【摘要】本文介紹了一種以PLC為核心融合基于MODBUS通訊協議的RS-485現場總線和工控以太網技術的水廠智能配電系統,使電耗更為經濟,企業管理更為高效。

【關鍵詞】PLC，現場總線，智能配電系統

1.智能型配電系統概述

原有的水廠配電系統中,高低壓配電柜中往往要安裝各類儀表,實現對電力系統的監視,有專人定時到廠區內的配電間巡視,記錄數值進行數據分析和處理。即使部分有計算機監測系統的配電,大多也只是只監不控,所以計量的精度和同步性均不高,更無法滿足提高配電質量的要求。

隨著智能型配電系統這一概念的出現,以可編程邏輯控制器(PLC)為核心使用多功能智能電力儀表,綜合保護器等為監測、繼保的高低壓配電柜得到了越來越廣泛的應用。多功能智能電力儀表可以一表多用,同時可以通過其通訊接口來實現對儀表的編程、數據采集等功能綜合保護器不但可以實現電力參數測量,更可以按需求實現電動機保護、變壓器保護、配電線路保護等功能可編程邏輯控制器是專為工業環境下應用而設計的工業控制計算機,已經成為電氣控制系統中應用*為廣泛的核心裝置,它能實現復雜的邏輯控制,且編程簡單,維護方便,并配有各類通訊接口與模塊處理,可方便各級連接。所以利用多功能智能電力儀表和綜合保護器的通訊功能,以(PLC)為核心對配電線路進行實時監控,并且建立與工控以太網的連接,完成(PLC)工作站與監控服務器間的數據交換,使用智能型配電系統能夠在很大程度上減少勞力,并且可以提高效率,使電耗更為經濟,企業管理更為高效。

原則上講,智能型配電系統不同于智能型高低壓開關柜,智能型配電系統其配置是根據具體工程的需要,既能配置成全智能型器件及控制設備的開關柜,又能配置成全部使用傳統電器元件及控制設備的開關柜,同時也能混合配置。給用戶選用提供了較大的靈活性,以滿足不同的需要。

本智能型配電系統中,使用普通電控型斷路器作為執行器,使用安科瑞公司的(PLC)作為運行狀態和參數自動檢測、自動控制的控制器件。各多功能智能電力儀表、綜合保護器作為從站,分別安裝在各開關柜中。主站通訊模塊均選用安科瑞公司。從站與從站和主站之間,通過現場總線以及RS485通信網絡接口聯接,進行數據交換。從站可以把各開關柜中有關斷路器開關的狀態和電量參數送往主站,也可以接受上位機的遙控操作命令,對斷路器開關進行開關控制。但目前由于水廠供電的特殊性,現場總線上設備過多,通訊控制有時相應滯后,所以實際的模式是,電動機回路電量參數以通訊方式傳送,分合斷路器以PLC接點控制方式控制,就是利用PLC的輸人輸出模塊,將斷路器開關信號、位置信號,故障信號等以干接點形式送到,將分合閘控制命令以繼電器輸出形式接到電氣二次回路實現上位機對斷路器的分合閘控制。電源饋線回路電量參數以通訊方式傳送PLC,人工現場分合斷路器,PLC接點控制方式控制作為備用方式。工作站通過交換機和中央控制室監控服務器進行數據交換,實現數據庫存儲、數據報表生成等功能。

2.系統構成

2.1系統硬件

2.1.1高低壓配電柜

(1)采用二路進線,單母線分段運行供電,進線和母聯三開關兩合閘連鎖,各饋線柜原理同傳統一樣,如綜合保護器選用AM3SE-I,通訊協議MODBUS-RTU協議。

(2)采用二路進線,雙母線供電,進線和母聯三開關兩合閘連鎖,分段電容補償,各饋線柜原理同傳統一樣,如多功能智能電力儀表選用安科瑞APM810,通訊協議MODBUS-RTU協議。

2.1.2PLC工作站

(1)選用安科瑞公司處理器,通訊模塊選用安科瑞AWT100、一,通過背板完成與處理器的數據通訊

(2)通過交換機建立與工控以太網連接

(3)監控服務器和上位機

2.2系統軟件

(1)饋線控制及數據采集處理由處理器完成,采用與系統配套的編程環境。

(2)上位機監控界面使用安科瑞EMS能效管理平臺監控軟件。

(3)數據庫存儲及數據報表生成采用安科瑞數據庫系統,利用軟件開發技術完成數據的轉換、存儲及報表的生成。

2.3系統監測元件和開關元件

在智能型配電系統中,電流、電壓等電量參數的檢測通過電流互感器鐵心互感器、空心互感器及霍爾傳感器、電壓互感器、漏電流檢測互感器等。

普通電控型斷路器是智能型配電系統的主要器件,主要用于主進回路和聯絡母聯的開關控制,也用于大負荷饋電回路的開關控制。低壓配電上的開關具有過載脫扣整定,過載、短路、失壓保護等功能,有合閘、分閘和脫扣指示合閘線圈和分閘線圈分別使用脈沖控制信號。如中國安科瑞公司的ASCB系列低壓開關產品,高壓配電上的斷路器應配套綜合保護器共同使用,具有過載長延時反時限、短延時反時限、定時限、速動等功能。

3.系統現場數據采集和通訊

低壓配電采用多功能電力儀表,高壓配電采用多功能綜合保護器,也有在高壓柜上同時安裝綜合保護器和多功能電力儀表,但不管安裝什么品牌的產品,均通過其提供的RS-485接口以現場總線的方式完成同工作站的通訊。

現場總線就是應用在生產現場,在微機化測量控制設備之間實現雙向串行多節點數字通信的系統,本系統里的現場總線就是RS-485總線,通信協議為MODBUS-RTU協議,主站就是PLC工作站里面1756機架上插入的AWT通訊模塊,從站就是配電柜上的各類多功能電力儀表和綜合保護器。它描述了一個控制器訪問其它設備的過程,當采用MODBUS協議通信時,此協議規定每個控制器需要知道自己的設備地址,識別按地址發來的消息,如何響應來自其它設備的請求,如何偵測錯誤并記錄。通信采用主一從技術,即,只有主設備能發出查詢,從設備響應消息。主設備可單獨和從設備通信,從設備返回一個消息。MODBUS通信有兩種模式。消息的起始位以至少3.5個字符傳輸時間的停頓開始(一般采用4個),在傳輸完*后一個字符后,有一個至少3.5個字符傳輸時間的停頓來標識結束。一個新的消息可在此停頓后開始。在接收期間,如果等待接收下一個字符的時間超過1.5個字符傳輸時間,則認為是下一個消息的開始。只針對設備地址、功能代碼和數據段進行。整個消息幀作為一連續的流傳輸,傳輸速率較高。

當消息從主站發往從站時,功能代碼域將告之從站需要執行哪些行為。在這里主要使用到3種功能碼,03H:讀寄存器數據，05H:單個線圈輸出,06H寫寄存器數據。讀寄存器的內容包括開關分合閘狀態、當前電流值、電壓值、故障記錄值等。從站回應時,它使用功能代碼域來指示是正常回應無誤還是有某種錯誤發生稱作異議回應。對正常回應,從站僅回應相應的功能代碼。對異議回應,從站返回一等同于正常代碼的代碼,并將功能代碼置為邏輯。功能碼是單個線圈輸出,它可以通過從站設備輸出,控制對應斷路器的分合。在程序中設置一個幀計時器,當線路上有數據時就刷新該計時器,線路空閑時則停止刷新,計時時間達到3.5幀時計時器被軟件清除,而下一幀則為地址幀,MODBUS通信查詢發送處理程序流程見圖2。

作為主站的一通訊模塊是平臺開發的通訊接口模塊,各從站采集的數據信息存放在各自的數據緩存區中,模塊讀取各從站的數據存放在自己的數據區后,PLC可以通過塊寫和塊讀操作發指令和接收信息。

4.系統數據網絡和監控管理

（1）現場數據采集后在站內配置以太網交換機,通過光纜連人中央控制室,完成各個PLC工作站與監控服務器間的數據交換

（2）監控管理使用組態軟件,同時在監控服務器運行數據連接軟件,并由其完成的服務功能,中央控制室的電腦界面上可以同步看到每個配電間內每個開關柜的電量參數,也可以通過上位機發命令控制現場設備的運行。

（3）人機界面可以察看數據庫系統自動生成的電量參數日報表、月報表等。

5.安科瑞電氣針對水廠監測推出能效管理解決方案--AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺

5.1平臺概述

安科瑞電氣具備從終端感知、邊緣計算到能效管理平臺的產品生態體系，AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺通過在污水廠源、網、荷、儲、充的各個關鍵節點安裝保護、監測、分析、治理裝置，用于監測污水廠能耗總量和能耗強度，重點監測主要用能設備能效，保護污水廠運行安全可靠，提高污水廠能效，為污水處理的能效管理提供科學、精細的解決方案。

5.2平臺組成

AcrelEMS智慧水務綜合能效管理系統由變電站綜合自動化系統、電力監控及能效管理系統組成，涵蓋了水務中壓變配電系統、電氣安全、應急電源、能源管理、照明控制、設備運維等，貫穿水務能源流的始終，幫助運維管理人員通過一套平臺、一個APP實時了解水務配電系統運行狀況，并且根據權限可以適用于水務后勤部門管理需要。

5.3平臺拓撲圖

5.4平臺子系統

5.4.1變電站綜合自動化系統及電力監控

對水務配電系統中35kV、10kV電壓等級配置繼電保護和弧光保護，實現遙測、遙信、遙控、遙調等功能，對異常情況及時預警。

監測變壓器、水泵、鼓風機的電流、電壓、有功/無功功率、功率因數、負荷率、溫度、三相平衡、異常報警等數據。

5.4.2電能質量監測與治理

水務中大量的大功率電機、水泵變頻啟動導致配電系統中存在大量諧波，通過監測其配電系統的諧波畸變、電壓波動、閃變和容忍度指標分析其電能質量，并配置對應的電能質量治理措施提高供電電能質量。

5.4.3電動機管理

馬達監控實現水務中電機的保護、遙測、遙信、遙控功能，電動機保護器能對過載、短路、缺相、漏電等異常情況進行保護、監測和報警。高效、準確地反映出故障狀態、故障時間、故障地點、及相關信息，對電機進行健康診斷和預防性維護。同時支持與PLC、軟啟、變頻器等配合，實現電動機自動或遠程控制，監視、控制各個工藝設備,保障正常生產。

5.4.4能耗管理

為水務搭建計量體系，顯示水務的能源流向和能源損耗，通過能源流向圖幫助水務分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區域。

將所有有關能源的參數集中在一個看板中，從多個維度對比分析，實現各個工藝環節的能耗對比，幫助領導掌控整個工廠的能源消耗，能源成本，標煤排放等的情況。

能耗數據統計采集水務中污水廠、自來水廠、水泵站等的用電、用水、燃氣、冷熱量消耗量，同環比對比分析，能耗總量和能耗強度計算，標煤計算和CO2排放統計趨勢。

能效分析按三級計量架構，分別進行能效分析，契合能源管理體系要求，可對各車間/職能部門的能效水平進行分析，同比、環比、對標等。通過污水處理產量以及系統采集的能耗數據，在污水單耗中生成污水單耗趨勢圖，并進行同比和環比分析，同時將污水的單耗與行業/先進指標對標，以便企業能夠根據產品單耗情況來調整生產工藝，從而降低能耗。

5.4.5智能照明控制

系統為污水廠、自來水廠、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持單控、區域控制、自動控制、感應控制、定時控制、場景控制、調光控制等多種控制方式，模塊可根據經緯度自動識別日出日落時間實現自動控制功能，盡量利用自然光照，實現室內、廠區照明的智能控制達到安全、節能、舒適、高效的目的。

5.5電氣安全

5.5.1電氣火災監測

監測配電系統回路的漏電電流和線纜溫度，實現對污水廠、自來水廠、水泵站的電氣安全預警。

5.5.2消防應急照明和疏散指示

根據預先設置的應急預案快速啟動疏散方案引導人員疏散。系統接入消防應急照明指示系統數據，通過平面圖顯示疏散指示燈具工作狀態和異常情況。

5.5.3消防設備電源監測

監測消防設備的工作電源是否正常，保障在發生火災時消防設備可以正常投入使用。

5.5.4防火門監控系統

防火門監控系統集中控制其各終端設備即防火門監控模塊、電動閉門器、電磁釋放器的工作狀態，實時監測疏散通道防火門的開啟、關閉及故障狀態，顯示終端設備開路、短路等故障信號。系統采用消防二總線將具有通信功能的監控模塊相互連接起來，當終端設備發生短路、斷路等故障時，防火門監控器能發出報警信號，能指示報警部位并保存報警信息，保障了電氣安全的可靠性。

5.6環境監測

污水廠、自來水廠、水泵站等場所溫濕度、煙霧、積水浸水、視頻、UPS電池間可燃氣體濃度展示和預警，保障污水廠、自來水廠、水泵站等安全運行。當可燃氣體或有害氣體濃度超標可自動啟動排風風機或新風系統，排除隱患，保持良好的水處理環境。

5.7分布式光伏監測

實時監測低壓并網柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數及斷路器開關狀態，逆變器運行監視，對逆變器直流側每一光伏組串的輸入直流電壓、直流電流、直流功率，逆變器交流電壓、交流電流、頻率、功率因數、當前發電功率、累計發電量進行監測，以曲線方式繪制上述監測的各個參量的歷史數據。

平臺結合廠區實際分布情況，通過3D或2.5D平面圖顯示分布式光伏組件在屋頂、車棚的分布情況，顯示匯流箱、并網點位置，各個屋頂的裝機容量。

5.8工藝仿真監控

平臺通過2D、3D方式實時監視粗格柵、污水提升、細格柵、曝氣沉砂、改良生化處理、二沉、加氯接觸消毒、污泥濃縮壓濾、生物除臭等工藝設備運行狀態。在格柵清渣機、污水提升泵、回流泵、曝氣風機、加藥泵、濃縮壓濾機、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動機控制柜或低壓饋電柜安裝電動機保護，進行短路、過流、過載、起動超時、斷相、不平衡、低功率、接地/漏電、te保護、堵轉、逆序、溫度等保護以及外部故障連鎖停機，與PLC、軟啟、變頻器等配合，實現電動機自動或遠程控制，監視、控制各個工藝設備,保障正常生產。

6.相關平臺部署硬件選型清單

6.1電力監控、電能質量、電動機管理及配電室環境監控系統

7.結束語

智能配電系統集自動化程度高、可靠性好、可操作性強、可擴展性強等優點于一體,隨著水廠自動化程度要求的不斷提高,各種智能型的生產設備將不斷出現,以為核心融合現場總線的智能配電系統是對水廠強電管理的一種創新,是一切自動化和智能設備的基礎,將為企業的成本核算和優化運行管理發揮重要作用。

參考文獻

[1]林峻.智能配電系統在水廠中的應用

[2]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.05版智能配電系統在水廠作者簡介：