1、羅克韋爾自動(dòng)化基于網(wǎng)絡(luò)的電力/能源管理方案及其應(yīng)用李鳳閣佟為明林景波梁慧敏(哈爾濱工業(yè)大學(xué)羅克韋爾自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室150001摘要電力能源成本影響著企業(yè)的最終利潤(rùn),企業(yè)若要獲得最大的能源投資回報(bào),就需對(duì)能源進(jìn)行有效的管理。羅克韋爾自動(dòng)化電力/能源管理方案可以幫助企業(yè)管理其最昂貴的生產(chǎn)資料之一電能的費(fèi)用、可靠性和質(zhì)量,幾乎適用于企業(yè)電力能源管理的所有應(yīng)用。介紹了該方案的構(gòu)成、特點(diǎn)、功能及應(yīng)用。關(guān)鍵詞電力系統(tǒng)能源管理自動(dòng)化1引言隨著電力工業(yè)的飛速發(fā)展,電力生產(chǎn)、傳輸、分配和消耗的相互依賴(lài)性越來(lái)越重要。這就為發(fā)電廠、供電部門(mén)和用電部門(mén)提供了重新思考其電力自動(dòng)化解決方案的機(jī)會(huì)。羅克韋爾自動(dòng)化推出的電力/能

2、源管理方案(Power and Energy Management Solutions,以下簡(jiǎn)稱(chēng)PEMS是采用開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和大型數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)和電能計(jì)費(fèi)系統(tǒng)。具有防誤操作互鎖裝置,分布式微機(jī)遠(yuǎn)方終端裝置,電能采集終端裝置,通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器,調(diào)制解調(diào)器等,能夠完全實(shí)現(xiàn)電力負(fù)荷管理的自動(dòng)化。PEMS是一種既適用于電力生產(chǎn)者又適用于電力使用者的優(yōu)選方案。2基于網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其功能211網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通信是傳送能源管理信息的關(guān)鍵,羅克韋爾的PEMS包括現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)的信息層、控制層、設(shè)備層三層網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)可靠的控制功能,并提供了開(kāi)放的通信平臺(tái)。圖1是典型的PEMS通信結(jié)構(gòu)示意

3、圖。圖中,上層是信息網(wǎng),硬件主要以連接到以太網(wǎng)上的PLC、PC機(jī)或工作站為主,完成能源信息的管理任務(wù);中間是控制網(wǎng),通過(guò)對(duì)等通信網(wǎng)絡(luò)如ControlNet、DH+網(wǎng)等將PLC、工控機(jī)以及各種人機(jī)界面連接在一起實(shí)現(xiàn)信息交換,用于完成有較高要求的系統(tǒng)控制;底層是設(shè)備網(wǎng)或遠(yuǎn)程I/O 網(wǎng),用于連接工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備,并通過(guò)PLC與上層網(wǎng)絡(luò)通信,實(shí)現(xiàn)與上層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳送及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制功能。由圖1可見(jiàn),PEMS中的所有硬件設(shè)備都可以直接連到這個(gè)開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上,實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)上的計(jì)算機(jī)、PLC和人機(jī)接口等設(shè)備的數(shù)據(jù)通信功能 。圖1PEMS通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖在PEMS的通信結(jié)構(gòu)中,PLC控制器具有重要作用,它能把

4、幾種不同的工業(yè)通信協(xié)議集成到一個(gè)平臺(tái)中,包括主機(jī)和遠(yuǎn)程SCADA功能。電力監(jiān)控器也可以通過(guò)插入不同的智能通信卡直接連接到這個(gè)開(kāi)放的通信網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上,其中以太網(wǎng)通信卡還包括一個(gè)內(nèi)置的HTML網(wǎng)頁(yè),供互聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)直接讀取電力監(jiān)控器采集的數(shù)據(jù)。212PEMS功能羅克韋爾自動(dòng)化提供的PEMS主要功能有:(1開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)PEMS提供的具有開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)通信結(jié)構(gòu)的系統(tǒng),可以充分利用現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò),避免增加特殊數(shù)據(jù)協(xié)議及相關(guān)聯(lián)的成本,而且提供系統(tǒng)擴(kuò)展和改進(jìn)的最大靈活性。網(wǎng)絡(luò)中各控17電力電氣電工技術(shù)雜志2004年第12期制器和設(shè)備既可以相互通信,又可以完成獨(dú)立控制功能。(2實(shí)時(shí)電力監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)控電力系統(tǒng)參數(shù),通過(guò)對(duì)

5、電壓、電流、頻率和電力傳輸系統(tǒng)設(shè)備(變壓器、發(fā)電機(jī)、斷路器、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、冷卻風(fēng)扇等狀態(tài)的檢測(cè)、顯示、記錄、分析趨勢(shì)及預(yù)警電力系統(tǒng)信息等,為用戶(hù)提供快速、精確的電力系統(tǒng)參數(shù)和信息,顯示配電系統(tǒng)的功效。(3負(fù)載分析測(cè)量和記錄能源的使用情況,以便確定負(fù)載系數(shù),識(shí)別高峰周期需求與設(shè)備運(yùn)行相關(guān)的消耗,并用圖表形式顯示能源消耗方式,將工廠作業(yè)與能源使用相結(jié)合。(4成本核算測(cè)量和記錄能源使用情況,以便核實(shí)各部門(mén)、生產(chǎn)過(guò)程和整個(gè)企業(yè)的電費(fèi)帳單、分析能源費(fèi)率、從而確定能源花費(fèi)流向。(5電能需求管理通過(guò)尖峰期或發(fā)電機(jī)組的控制、負(fù)荷聯(lián)鎖、負(fù)荷卸載、負(fù)荷調(diào)整等功能,來(lái)判斷瞬時(shí)需求,在整個(gè)需求周期內(nèi)進(jìn)行動(dòng)態(tài)需求規(guī)劃,實(shí)現(xiàn)

6、實(shí)時(shí)電力使用管理,從而節(jié)省電費(fèi)用量。(6供電質(zhì)量監(jiān)測(cè)通過(guò)對(duì)影響電能質(zhì)量的電壓和電流不平衡度、電壓和電流峰值因數(shù)、諧波畸變百分比等參數(shù)的測(cè)量、顯示、記錄趨勢(shì)分析和預(yù)報(bào)警等來(lái)識(shí)別電力系統(tǒng)的異?，F(xiàn)象。(7緊急卸載此功能可以在突然損失電源的情況下保護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過(guò)確定系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),估算損失電源和保留的負(fù)載,并在100ms 內(nèi)完成卸載,從而保護(hù)重要負(fù)載以避免由于意外的電源損失而引起的整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓。(8電力系統(tǒng)控制通過(guò)負(fù)載調(diào)節(jié)裝置、發(fā)電機(jī)、電容器組、過(guò)濾機(jī)組等來(lái)控制系統(tǒng)的電壓、功率因數(shù)或諧波等參數(shù),從而保證供電質(zhì)量。3系統(tǒng)硬件與軟件羅克韋爾PEMS 開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和強(qiáng)大的監(jiān)控功能是與其提供的性能卓

7、越的硬件和軟件分不開(kāi)的。311系統(tǒng)硬件羅克韋爾自動(dòng)化的PEMS 采用標(biāo)準(zhǔn)的硬件和軟件以及嚴(yán)格的工程規(guī)范,提供一整套專(zhuān)為滿(mǎn)足企業(yè)特殊要求而配置的外設(shè)系統(tǒng),可針對(duì)用戶(hù)的電力和能源管理需求提供不同的解決方案。主要有A 2B 品牌可編程序控制器(PLC 、電力監(jiān)控器、變頻器、智能電動(dòng)機(jī)控制器、人機(jī)界面產(chǎn)品(HM I ;瑞恩的優(yōu)質(zhì)高效感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、變頻電動(dòng)機(jī);Kate發(fā)電機(jī)和電力調(diào)節(jié)裝置等一系列設(shè)備。這些設(shè)備都已進(jìn)行了廣泛的自身測(cè)試。例如,為了避免由于變頻器和電動(dòng)機(jī)不匹配而產(chǎn)生的斬波,提供了一系列變頻器、電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī),從而可以準(zhǔn)確地按容量選擇,不僅保證了設(shè)備的互操作性,也減少了系統(tǒng)的停機(jī)時(shí)間。在眾多的硬

8、件設(shè)備中,PLC 和電力監(jiān)控器是PEMS 中控制和檢測(cè)的核心部件。A 2B 品牌的各系列PLC 可編程序控制器已廣泛應(yīng)用于模擬量控制以及傳統(tǒng)的數(shù)字量控制中,而且非常容易集成到現(xiàn)有的分布式控制系統(tǒng)中。同樣,基于PLC 的SCA 2DA 系統(tǒng)能夠?qū)﹄娏鬏敽头峙湎到y(tǒng)提供價(jià)格合理的遠(yuǎn)程通信及控制。PLC 是各個(gè)功能層次應(yīng)用中費(fèi)用少、效率高和技術(shù)上可行的首選設(shè)備。羅克韋爾A 2B 品牌的Powermonitor TM (簡(jiǎn)稱(chēng)PM Powermonitor3000TM (簡(jiǎn)稱(chēng)PM3000電力監(jiān)控器是一種適合于各種應(yīng)用場(chǎng)合的電力監(jiān)測(cè)和控制裝置,提供電力管理和電能計(jì)費(fèi)所必需的信息。同時(shí)還采用了現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)和電力

9、監(jiān)控專(zhuān)用微處理器技術(shù),簡(jiǎn)化了輸入裝置,取消了通用儀表,使設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊,還可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)將電力系統(tǒng)與企業(yè)的局域網(wǎng)和以太網(wǎng)互連,以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。在監(jiān)測(cè)性能上,PM 和PM3000除具有電壓、電流、相序、頻率、功率、功率因數(shù)、電能、諧波分析等監(jiān)測(cè)功能外,還有事件記錄、最值記錄、瞬態(tài)記錄、故障錄波、事故預(yù)報(bào)分析、電網(wǎng)質(zhì)量分析和電能需求管理等功能。四路開(kāi)關(guān)量輸入和兩對(duì)繼電器觸點(diǎn)輸出接口,用于檢測(cè)和控制電力系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行狀況。電力監(jiān)控器還支持20個(gè)同步的設(shè)定點(diǎn)控制,可以將被測(cè)參數(shù)與設(shè)定點(diǎn)的設(shè)定條件進(jìn)行比較,來(lái)判斷數(shù)據(jù)的狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)報(bào)警、控制繼電器和觸發(fā)其他內(nèi)部事件的功能。312系統(tǒng)軟件羅克韋

10、爾PEMS 的軟件與硬件相互配合有效地解決了電力系統(tǒng)監(jiān)控和管理的問(wèn)題。用羅克韋爾的RSPower32、RSEnergy ,或RSView32軟件與RSLinx 軟件配合可以在計(jì)算機(jī)上獲取電力監(jiān)控系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù),并對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行控制。其中RSView 是通用上位機(jī)組態(tài)軟件,RSLinx 是通信驅(qū)動(dòng)軟件。27電工技術(shù)雜志2004年第12期羅克韋爾自動(dòng)化基于網(wǎng)絡(luò)的電力/能源管理方案及其應(yīng)用RSPower 和RSEnergy 是專(zhuān)為電力監(jiān)控系統(tǒng)而開(kāi)發(fā)的監(jiān)控軟件,安裝了該軟件的計(jì)算機(jī)可以對(duì)電力系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)的電力設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控,在計(jì)算機(jī)上就會(huì)有電力參數(shù)的瀏覽頁(yè)、諧波分析頁(yè)、故障錄波和事件記錄頁(yè)等,可以很方便地

11、用來(lái)記錄文件、監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)參數(shù)、分析諧波數(shù)據(jù)、記錄波形參數(shù)等。同時(shí)監(jiān)控界面上還提供了對(duì)電力監(jiān)控參數(shù)的磁盤(pán)保存、打印(包括電壓、電流、功率、諧波、錄波等參數(shù)的功能,這樣就更便于對(duì)一些電力參數(shù)的監(jiān)控和管理。4PEMS 應(yīng)用羅克韋爾自動(dòng)化提供的電力能源管理方案的諸多功能,完全有能力實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部電網(wǎng)的自動(dòng)平衡、自動(dòng)監(jiān)控,運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷的前期預(yù)測(cè)和控制,是企業(yè)節(jié)能開(kāi)源的優(yōu)選方案,在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。例如:美國(guó)生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼材的企業(yè)Republic Technologies International 公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)R TI 在俄亥俄州坎頓市的工廠,原來(lái)的電力控制系統(tǒng)可靠性差,而且過(guò)分保守的需求控制算法,

12、使每月的電能費(fèi)用占運(yùn)營(yíng)費(fèi)用相當(dāng)大的比例,在很大程度上影響了生產(chǎn)力。羅克韋爾自動(dòng)化為該廠提供的新的基于PLC 5控制結(jié)構(gòu)的解決方案如圖2所示,系統(tǒng)中除PLC 5控制器外,包括PM II 電力監(jiān)控器,通過(guò)光纜連接的遠(yuǎn)程I/O 網(wǎng)(RIO 和數(shù)個(gè)分布在工廠各區(qū)的操作員站 。圖2RTI 新的電力管理系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖在該方案中,控制器采用一對(duì)帶備用通信模塊的冗余PLC 5處理器,連接到現(xiàn)有的工廠級(jí)控制以太網(wǎng)上,安裝在高爐上的遠(yuǎn)程I/O (RIO 控制節(jié)點(diǎn)通過(guò)一個(gè)冗余光纖回路與PLC 5/40E 處理器通信。安裝在工廠電力網(wǎng)上的PM 電力監(jiān)控器作為PLC 5/40E 的遠(yuǎn)程I/O 節(jié)點(diǎn),通過(guò)PLC 向工作站

13、提供電能質(zhì)量數(shù)據(jù)。系統(tǒng)中還提供了4個(gè)專(zhuān)門(mén)的操作員站,其中包括一個(gè)主站,一個(gè)備用工作站和一個(gè)位于2號(hào)高爐的撥號(hào)服務(wù)器,還有一個(gè)專(zhuān)門(mén)的操作員終端安裝在爐工工作室,控制室還添加了一個(gè)集成參數(shù)匯總界面。在工廠的不同地方都能監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。R TI 新的高爐供電控制方案每隔5s 預(yù)測(cè)一次工廠電力網(wǎng)和高爐的能源用量,系統(tǒng)的算法高度精確,將能源消耗控制在設(shè)定范圍內(nèi),還具有可實(shí)時(shí)實(shí)地對(duì)電力購(gòu)買(mǎi)做出反應(yīng)的功能?？刂葡到y(tǒng)中的電力監(jiān)控器與監(jiān)控軟件配合提供具體的電源質(zhì)量信息,如電壓、電流、功率因數(shù)、諧波畸變等,還能跟蹤并預(yù)警圖表記錄器很難確定的瞬時(shí)電壓偏移;可自動(dòng)生成一系列表格式和圖形式的報(bào)表,包括日?qǐng)?bào)表、周和月

14、需求提要表和能源使用表等;提供4級(jí)報(bào)警,其中一些報(bào)警與電力公司的計(jì)量表和需求時(shí)限有關(guān),對(duì)特定的嚴(yán)重報(bào)警可激活自動(dòng)尋呼功能,其他的報(bào)警不會(huì)發(fā)出尋呼,但是所有的報(bào)警都會(huì)出現(xiàn)在報(bào)警匯總中并被記錄下來(lái)。系統(tǒng)配置靈活,可隨時(shí)添加節(jié)點(diǎn)來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)更高的要求。R TI 新的電力能源管理系統(tǒng)的運(yùn)行降低了每個(gè)高爐運(yùn)行成本,提高了產(chǎn)量,改善了電壓調(diào)整和功率因數(shù)。通過(guò)更好地使用現(xiàn)有的電容組,減少了電壓降低現(xiàn)象的出現(xiàn);通過(guò)更嚴(yán)格的控制,改善了能源的使用情況,從而大大地降低了電力使用成本,并快速收回投資,還能在未來(lái)的使用中繼續(xù)幫助R TI 節(jié)省更多的成本。羅克韋爾自動(dòng)化的PEMS 在我國(guó)電力生產(chǎn)、傳輸和使用部門(mén)也有很多成

15、功的應(yīng)用案例,如山東黃島發(fā)電廠、煙臺(tái)電業(yè)局配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)、江西銅業(yè)公司供電系統(tǒng)等。其中,江西銅業(yè)公司德興銅礦的供電系統(tǒng)具有負(fù)載點(diǎn)多、分布面廣、供電網(wǎng)成放射狀分布等特點(diǎn),而且,礦山大量的電力負(fù)荷為感性負(fù)荷,現(xiàn)有人工投入電力電容器的無(wú)功補(bǔ)償措施,無(wú)法對(duì)電網(wǎng)功率進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償,有時(shí)還出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)償現(xiàn)象,造成大量的能源浪費(fèi)。供電網(wǎng)中有一座220kV 變電站,一座110kV 變電站,十余座35kV 變電站。羅克韋爾自動(dòng)化的PEMS 根據(jù)礦山供電范圍大,地里環(huán)境差的特點(diǎn),采用PLC 和電力監(jiān)控模塊構(gòu)成SCA 2DA 網(wǎng)絡(luò),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。該SCADA 系統(tǒng)37羅克韋爾自動(dòng)化基于網(wǎng)絡(luò)的電力/能源管理方案及其應(yīng)

16、用電工技術(shù)雜志2004年第12期共設(shè)12個(gè)工作站,由各變電站電力監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、PLC 和上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)組成?，F(xiàn)場(chǎng)的電力數(shù)據(jù)采集采用電力監(jiān)控模塊PM 和PM3000。所有電力監(jiān)控模塊通過(guò)DeviceNet 連接到PLC 上。高壓開(kāi)關(guān)柜的輸入、輸出控制信號(hào)由PLC 實(shí)現(xiàn)。變電站間的監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過(guò)DH +網(wǎng)與PLC 相連。礦山電力管理和總調(diào)度室上位機(jī)通過(guò)該SCADA 網(wǎng)絡(luò)與各變電站PLC 通信。各變電站間數(shù)據(jù)交換通過(guò)礦山程控電話(huà)采用DF1協(xié)議撥號(hào)上網(wǎng)通信 。圖3江西銅業(yè)公司供電系統(tǒng)SCADA 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)所有控制均設(shè)手動(dòng)和自動(dòng)兩種狀態(tài),通過(guò)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)與自動(dòng)化信息系統(tǒng)緊密相通。上位機(jī)采用RSPower32

17、與RSView32軟件集成,對(duì)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)和報(bào)警進(jìn)行分析和處理,還可以生成電力監(jiān)控界面、標(biāo)簽、趨勢(shì)圖和數(shù)據(jù)記錄等。使用戶(hù)和變電所充分了解用電量的分配,功率因數(shù)及高次諧波量,合理調(diào)度電力負(fù)荷,進(jìn)一步通過(guò)對(duì)狀態(tài)波形的分析對(duì)供電質(zhì)量進(jìn)行診斷,防止有害諧波造成電力故障,通過(guò)功率因數(shù)的實(shí)測(cè)值對(duì)電力電容器組投切進(jìn)行自動(dòng)控制。該系統(tǒng)除完成基本電參量的采集外,各變電站還能根據(jù)功率因數(shù)、母線(xiàn)電壓波動(dòng)因素自動(dòng)投入和切除無(wú)功補(bǔ)償量,實(shí)現(xiàn)電力監(jiān)測(cè)、無(wú)功補(bǔ)償和動(dòng)力能源管理一體化,使現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確,傳輸可靠性高,減小了電力故障隱患,節(jié)能效果明顯,且大大減少了現(xiàn)場(chǎng)工作人員的工作量,提高了電力系統(tǒng)的自動(dòng)化水平,具有顯著的

18、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。5結(jié)束語(yǔ)羅克韋爾自動(dòng)化的電力能源管理方案具有不斷豐富的軟/硬件資源,國(guó)際認(rèn)證的產(chǎn)品品質(zhì),完善的售后服務(wù)體系以及高回報(bào)率,可以滿(mǎn)足電力和能源管理不斷變化的需求,幾乎適用于企業(yè)所有的電能管理應(yīng)用系統(tǒng),可以幫助用戶(hù)降低能耗、跟蹤及合理分配費(fèi)用、簡(jiǎn)化自動(dòng)報(bào)表、提高功率因數(shù)和延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命,從而在其自動(dòng)化系統(tǒng)投資中實(shí)現(xiàn)最大的價(jià)值。參考文獻(xiàn)1Transforming electric power automation 1Rockwell Automa 2tion 1J une 20032李鳳閣,佟為明,林景波1羅克韋爾自動(dòng)化PowerMonitor 電力監(jiān)控器1低壓電器12003(

19、63郭宗仁,王志凱,佘占興1基于P LC 網(wǎng)絡(luò)的分布式監(jiān)控系統(tǒng)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用1福州大學(xué)學(xué)報(bào)12002(4Rockw ell Automation Pow er and E nergy Management Solutions and Its ApplicationL i Fengge(Harbin Institute of Technology Abstract Power energy cost affect the finally profit of enter 2prise ,It can gain the most available response by Managing

20、En 2ergy efficiently 1The Power and Energy Management S olutions from Rockwell Automation provide the tools to help users man 2age the cost ,reliability and quality of one of their most expen 2sive production resources ,it can suit almost every power energy management application throughout the enterprise 1It s con 2stitute ,feature ,function and application is described in this paper.K eyw ords power system energy management