基于3S-Net的楼宇智能配电系统

1 引言
    电力系统安全与否关系到国民经济发展和社会稳定,确保电网运行安全、可靠是电力管理要考虑的首要问题。传统低压配电与控制系统可靠性较低、功能差,系统中某一点的故障往往引起系统的zui断路器动作,发生在北美地区的大停电事故再次为世人敲响了警钟。
    20世纪末,出现了集自动化、计算机和通信技术于一体的现场总线低压电器(包括智能保护设备和控制设备) 。现场总线低压电器是将微处理器植入传统的开关等设备中,使它们具有智能控制与数字通信功能。国外各大公司纷纷推出采用现场总线技术的智能化电网的监控、保护与信息网络系统。该系统采用总线电缆作为传输介质,把多个测量控制及设备连接成网络系统,在位于现场的低压电器设备与监控计算机间及低压电器设备间实现数据的传输与信息交换,提高了低压配电与控制系统的可靠性、稳定性,并且具有实时调整配电系统负载和电能质量的能力。
    3S-Net智能网络配电与控制系统是上海电器科学研究所(集团)有限公司为适应变电站自动化的要求和变电站无人值守的需要所研发的一套适用于自动化配电系统的性价比较高的变电站智能控制系统。该系统采用保护测控功能一体化设计思想,各单元设备通过现场总线控制网络互连,既可集中组屏也可分散安装,是一种分层分布分散式的变电站自动化智能控制系统,能充分满足电力系统的可靠性、实时性、实用性的要求。该系统适用于各电压等级变电站的新建与改造工程。
    本文介绍了将3S-Net智能网络配电与控制系统运用到楼宇供配电自动化中,较好地弥补了传统楼宇供配电与控制系统布线烦琐、可靠性差等缺陷,提高了楼宇供配电自动化程度。
2 项目方案
    上海某集办公楼、商场和超五酒店于一体的智能建筑群作为一座现代化的地标性建筑,建筑本身对供电的可靠性和供配电系统的自动化水平都有较高的要求。本工程采用*的3S-Net智能网络配电与控制系统对大楼的中、低压配电系统、变压器、发电机组、直流屏等实施自动监测和控制。
    3S-Net智能网络配电与控制系统包括1个变压器室、1个高压配电室、5个低压配电室、1套柴油发电机和6套应急配电柜,各配电柜中开关等设备均为带RS-485通信的智能设备,具有电能保护、分配、控制的功能。3S-Net智能网络配电与控制系统对建筑内的中低压配电系统、变压器、发电机组、直流屏等实施自动监控,实现建筑电力系统的自动化,提高供配电系统运行的可靠性,同时还可为楼宇自动化系统(BA)提供建筑供配电以及电能消耗的准确数据,使物业管理科学化。
    后台监控系统是基于个人计算机的运行Windows多窗口操作系统的当地监控系统,由工业控制机、彩色监视器、打印机、音箱报警系统等构成,供变电站监视与控制使用。对每个变电所自动化网络,由1台上位机和分散于各开关柜上的智能仪表、智能开关联网构成,所有智能仪表、智能开关均有RS-485接口,支持Modbus现场总线协议。
    上位机工作站高性能、多任务、多用户型工业控制计算机配有21英寸彩色显示器, 作为人机界面(HMI) 。主机放在配电房控制室内。通过现场总线对开关柜中的主要开关等元器件进行监控测试,实现了“四遥”功能。
系统原理及结构
2.1 分层分布式结构
典型的3S-Net智能网络配电与控制系统通信结构分为设备层、现场控制层和管理层。

(1) 设备层。底层设备层采用DeviceNet 、Profibus、Modbus等总线,接入的设备有式断路器、塑壳式断路器、电量表、I/O模块、无功补偿控制器等。
(2) 现场控制层(主站层) 。采用标准DeviceNet ( Profibus、Modbus) 总线协议, 以DeviceNet( Profibus、Modbus)现场总线实现系统控制器与底层设备之间的通信;通信电缆采用标准总线电缆,具有较长的通信距离及较强的抗*力,适用于工业现场。
(3) 现场管理层。采用标准TCP / IP工业以太网协议实现系统控制器上级管理器之间的通信(通信速率为100Mb/s) 。
    现场单元层按分布式配置对0.4 kV及以下电压等级的二次保护监控设备,有条件时可将单元装置安装在开关柜上。各单元内保护和监控相互独立,各现场单元相互独立,仅通过站内的DeviceNet通信网络互联,并同变电站层的设备通信。在功能分配上,采用“可下放的尽量下放”原则,凡是可在本现场单元就地完成的功能绝不依赖通信网。该系统同集中式相比,具有明显优点:①系统的可靠性高,任一部分设备有故障时只影响局部; ②可扩展性与灵活性提高,既适用于新建变电站,又适用于老站改造; ③站内二次电缆简化,节省投资也简化施工与维护; ④运行维护方便,为变电站的现代化管理提供必要条件。
    整个变电站的系统结构非常简单,由所有设备的各单元装置构成现场单元层,由通信控制单元和当地监控系统构成变电站层;采用DeviceNet现场总线组成网络,通信可靠、实时;保护和监控一体化设计,且各单元中保护和监控模块都具有完善的自检功能,可快速定位任一硬件故障并发“装置故障”告警信息,方便现场维护。二次电缆接线量大为减少,既大大降低了工程成本,又减轻了现场施工工作量。按此种方式建设的变电站,可实现无人或少人值班,满足电力系统对变电站运行与管理的需求。按该系统建设的变电站不仅节省了占地面积和二次电缆,方便了施工和检修,而且为变电站的科学化和现代化运行管理提供了必要的先行条件。
2.2 *的网络技术
智能化配电系统采用*的DeviceNet现场总线技术,它是一种支持分布式或实时控制的串行通信网络,特别适合高实时性要求的工业现场的地层控制,与以往Bitbus或RS-485等通信网相比,具有如下主要优点:(1) 网上任一节点可在任一时刻向其他节点发信,不分主从,实现真正的多主式系统。
(2) 非破坏性总线裁决技术,当2个节点同时向网上发信时,优先级别低的信文自动停止发送,不影响优先级别高的信文发送,在网络负载很重时,不会导致网络瘫痪。
(3) 错误检测和相应处理功能,提高通信可靠性。
(4) 通信介质可为双绞线、同轴电缆。
3S-Net智能网络配电与控制系统充分利用DeviceNet现场总线和通信技术的优越性,整合中、低压电网的通信系统,实现数据实时交换。通过总线技术把整个系统的保护与控制电器组合成一个整体,实现系统协调配合,达到*运行状态。通过系统监控中、低压电网的电能质量,采取自动无功补偿和抑制谐波等技术措施,改善系统功率因数和谐波分量,提高电网质量与运行的安全性、可靠性和经济性。
基于现场总线智能网络配电与控制系统有如下优点:
(1) 一对N 结构。一对传输线,N 台仪表,双向传输多个信号。
(2) 可靠性。数字信号传输抗干扰性能强、精度高。
(3) 互换性。用户自由选择不同制造商所提供的性价比*的现场设备。
(4) 互操作性。用户把不同制造商的各种品牌的设备集成在一起,统一组态,组态简单。
(5) 分散控制。控制站功能分散在现场仪表中,通过现场仪表构成控制回路,实现*的分散控制。
3S-Net智能网络系统的拓扑结构。该结构简洁、明了,由主干线和分支线的结构组成,支持单电源和多电源,支持网络供电和设备供电,系统可在不断开主干线的情况下带电装拆节点,具有自适应、自诊断、通信互联等功能。可以用分支线实现菊花链、树形分支结构, 结构灵活,方便现场施工布线。与传统的布线方式相比可大大地节约工程成本,所有的控制设备分散在现场,由一根电缆连接,实现*的分散控制,提高了系统的可靠性、自治性和灵活性。