪表模块可以将低压配电柜中的漏电火灾报警探测功能纳入电站自动化系统中。如果将该种电力仪表模块植入变电所外的建筑楼层配电箱中，接入漏电探测CT的采集信号，通过485总线手拉手连接成网络，最终接入电站自动化系统中，可使系统具备漏电火灾报警功能。

（2）与电费计量系统的结合

能源管理功能的实现是建筑智能化电能管理系统的另一个扩展功能，通过对建筑电能消耗的记录，并参照历史数据的分析，建立本建筑机电系统和设备的电能消耗模型，制定出建筑在不同季节各系统设备或不同区域的能源消耗指标。在实时监视过程中及时发现电能消耗异常现象，能够采取有效措施进行设备改造，以避免电能不正常损耗；对建筑配电系统内部的各用电单位进行电能分配、计量和监控，优化配电系统运行模式，并有针对性地对高耗电设备进行改造或更新，提高管理效率、降低运营成本；通过数据分析，使用户更合理有效地利用设备，避免了资源浪费，节约资金；根据建筑设备运行需要结合上级电网峰谷平电价运行管理要求，调整设备运行时间、消峰填谷，降低建筑运行费用。

2）电站自动化系统向外部的的扩展

通过设置网关设备，提供标准的网络接口和通信协议，实现将Modbus协议转换为TCP/IP协议。通过以太网形式实现本系统与建筑设备监控系统（BMS）等自动化系统的网络通信，进行数据交换，达到资源共享。这样，该系统可以向上加入楼宇自控系统（BMS系统），成为BMS系统的一个子系统。