1、第 1 章 绪论1.1 研究背景及研究意义1.1.1 研究背景电能是国民生产中用到的重要的能源，在工农业以及关系国民生计的各个领域，稳定的生产秩序和健康的生活状态都与电能的可靠运行密不可分。在现实生活中，电力系统与终端用户相连接的是配电系统，电力系统中直接连接用户的是配电系统，因此配电系统的安全稳定运行与用户关系最为密切，且影响最为直接。配电系统的可靠性、安全性等性能直接关系到工农业生产的健康稳定，甚至直接关心到人民的生命安全，因此具有至关重要的作用。生产电能的品质以及电能供应的可靠性已经逐渐成为衡量国家电力发展和技术水平的重要指标，标志着社会和文明的进步水平。电力系统中，如果发生重大的电力事
2、故会给国家带来巨大的财产损失，还会给居民和社会造成混乱，甚至可能威胁到人民的生命安全，造成不堪设想的后果 1,2。供配电系统位于电力网的末端，向前连接电力系统的发电和输电系统，向后直接连接到消费电能的用户，在电力系统中占有着重要的地位。其组成包括一次设备和二次设备，一次设备包括降压变压器、馈电线路、高压断路器、隔离开关等，二次设备包括继电保护装置、自动化装置、测量仪表及电能计量仪表等。配电系统要想实现自动化功能，首先要考虑电网的安全性能，这就需要对电网的有关状态量、模拟量以及消耗的电度量进行监控。其次，要实现对电网的控制作用，远程主站发送控制指令，通过通讯网络给下层各开关设备发送命令，实现对现
3、场设备的直接控制。最后也是最重要的一点，是实现对电网的保护功能，主要是对电网故障位置、故障区域的判断，以及根据数据对可能出现的故障进行预判，在故障切除后恢复电网的正常运行。今年来社会的生产水平不断发展，自动控制水平也在不断的进步，人们在生产和生活中对电能质量的要求也不断提高，也越来越重视相关电能指标的情况，越来越多的电力相关部门、电能生产企业及工业企业开始意识到对电能指标进行监控的必要性。建立完善的供配电监控系统，对生产用电中的电能质量可能出现的问题进行预防和控制，必将为这些工业生产企业的供电系统带来巨大的收益，也会减少一些不必要的损失。1.1.2 研究意义自动化、数字化、智能化及安全性是现今
4、电力技术改革的重要方向和必然趋势，在供配电系统建立完善的监控和管理平台，对实现配电网的自动化、智能化具有有力的推进作用，可以在无人或者少人值班的情况下，通过对远程设备的监控和有效调度，可以加快供电服务的响应速度，维护正常的电网运行状况，对电能的可靠性、安全性提供重要的保障，而且具有显著的经济效应，可以做到生产力的充分利用。其优点主要可以提现在一下几个方面：（1）保障供电可靠性方面，随着计算机及网络通信等技术的发展，在供配电系统中采用计算机作为监控系统主站，通过高精度数据采集设备的使用和抗干扰能力较强的通讯设备，结合高性能的组态软件组态之后，可以满足系统对电能监控的需要。为了达到快速性和准确性的
5、目的，在掌握配电站运行状况、各路开关量的开关状况和电能消耗值信息的过程中，管理人员可以运用远动技术便捷的掌握本配电站的实时运行信息，在系统发生故障时能及时发现，并快速做出相应的措施排除故障，对配电系统的运行状况进行实时分析和灵活调度，实现了整个系统的数字化管理，提高了供配电系统的运行安全性、供电可靠性及运行状况直观可视性。（2）提高系统的经济效益，供配电监控系统完全运用计算机作为系统的操作平台，发挥了计算机的优越性，实现一次投资终身受益的下过，可以减少大量的设备维护及更新，更节约的人力成本，实现了生产力的充分利用。（3）数字化、智能化方面，供配电系统可以实现四遥功能，即遥测、遥控、遥信、遥视控
6、制，对系统运行中的主要参数进行整合并统一监控、管理，这样可以简化人力资源结构，降低现场操作人员的劳动强度。（4）通过组态软件实现了系统数据资源的共享和设备的档案管理，在组态软件中可以对配电系统实时运行中的数据或历史运行数据进行显示和查询，报表根据时间周期进行分类可以分为日报表、月报表和年报表，现场工作人员可以直接对系统生成的报表进行打印，提高了工作效率。监控系统可以建立数据库对采集到的系统电参数进行分类、统计和保存，便于以后的查看和调用。用户可以根据要查找对象的名称、日期或区域等信息进行检索，这使得数据查询或故障分析变得较为便捷。供配电监控管理系统还可以设定管理权限，根据不同人员设定不同的权限
7、和管理范围，方便管理人员对系统进行管理，也不影响操作人员的现场操作。从以上分析可以看出，供配电监控系统具有显著的优越性，因此对供配电管理系统进行研究具有广泛的意义和必要性，同时供配电监控系统也会得到越来越多的关注和广泛的使用。1.2 国内外供配电系统研究现状1.2.1 国外研究现状早在上世纪六十年代，国外就开始使用重合闸装置、分段装置、电网开关柜等高压开关设备，并对配电网线路故障实现了初步的控制。电子技术的发展和网络通信技术的不断进步，带动配电网运行自动化的迅速发展，逐渐形成了一种集监测、故障定位、数据联网管理等多种功能集于一身的配电网自动化方案。世界各国根据本国的世界情况，对配电网的发展也有
8、着不同的要求，但大体上可以分为以下几个方面:提高一次设备的性能和技术可靠性，避免存在潜在危险；在配电系统中应用先进的电子技术，提高二次设备的精度和控制性能；提高一次设备与二次控制设备之间的协调度，确保两端可靠连接；在较短的时间内确定故障所在位置，尽可能缩短维护时间，将停电影响降为最低；采用可编程的智能设备，自动隔离故障设备，在排除故障后迅速复位；建立和加强配电设备数据库的管理和负荷信息管理，实现经济运行 3,4。日本电网的突出特点是供电半径小，电网中的设备对主电源依赖性较强，因此对可靠性要求较高，配电网一般为 6kV 的电压等级，当供电系统采用环网方式时常使用重合断路器(具有 2, 3 次重合
9、闸功能)。变电站安装有短路故障显示器，可以根据测量得到的短路电流的大小推算得出故障点所在位置。线路末端的出口处配备有自动开关装置，可以实现通断短路电流、切除负荷电流的功能。欧美等国的配电线路结构主要是放射型结构，也具有喝高的供电可靠性，电压等级为14.4kV，采用中性点接地方式连接。采用数字化化重合器、分段器等装置来简化变电站系统保护，并采用大量的单相重合装置，大城市的配电系统以环网结构的多路供电方式为主。总的来说，国外对于配电系统自动化的实现越来越重视，其研究重点也转向一体化结构的配电网管理系统 DMS(Distribution Management System)。通信方式采用有线和无线两
10、种方式相结合。1.2.2 国内研究现状国内供配电监控系统的发展历程大致可以分为以下三个阶段:第一阶段，主要是依靠引进和学习国外自动化开关设备的使用来实现初步的开关设备自动化，通过开关设备之间的相互协调配合实现的主要功能有故障区域定位、故障隔离和供电自恢复。对处于初级阶段的供配电系统具有一定的推进作用，但也存在一些突出的缺点，如自主能力较弱，不能达到理想的自动化程度，且对故障的处理存在一定时间的延迟，系统的运行方式没有得到真正意义上的优化，当有故障发生或需要调整系统时，仍然需要有人员到现场进行参数修改等操作，灵活性较低且造成了劳动力的消耗，同时当故障发生后开关设备需要进行大量的闭合断开操作，加大
11、了现场装置的损耗，是电力设备的性能降低，也增加了电网运营成本。第二阶段，在供配电监控系统中嵌入 SCADA 系统，其系统硬件设备主要有:网络通信设备、计算机主站网络和馈线系统终端，计算机主站的主要功能是实现对位于远方终端的各配电子站进行监测与控制，并提供通讯支持，达到对配电系统监控的目的。正常运行状态下，系统的主要功能是对配电网进行数据监控和运行管理，最大程度的优化系统的运行状态；发生故障的情况下，能及时处理，减少故障处理时间。其主要缺点是需要借助通信系统，且系统的运行对计算机主站具有较强的依赖性。第三阶段是对第二阶段的继承与改进，主要是在系统中运用组态软件，并加入控制技术、网络通信等技术，使
12、得整个供配电系统的监控仅由一台上位计算机就可以完成，并且可以实现多个系统之间的资源共享，实现对区域配电系统的一体化管理。随着我国工业水平的不断发展，国家对配电系统的重视程度也不断提高，也逐渐加强的城乡电网的改造力度，供配电监控的自动化程度也不断加深，供电企业的劳动力消耗也得到了减轻。供配电监控系统的建立，可以现代企业的管理水平，为用电居民提供更可靠且廉价的电能，也可以为用电企业提供更高品质的电能，同时也提高了工业企业的设备安全性。1.3 本文的主要工作本论文的主要工作是为一栋三十层的写字楼设计供配电监控系统。此写字楼的配电室位于楼内一层较偏僻的角落，电源为两路 10kV 电源，采用两端供电方式
13、，两路电源互为热备用。主线路采用单母线分段接线方式，联结两端母线的断路器称为母联断路器。正常运行情况下两侧电源都投入运行，各自承担一半负载，此时母联断路器断开；当有一路电源出现故障而停止工作时，母联断路器由断开转为闭合状态，由未故障一侧电源来承担系统的全部负荷。监控系统主要实现以下功能：（1）对配电系统中的各种电参数进行实时采集，包括各种开关量、电压值、电流值等，并对采集的数据存储到系统的数据库中。（2）对变配电系统中线路、变压器及各种装置的状态进行监控，将系统中的各种参数、信号、开关状态等以图画的形式实时显示在监控界面中。利用系统监控组态软件即可实现对远程设备的分合闸操作，且较为可靠。（3）
14、记录系统参数的报警信息。系统对所要监控的变量进行设置的同时，可以对所测参数进行阈值的设置，当测量值大于最大值或小于最小值时即触发一次报警事件，同时对报警事件及信息进行记录。（4）事件顺序记录（Sequence of Events，SOE）查询。可以完整的记录操作人员对系统的操作及系统内部所发生的事件，包括保护装置的动作及重合闸装置的动作等。SOE 记录可以由上位监控机或 RTU 产生，然后将信息传送到监控系统的上位机进行显示和存储，用于历史查询。（5）实时负荷曲线显示。以曲线的形式实时显示出变配电系统中主线路的负荷变化。（6）报表统计。以报表的形式将采集到的系统数据进行显示，在连接打印机的情况
15、下还可以打印输出报表。第 2 章 供配电系统设计要求及硬件组成2.1 系统总体结构设计根据系统内设备的功能对系统进行分层，可分为现场采集层、通信网络层和监控管理层 3 个层次， 如图 2-1 所示。上 位 机（ 主 站 ）上 位 机（ 备 用 ）R S 2 3 2监 控 管理 层智 能 配 电 柜R S 2 3 2 / R S 4 8 5接 口R S 4 8 5通 信 传输 层现 场 设备 层M o d b u s 现 场 总 线智 能 配 电 柜电力仪表智能断路器无功补偿电力仪表智能断路器无功补偿图 2-1 供配电监控系统总体结构图（1）现场设备层。现场设备主要的主要设备是智能配电柜，智能配
16、电柜主要由智能仪表及各种传感器组成。智能型配电柜连接有智能断路器、电力计量仪表和无功补偿设备等，结合继电器保护装置对母线、母联开关及回路进行全方位的保护和监测，并且系统采用的各种设备都配有 RS-485 通信端口。系统的上位机软件可以通过通讯系统对现场设备层的各种电力数据进行检测，如电压、电流、有功功率等，也可以对断路器、隔离开关的分合状态进行监控，如果有参数越界的情况则执行报警。现场设备层的各个智能配电装置需要进行地质的分配，可以在上位机软件上清楚的显示出各个地址设备的信息，方便查询各个配电线路。（2）通信传输层。整个监控系统中，通信网络是监控系统的神经枢纽，为现场的智能配电装置与计算机上位
17、机系统提供数据传输的通道。本设计采用的 Modbus 通讯协议的具体内容将在第三章中介绍。（3）监控管理层。监控管理层主要由上位机计算机和组态软件所组成，组态软件主要实现数据的采集、用户界面的制作、数据存储和故障事件记录等功能。为了保证上位机监控的可靠性，避免不必要的故障，应设置一台同样的上位机设备作为备用。2.2 现场总线技术介绍2.2.1 RS-232 总线简介RS-232 总线是串行数据接口标准，是美国电子工业协会 EIA(Electronic Industry Association)制定的一种串行物理接口标准。RS(Recommended Standard-232)是英文简写，232
18、 为标识号，它规定了连接通道、机械、电气特点、功能特性及传送过程。RS-232 总线是工业控制领域应用最多的一种串行接口方式，被定义为一种低速率串行通信的单端标准。RS-232 串行协议的传输其格式如图 2-2 所示。它的特点是以起始位开始，停止位结束，按照字符顺序依次进行传输，且每个字符之间的时间间隔无固定要求。起始位位于字符串的首端，通常为低电平，用逻辑值 0 表示，起始位之后为 5-8 位数据位，接着字符后面是一位校验位，校验位可有可无视情况而定。位于最后的是一位停止位，空闲位位于整条指令的末端，其长度不固定。一般情况下停止位和空闲位都设定为高电平，这样在读取下一条指令是，由于起始位都是
19、低电平，所以这是必然会产生一个下跳沿。RS-232 虽然具有通讯可靠性高的特点，但是其无法实现远距离通信，只能实现点对点的通信，当系统中设备众多的情况下不能直接组成多点通信的网络。为了增加 RS-232的通信距离，并将 RS232 节点组成通信网络，一般使用 RS232/RS485 信号转换器配合RS485 通讯来构建通讯网络。1010001010停 止 位校 验起 始 位图 2-22.2.2 RS-485 总线简介RS485 总线现代工业通讯领域的标准之一。RS-485 总线网络结构图如图 2-2 所示，是由上位机和数据采集器组成的通讯系统，上位机作为主机（Master），数据采集器作为从机
20、（Slaver）。通讯网络中只能有一个主机，从机无法主动与主机进行通讯，只能响应主机的指令。上位机作为主设备，可以主动向系统内的从机设备发送指令和数据。而数据采集器作为从设备监听总线，随时准备响应总线指令，回应上位机。上位机数据采集器 1数据采集器 2数据采集器 3图 2-2 RS-485 总线结构图2.3 数据采集设备介绍2.3.1 智能电力仪表简述随着现代电力系统、工业企业及一些智能建筑中对电力监控系统的要求不断提高，功能强大的智能电力仪表也应运而生。它能对系统中常用的电参数进行测量，如三相电流、电压，有功功率、无功功率、电度数等。此外，具有一些智能仪表还具有联网通讯的功能。中国市场中的智
21、能电力仪表最早出现在 2000 年左右，使用初期的用户主要是电力、石化等高端企业，它代替了传统指针表和电量变送器，产品的提供主要依赖于外国电气公司。随着用户对电能质量的要求日趋提高，配用电系统实现数字化、智能化也成为大势所趋，从而加快了智能电力仪表的普及力度，国内许多品牌的智能仪表纷纷崛起，打破了国外品牌的垄断局面。国内市场中较为出名的外国品牌主要有施耐德、西门子、三菱等，自主品牌主要为斯菲尔、安科瑞、珠海派诺等。随着国家对智能电网建设的不断深入，智能仪表领域也迎来了新的革命，智能电力仪表也迎来了新的发展机遇。目前，应用于用户终端的智能化建设主要分为智能配电系统、信息管理系统、智能建筑系统等，
22、在这些系统的建设中，智能仪表都发挥着不可替代的作用。根据应用场合的不同，可以选择不同功能的仪表，智能仪表根据功能的不同可以分为三个大类，即电气量监控仪表、电能质量仪表、电气安全仪表。2.3.2 智能电力仪表的选择本文选用的电力数据采集设备来自江苏江阴斯菲尔电气股份有限公司，其型号为D194Z 系列，产品展示图如图 2-3 所示。其内部集成了高精度的传感器，用于测量三相电网中的所有常用电力参数：三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、频率、功率因数等，还能够监控开关设备的状态、对监控参数进行越限报警及实现通讯等功能，支持Modbus-RTU 协议串行通讯。作为一种用于电网前端的数据采集装置，本仪表具有先进的智能化、数字化特性，可以广泛应用于能源管理系统、配电自动化、智能建筑及智能开关柜中；且具有丰富的接线方式，根据用户需要来选择，满足各种状况下的现场需要。图 2-3 江阴斯菲尔 PD194Z 型仪表PD194Z 型仪表的内部原理图如图 2-4 所示，根据其功能大致可分为三部分。第一部分承担着电能转换的任务，将电源中的高电压强电信号转换为低压控制信号。电源的设计采用通用的交、直流输入接口，具有传输效率高、电压范围宽、体积较小的特点。采用具
