無人值守?電力監控系統在生物制藥企業變配電系統自動化改造的應用

更新時間：2023-08-21

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安科瑞王璐月 V：Acrel-dada

摘要：本文分析生物制藥企業的能耗特點，提出一種適合生物制藥企業的管理構架方案，以提高變配電系統自動化管理水平，減少系統從故障中恢復的時間。系統具備變配電設備和大功率設備關鍵參數監控、報警和統計功能，保障企業的安全生產。

關鍵詞：ISA95；IEC61850；變配電系統；自動化

0.引言

??生物制藥廠房對生產環境要求高，需大量高能耗空調和動力設備。生產工藝復雜要求設備持續工作。如果出現閃電或跳閘都將導致生產中斷，數據丟失，給生產安全帶來風險。因此提高供電穩定性對生物制藥企業十分必要。由于故障具有偶然性和突發性，傳統值班方式難以及時恢復供電。而變配電自動化系統能夠快速統計能耗數據，監控變壓器和環網柜狀態，并通過遠程操作及時恢復供電。

1.系統構架

??隨著自動化和信息化技術發展，將能源管理系統（EMS）整合到中央監控系統中已成為趨勢。底層數據來自SCADA，復雜數據通過外部系統處理后反饋給生產智能系統。目前主流scada 供應商都推出自己中央監控系統，如 wonderware WSP平臺、西門子XHQ平臺、羅克韋爾Tingworx平臺。這些平臺可以集成：展示、操作、配方、質量、環境監控、維保、移動客戶端、能源管理等功能。

2.電力系統自動化特征

??IEC61850 協議（電力自動化標準）提出公共通信標準和設備規范，實現系統的無縫銜接；并將變電配電通信系統分為3層：站控層、間隔層、過程層，其結構如圖3所示

站控層功能是通過高速網絡匯總全站的實時數據信息，不斷刷新實時數據庫；按規約將數據信息發送到控制中心；接收控制中心命令并轉向間隔層、過程層執行；具有對間隔層、過程層設備的在線維護、組態和參數修改功能。間隔層功能是匯總本層過程實時數據信息，具有對一次設備保護控制功能；優先控制數據采集、統計運算和發出控制命令；具有承上啟下的通信功能，同時與過程層及站控層高速通信；必要時，上下網絡接口都采用信息通道冗方式，保證通信可靠性。過程層是指電氣設備的智能化部分，按主要功能可以分為三類

??(1）電力運行實時的電氣量檢測；

??(2）運行設備的狀態參數檢測；

??(3）操作控制執行與驅動。

??在站控層和間隔層之間的網絡采用抽象通信服務接口，映射到制造報文規范（MMS），傳輸控制協議/網際協議（TCP/IP）采用以太網或光纖網。在間隔層和過程層之間的網絡采用單點向多點的單項傳輸以太網。變電站內的電子設備（IED，測控單元和繼電保護)均采用統一的協議如 modbus，通過網路進行信息交換。IEC61850 規范電力設備和設備組件的建模，定義了公共數據格式、標識符、行為和控制，例如變電站和饋線設備（斷路器、電壓調節器和繼電保護等）。協議顯著降低數據管理費用、減少工程量、簡化數據維護、減少由于配置錯誤而引起的系統停機時間。采用該標準，變配電設備具有自述、自診斷和即插即用的特性，方便了系統的集成，降低了變配電系統自動化的工程費用。

3.變配網自動化通信系統

3.1 變配網自動化系統組成

??配網自動化系統遵循分布式結構和集中控制的設計思想，站控層包含監控系統（或中央監控平臺)主機；間隔層包含交換機、網關等設備；過程層包括配變終端設備（TTU）、饋線終端單元（FTU）、配電終端單元（DTU）、遠程終端單元（RTU）、數字電表等設備。其中 TTU 監測并記錄配電變壓器運行工況。FTU 是在饋線開光旁的開關監控裝置。DTU 采集開關設備的位置、電壓、功率等數據并進行急速，進行分合閘操作。

3.2 變配網主要特點

??變配網作為電力系統的最終環節，其自動化系統數據龐大、拓撲復雜，主要有以下特點： ??（1）通訊節點多，需安裝大量的通信終端。

??（2）節點分散，設備分部在園區的各功能建筑。

??（3）數據量大，采集包括電流、電壓、開關位置、溫度等狀態變量。

3.3 通訊方式和系統結構

??目前自動化系統的主要通信方式有：光纖通信、配電線路載波通信、無線公網網絡和無線網絡通信。光纖通訊具有傳輸量大、傳輸速度快、傳輸距離長、抗干擾能力強等特點。載波通訊是利用電源線傳遞高配載波信號，具有投資少，管理維護方便、覆蓋廣，安全可靠等有點，但這種方式信息量小，主要用于大型輸電網。無線公網通信使用 GPRS、3G等，移動無線網絡適用于間歇性、突發性或少量的數據傳輸，適用于不變敷設光纖的地區。無線專網通訊使用 DT-LTE、WiMAX、WIFI等，具有抗干擾能力強、傳輸寬帶高等優點，適用于位置偏僻的設備。Modbus通信是一種串行通訊協議，具有速度快、穩定、易實現總線、成本低廉等優點，生物制藥企業設備布局分散，因此變配網站控層和間隔層主體采用工業以太網專網通信，部分設備采用無線專網通信。近距離節點使用網線通訊，遠距離節點使用光纖，不便敷設光纖的節點采用 WiFi通訊。過程層設備統一采用 Modbus通信，通過串口服務器或 WIFI設備服務器和將數據傳輸至以太網SCADA采集服務器，EMS系統從SCADA系統提取數據，并進行可視化展示。

4.平臺概述

??AcrelEMS-BP能效管理系統，集電力監控、能源管理、設備運維于一體。平臺采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對企業的生產、輸配和消耗環節實行集中扁平化的動態監控和數據化管理，監測企業電、水、氣、冷熱量及壓縮空氣等各類能源的消耗情況，通過數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助企業針對各種能源需求及用能情況、能源質量、產品能源單耗、各工序能耗、工藝、車間、產線、班組、重大能耗設備等的能源利用情況等進行能耗統計、同環比分析、能源成本分析、碳排分析，為企業加強能源管理，提高能源利用效率、挖掘節能潛力、節能評估提供基礎數據和支持。

4.1平臺組成

??安科瑞生物制藥能效管理系統是一個深度集成的自動化平臺，它集成35KV/10KV的10KV/O.4KV電力監控系統、智能馬達監控系統、能耗管理系統、電氣火災監控系統、防火門監控系統、消防設備電源系統、消防應急照明和疏散指示系統，充電樁管理系統。用戶可通過瀏覽器、手機APP獲取數據，通過一個平臺即可對制藥廠區全局的用電和用電安全進行集中監控、統一管理、統一調度，同時滿足用戶用電可靠、安全、穩定、有效、有序的要求。

4.2平臺拓撲圖

4.3平臺子系統

??（1）電力監控主要針對10/0.4kV地面或地下變電所，對變電所高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀表進行保護和監控，對0.4kV出線配置多功能計量儀表，用于測控出線回路電氣參數和用能情況，可實時監控高低壓供配電系統開關柜、變壓器微機保護測控裝置、發電機控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調、事故報警及記錄

（2）能耗管理系統

??建立的能耗監測管理系統，對生物制藥各點位的能源使用、報警等情況進行實時的監控。以便生物制藥用戶能夠實時的監測各個點位的運作情況，同時能更快速的掌握點位的報警，并為生物制藥削峰填谷、調整負載等技改措施提供數據支撐。

（3）馬達監控

??馬達監控實現對管廊電機的保護、遙測、遙信、遙控功能，實現對電機過載、短路、缺相、漏電等異常情況的保護、監測和報警。在需要的情況下可以設置聯動控制。

（4）智慧消防

??智慧消防云平臺基于物聯網、大數據、云計算等現代信息技術，將分散的火災自動報警設備、電氣火災監控設備、智慧煙感探測器、智慧消防用水等設備連接形成網絡，并對這些設備的狀態進行智能化感知、識別、定位，實時動態采集消防信息，通過云平臺進行數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助實現科學預警火災、網格化管理、落實多元責任監管等目標。實現了無人化值守智慧消防，實現智慧消防“自動化"、“智能化"、“系統化"需求。從火災預防，到火情報警，再到控制聯動，在統一的系統大平臺內運行，用戶、安保人員、監管單位都能夠通過平臺直觀地看到每一棟建筑物中各類消防設備和傳感器的運行狀況，并能夠在出現細節隱患、發生火情等緊急和非緊急情況下，在幾秒時間內，相關報警和事件信息通過手機短信、語音電話、郵件提醒和APP推送等手段，就迅速能夠迅速通知到達相關人員。