电网用户侧智能电力监控系统拓扑结构的设计

本文以Acrel-2000智能电力监控系统的三层网络拓扑结构为核心，分析了网络拓扑结构的选型，以及智能电力监控系统功能和性能指标。

1概述

智能电力监控系统是数字化和信息化时代应运而生的产物，已经被广泛应用于电网用户侧楼宇、体育场馆、科研设施、机场、交通、医院、电力和石化行业等诸多领域的高/低压变配电系统中。例如，随着信息技术的发展，智能建筑已成为城市现代化、信息化的重要标志。智能建筑的组成通常有三个要素，即建筑物自动化系统(BAS)、通讯自动化系统(CAS)和办公自动化系统(OAS)。BAS是对整个系统进行综合控制管理的统一体，它以计算机局域网络为通信基础，用于设备运行管理、数据采集和过程控制。智能电力监控系统便是BAS中的一个重要组成部分，通过智能电力监控系统可大大提高整个变配电系统的管理水平,方便地与其它BAS联网,构成完整的楼宇自动化管理系统。因此，智能电力监控系统是智能建筑必不可少的组成部分,可以说没有智能电力监控的建筑称不上是智能建筑。

智能电力监控系统对高压开关柜、低压开关柜、应急发电机组、电力变压器和EPS/UPS/ATS等的工作状态进行监控。通过实时记录单相/三相电压、单相/三相电流、功率、功率因数、电度、频率和电流开关状态等各项参数实现监测，当参数值超出允许的范围时便产生预警、报警，并对相关设备进行控制。它以较少的投资，极大地提高了供配电系统的可靠性、安全性和自动化水平。

2系统网络拓扑的结构

智能电力监控系统是由智能测控装置、网络设备及计算机设备等互联布局而成。系统因项目规模不同、功能性能不同、重要程度不同、用户投资水平不同，可采取不同的拓扑结构。但是无论采取何种拓扑结构都是采用了“站控管理层--网络通讯层--现场设备层”的分层分布式设计思想。这种分层设计，符合当前通讯体系设计实现的标准，在每层都能相对地完成监视控制功能，即可以实现远方的监视控制，也能够在上层故障时不影响本层和下一层的功能。Acrel-2000智能电力监控系统网络拓扑结构如图1所示。

图1系统网络拓扑图

各个结构层的具体形式如下：

(1)主站层(站控管理层)

位于监控室内，具体包括：安装有智能电力监控系统的后台主机等相关外设。负责将通讯间隔层上传的数据解包，进行集中管理和分析，执行相关操作，负责整个变配电系统的整体监控。智能电力监控系统提供专用的通讯功能模块，通过专用的以太网硬件通讯接口，以OPC方式或其它通讯协议向上一级系统(如：BAS、DCS或调度系统)发送相关的数据和信息，实现系统的集成。

(2)通讯间隔层(网络通讯层)

采用通讯管理机，负责与现场设备层的各类装置进行通讯，采集各类装置的数据、参数，进行处理后集中打包传输到主站层，同时作为中转单元，接受主站层下发的指令，转发给现场设备层各类装置。

(3)现场设备层

位于中低压变配电现场，具体包括：微机保护装置、多功能仪表、直流屏、温湿控制器、电动机保护器等。负责采集电力现场的各类数据和信息状态，发送给通讯间隔层，同时也作为执行单元，执行通讯间隔层下发的各类指令。

3系统网络拓扑结构的选型

在智能变配电系统设计时，需要准确判断网络拓扑结构，对网络设备正确选择。系统的可靠性、稳定性、实时性等方面的性能与网络拓扑结构有着密切的关系。

3.1整体要求

智能电力监控系统的拓扑结构虽然可以统一为三层结构，但是对整体网络结构及分层细节设计十分重要，设计选型过程会受到诸多因素的制约。因此，网络结构选型是设计院、用户及系统集成商进行决策的重点环节，将对项目的整体报价与系统性能产生很大的影响。

网络结构选型需要考虑系统功能、项目规模等因素。

3.1.1系统功能的要求

智能变配电系统按功能可划分为以下几种：

(1)监视型

只监视不控制。只对系统的运行、故障状态和运行参数进行集中实时监测和自动采集、记录，不具备远程操作等控制功能。

(2)控制型

包括监视型的全部功能，同时可以人工对设备进行远程控制、参数设置。

(3)自动型

包括控制型的全部功能，同时可以进行设备节能运行控制、逻辑控制、顺序控制等。

(4)复合型

上述功能与用户特殊需求的组合。系统功能的复杂性越高，对网络结构与系统处理能力的要求越高，主要体现在对拓扑结构的冗余设计、设备数量、设备型号、现场总线的选择上。

3.1.2项目规模的要求

在不考虑其它因素的前提下，项目规模往往是确定网络拓扑结构的首要因素。智能电力监控系统首先要满足系统的基本运行要求，还需满足系统的可扩展性，但是应避免设计余量过大，造成项目投资过大，带来不必要的浪费。设计前对项目进行深入的了解，考察项目的一次设备分布、距离间隔与设备数量。一次设备分布及距离间隔是确定通讯间隔层通讯子站数量的依据，一个子区域的设备数量是确定通讯子站类型及通讯接口的依据。项目整体设备数量与子站数量是确定主站层结构的依据。典型的系统结构有集中监控系统模式，区域供电集中监控系统模式以及光纤自愈环网集中监控模式。如图2是区域供电集中监控系统模式的示意图。

图2电力智能监控系统的区域供电集中监控模式

3.2主站层设计

智能电力监控系统的主站用于运行专业化的电力监控软件，拥有强大且性能优越的实时数据库管理系统。网络结构设计的目的是满足用户运行维护的需求，保证系统稳定性高、可靠性好、实时性强。对拓扑结构的设计方法主要有：冗余设计、计算机设备数量的选择、设备型号的选配。

电力监控软件多采用C/S结构，系统功能可根据需要集中布局或分布布局，主站层网络可采用双以太网、双主机、双通讯机等冗余技术。这些技术对系统的性能影响较大，同时对系统的造价也产生很大的影响。

冗余技术包括网络冗余、数据库冗余、通讯冗余等。冗余设计的目的在于提高系统的可靠性，从而提高系统的性能。冗余设计首先需要监控软件支持冗余运行及动态快速切换，还需要计算机设备或网络设备的支持。主站层的配置方式有：单主机、单通讯机、双主机、双通讯机及功能的组合。对于上述冗余方式，对配置两台及以上计算机的项目可以引入网络冗余，以提高网络的可靠性，每台计算机需要配置双网卡，需配置两台以太网交换机。

3.3通讯间隔层设计

通讯间隔层处于通讯枢纽的地位，向上连接主站层，向下贯通现场设备层，是影响整体拓扑结构的关键环节，是智能配电系统运行的纽带。智能监控设备的信息通过通讯总线送到通讯间隔层通讯子站，然后将采集的所有运行/故障状态信号和运行参数等信息通过通讯网络上传至主站，各通讯子站接收来自主站的远程控制命令对该变配电站相应的配电设备进行控制。

目前通讯间隔层的上行网络极大多数采用以太网方式，极特殊情况下受通讯条件的限制采用串行通讯方式，在有特殊设备要求的情况下采用PROFIBUS网络(如采用SIEMENS的PLC作为通讯子站)。

通讯间隔层的下行网络目前极大多数采用现场总线方式，智能配电系统常用的现场总线有RS232、RS422、RS485、CANBUS、MODBUS、PROFIBUS等，现场总线方式由选择的现场智能仪表或第三方智能设备确定。以太网方式是未来的发展趋势，但是支持的现场智能设备太少，目前只应用于110kV及以上电压等级的高压变电站内。

通讯间隔层通讯子站的数量与监控的一次设备地理分布密切相关，一般采取就近监控的原则，还需考虑子站的通讯容量、用户投资成本来综合确定。通讯间隔层的通讯子站是该层的关键设备，根据项目的不同要求可采取不同的设备类型，目前，比较流行的方式：工控机、HMI、PLC、串口服务器等。

3.4现场设备层设计

现场设备层位于中低压变配电现场，具体包括：中压继电保护装置、现场I/O、智能电力仪表、PLC、温控仪、UPS、EPS、ATS、直流屏、发电机等智能监控设备。负责采集电力现场的各类数据和信息状态，发送给通讯间隔层，同时也作为执行单元，执行通讯间隔层下发的各类指令。

4网络管理系统功能

智能电力监控系统应具有完善的网络管理功能，网络的拓扑结构自上而下呈金字塔结构，越向下网络结构越复杂，设备种类越多，设备数量越大，越难于管理与维护。安科瑞(Acrel)公司开发的Acrel-2000电力监控系统具有强大、先进的网络管理子系统，把供配电系统的运行设备和运行状态置于毫秒级、周波级的连续精确的监视控制中。

a、友好的人机交互界面(HMI)

标准的变配电系统具有CAD一次单线图显示中、低压配电网络的接线情况;庞大的系统具有多画面切换及画面导航的功能;分散的配电系统具有空间地理平面的系统主画面。主画面可直观显示各回路的运行状态，并具有回路带电、非带电及故障着色的功能。主要电参量直接显示于人机交互界面并实时刷新。

b、用户管理

本软件可对不同级别的用户赋予不同权限，从而保证系统在运行过程中的安全性和可靠性。如对某重要回路的合/分闸操作，需操作员级用户输入操作口令外，还需工程师级用户输入确认口令后方可完成该操作。

c、数据采集处理

Acrel-2000型电力监控系统可实时和定时采集现场设备的各电参量及开关量状态(包括三相电压、电流、功率、功率因数、频率、电能、温度、开关位置、设备运行状态等)，将采集到的数据或直接显示、或通过统计计算生成新的直观的数据信息再显示(总系统功率、负荷最大值、功率因数上下限等)，并对重要的信息量进行数据库存储。

d、趋势曲线分析

系统提供了实时曲线和历史趋势两种曲线分析界面，通过调用相关回路实时曲线界面分析该回路当前的负荷运行状况。如通过调用某配出回路的实时曲线可分析该回路的电气设备所引起的信号波动情况。系统的历史趋势即系统对所有已存储数据均可查看其历史趋势，方便工程人员对监测的配电网络进行质量分析。

e、报表管理

系统具有标准的电能报表格式并可根据用户需求设计符合其需要的报表格式，系统可自动统计。可自动生成各种类型的实时运行报表、历史报表、事件故障及告警记录报表、操作记录报表等，可以查询和打印系统记录的所有数据值，自动生成电能的日、月、季、年度报表，根据复费率的时段及费率的设定值生成电能的费率报表，查询打印的起点、间隔等参数可自行设置;系统设计还可根据用户需求量身定制满足不同要求的报表输出功能。

f、事件记录和故障报警

系统对所有用户操作、开关变位、参量越限及其它用户实际需求的事件均具有详细的记录功能，包括事件发生的时间位置，当前值班人员事件是否确认等信息，对开关变位、参量越限等信息还具有声音报警功能，同时自动对运行设备发送控制指令或提示值班人员迅速排除故障。

g、五遥功能

Acrel-2000型电力监控系统不仅能实现常规的“遥信”、“遥控”、“遥测”、“遥调”功能，还可以实现“遥设”功能。

l遥信：实时对开关运行状态、保护工作等开关量进行监视。计算机实时显示和自动报警。

l遥控：通过计算机屏幕选择相应的站号、开关号、合/分闸等信息，并在屏幕上将选择的开关状态反馈出来，确认后执行，实时记录操作时间、类型、合开关号等。

l遥测：通过计算机实时对系统电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、超限报警、频率进行不断地采集、分析、处理、记录、显示曲线、棒图，自动生成报表。

l遥调：用于有载变压器的调压升/降。

l遥设：用于远方修改分散继电保护装置的定值、控制字;以及调整各种仪表的工作状态。

5系统的性能指标

序号 内   容 指标 序号 内   容 指标

1 事件记录正确率 ≥99.9% 8 事故时遥信变位传送时间 ≤1s

2 遥信正确率 100% 9 事故推画面时间 ＜2s

3 遥控正确率 100% 10 遥信变位 ＜1s

4 遥调正确率 100% 11 遥控过程完成 ＜3s

5 遥测正确率 ≥99.9% 12 模拟量测量综合误差 ＜0.5%

6 重要遥测更新周期 ＜2s 13 电网频率测量误差 ＜0.01Hz

7 一般遥测更新周期 ＜3s    

6结束语

本文以Acrel-2000智能电力监控系统的三层网络拓扑结构为核心，分析了网络拓扑结构的选型，以及Acrel-2000电力监控系统的功能和性能指标。在电力监控系统中，配置网络电力仪表具有实施简明、投资少等显着优点，可以方便和实时地监控配电系统的运行状态，对现场的用电设备进行统一管理，免去工作人员到现场记录的繁琐工作，系统对各种用电设备的历史运行数据和状态进行管理分析，便于维护人员明确设备状况，制定详细的设备维护计划，减少工作人员，提高效率。同时，根据建立的电能计量体系，可以了解、分析建筑总体能耗，提出降耗计划，采取节能降耗措施，逐步提高用电效率。