PowerMonitor 3000 在變電站控制系統中的應用

金廣業

(北京金奧特曼科技有限責任公司，北京　100085)

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PowerMonitor 3000 在變電站控制系統中的應用

金廣業

(北京金奧特曼科技有限責任公司，北京100085)

針對工廠變電站控制系統存在的缺乏監控、安全連鎖不佳等缺點，設計了先進的變電站監控連鎖控制系統。系統采用先進的PowerMonitor3000電力監控模塊和可編程序邏輯控制技術，并引入了滿足信息化、數字化、網絡化的可擴展性系統平臺。系統投入實際運行后，實現了變電站的自動監控、安全連鎖、數據采集等功能；運行穩定可靠，具有良好的應用前景。

變電站控制系統監控連鎖DeviceNet網絡PowerMonitor3000自動化

Automation

0　引言

隨著信息化、數字化、網絡化和現代化技術的發展，工廠對能源的需求也在不斷調整，單純供電的變電站已不能滿足現代化工廠的需要。在現代工業控制中，可編程序控制器[1]已成為基本平臺，并廣泛應用于工業生產過程控制中。

以可編程序控制器為平臺，建立了使用最新技術硬件、可采集大量數據、基于優化算法[2]和工業控制網絡組成的變電站監控連鎖控制系統，實現了分散控制和集中優化管理，并為整個工廠的信息化管理提供了有效能源數據。整個系統性能穩定、操作方便，降低了生產的能源成本，提高了生產效率，確保了工廠供電系統的安全穩定。

1　PowerMonitor 3000介紹

工廠變電站監控連鎖控制系統以可編程序控制器為基本控制平臺，采用了關鍵硬件PowerMonitor3000。PowerMonitor3000是由美國羅克韋爾自動化專門為滿足電力生產商和用戶的需求而設計、開發的，被稱為電力監控模塊。PowerMonitor3000包括1個提供計量功能和DF1通信功能的主模塊、1個可選的顯示模塊和1個可選的通信端口，可適用于以下應用場合。

①負載分布分析。使用電力參數和可組態的趨勢記錄功能，進行負載分布分析。

②用電需求管理。了解用電需求量的變化，優化電量，節省能源。

③費用攤配。可對工廠各個部門進行用電計算，分析各部門的實際用電量，提高其生產效率，有利于各部門的成本考核。

④配電系統監控。使用電力參數顯示電流方向、系統結構和設備狀態。

⑤緊急負載切斷。當突然發生故障斷電時，調整電力參數并切斷相關負載，可保證其余系統的穩定運行。

⑥電力系統控制。調整電力參數，調節系統電壓和功率因數，可實現供電系統最佳運行。

PowerMonitor3000主模塊內置有1個通信端口，同時還可添加1個可選的通信端口，以便與可編程序控制器及其他控制設備相連接；可測量多達30個電力參數，并具備數值存儲和傳輸功能。PowerMonitor3000顯示模塊是可選的輸入/輸出設備，可對主模塊進行組態，同時具有2行高清晰度LED顯示器和4個操作按鍵，即可通過操作按鍵和顯示器完成對主模塊的組態和操作。在個人計算機上運行RSPower32軟件，即可通過網絡通信實現對主模塊的組態和操作。

2　控制系統的構成

2.1控制系統結構

根據可編程序控制器組成系統的設計方法[3]，變電站監控連鎖控制系統結構如圖1所示。

圖1　控制系統結構圖Fig.1　The structure of control system

系統根據工廠供電分布，分為 110kV、35kV和10kV這3個控制區段，并根據每個區段供電設備的不同，分別使用了6個、11個和39個PowerMonitor3000，對每個供電區段進行數據采集和連鎖保護。

PowerMonitor3000本身的輸入/輸出點可實現對每個對象的自身連鎖控制；主模塊都選用了顯示模塊，從而使每個模塊本身都具有單獨的分散監控功能，也可通過網絡在操作站計算機上進行集中控制。

系統以ControlLogix可編程序控制器系統為平臺，將PowerMonitor3000采集的數據信號傳輸到可編程序控制器，同時可編程序控制器本身也配置了輸入/輸出模板，實現了各個區段的電量數據采集、用電量監控、供電系統連鎖保護、系統操作監控和供電優化處理。2臺上位計算機作為操作員站和工程師站，通過網絡連接到可編程序控制器，使用了RSPower32軟件、RSview32軟件編程軟件和圖像處理技術[4]進行系統的開發維護和操作監控，實現了工廠變電站監控連鎖控制系統的安全運行。

2.2系統的網絡結構

采用多種數據通信網絡，可以大大提升系統的控制功能，對生產過程中的大量數據進行互相交換，并將工廠變電站監控連鎖控制系統納入整個工廠的過程控制系統中；同時，為上層的生產管理決策系統提供底層支持是整個變電站監控連鎖控制系統設計的重要原則。

由圖1可以看到，系統底層采用的是基于現場總線的DeviceNet[5]網絡，通過DeviceNet網絡將分布在3個不同供電區段的PowerMonitor3000電力監控模塊連接到ControlLogix可編程序控制器中。ControlLogix可編程序控制器向上通過工業以太網EtherNet/IP[6]與操作員站、工程師站相連。變電站遠離工廠中心控制室，在工業以太網EtherNet/IP中通過無線電臺系統與中心控制室的全場生產過程控制系統相連，并向上連接到生產管理決策系統中，真正實現了信息一體化的工廠生產過程控制系統。

3　應用軟件的組成

應用軟件的設計需要考慮整個系統的功能和通信方式。應用軟件主要包括3個部分：操作員站和工程師站的圖形操作監控軟件、可編程序控制器應用控制軟件和網絡通信軟件。

3.1圖形操作監控軟件

在RSview32開發軟件的基礎上，圖形操作監控軟件實現了對整個系統操作的監控。該軟件采用先進的數據壓縮和圖形處理技術[7-8]，監控畫面有主畫面和次級畫面之分。每一種畫面都會分成若干級的次級畫面，便于操作、監控和系統分析。軟件主要畫面如下。

①系統操作畫面。該畫面為主畫面，實現整個系統的正常啟動/停車操作、緊急狀態停車操作、工藝過程畫面顯示、各功能鍵的設置使用和用戶權限設置。

②工作流程畫面。根據設備的工作流程，該畫面直觀地顯示各部分工作狀態，并顯示相應的運行和報警狀態等。

③設備狀態畫面。在工作流程畫面基礎上，可進入各部分設備的狀態畫面，給出設備運行狀態，以及運行參數的曲線圖和柱狀圖。

④數據顯示畫面。該畫面顯示整個供電系統的參數數據，給出趨勢曲線，并進行歷史數據記錄和分析、作出統計報表等。

⑤報警處理畫面。該畫面實現報警顯示、報警分析，設定修改報警限值和報警延時時間；給出故障發生順序、故障分類，指出主要故障和次要故障，并進行故障報警操作。

3.2可編程序控制器應用控制軟件

在可編程序控制器編程軟件基礎上，可編程序控制器應用控制軟件應用梯形圖，編制出系統的順序控制、連鎖控制、邏輯控制和模擬量數字處理程序。由于可編程序控制器的應用軟件[9]設計簡單，并已在其他文獻中作過介紹[10]，在此不再詳細討論。

3.3網絡通信軟件

網絡通信軟件包括DeviceNet網絡通信軟件、工業以太網EtherNet/IP通信軟件和無線通信系統運行部分的組態開發軟件。

DeviceNet網絡通信軟件的組態開發，首先就是在每一個PowerMonitor3000模塊上通過硬件或顯示模塊設定，使它們處于DeviceNet網絡模式下；然后通過工程師站，在ControlLogix可編程序控制器中為每個模塊分配對應的地址，在內存中為它們分配相應的空間，并根據供電過程中的需要，處理相應的參數和邏輯。

工業以太網EtherNet/IP通信軟件的組態開發需要與上一級全廠控制系統和網絡系統相結合，在工程師站上對可編程序控制器系統中的EtherNet/IP通信模板進行組態，然后對需要與上級控制系統的通信數據進行適當處理，并分配使用上一級傳輸過來的數據。同時，在工程師站和操作員站上也需要進行簡單的組態，使操作員站、工程師站、可編程序控制器和上一級控制系統都成為工業以太網EtherNet/IP上的設備，分別承擔其各自的任務和權限。

無線通信網絡的通信軟件比較簡單，只需實現無線傳輸介質的功能。所以，在變電站監控連鎖控制系統和全廠的控制系統中，采用成對的無線電臺，只要通過硬件設定或通過工程師站軟件設定，就可達到無線通信的要求。

4　結束語

系統通過軟、硬件設計，利用了最新的硬件技術PowerMonitor3000電力監控模塊和多層的網絡結構，實現了工廠變電站監控連鎖控制系統。本文設計的變電站控制系統采集了大量的變電站數據并進行了數據

分析處理，完成了變電站的監控操作和安全連鎖；重要的是，該系統與整個工廠過程自動化控制系統連成一體，滿足了現代化工廠對供電系統的要求。本系統的實際運行安全、可靠，維護靈活方便，大大提高了工廠電能使用效率。

[1] 楊昌焜，金廣業.可編程序控制器應用技術[M].北京：中國電力出版社，2003:73-92.

[2]JINP,BOUMANCA,SAUERKD.Amodel-basedimagereconstructionalgorithmwithsimultaneousbeamhardeningcorrectionforX-rayCT[J].IEEETransactionsonComputationalImaging,2015,1(3): 200-216.

[3] 李景學，金廣業.可編程序控制器應用系統設計方法[M].北京：電子工業出版社，1995:39-51.

[4]JINP,BOUMANCA,SAUERKD.Amethodforsimultaneousimagereconstructionandbeamhardeningcorreciton[C]//ProceedingofIEEENuclearScienceSymposiumandMedicalImagingConference.Seoul:IEEEPublisher.2013:1-5.

[5] 彭瑜.支持智能制造的PLCopen規范和技術[J].自動化儀表，2015，36(10)：1-5.

[6] 朱俊，汪晉寬，安翠娟，等.基于冗余ControlNet的EtherNet/IP網絡分析[J].儀器儀表學報，2006，27(Z1): 698-700.

[7]JINP,HANEDAE,BOUMANCA.Implicitgibbspriormodelsfortomographicreconstruction[C]//Proceedingof46thIEEEAsilomarConferenceonSignals,Systems,andComputers.USA:IEEEPublisher,2012:613-616.[8]KISNERSJ,JINP,BOUMANCA,etal.InnovativedataweightingforiterativereconstructioninahelicalCTsecuritybaggagescanner[C]//Proceedingof47thIEEEInternationalCarnahanConferenceonSecurityTechnology.USA:IEEEPublisher,2013:241-246.

[9] 陳春雨，李景學.可編程序控制器應用軟件設計方法及技巧[M].北京：電子工業出版社，1992:69-118.

[10]金廣業.基于信息一體化技術的鉀肥生產過程自動化控制系統[J].中國儀器儀表，2016(2)：21-27.

ApplicationofPowerMonitor3000inControlSystemofSubstation

Inviewoftheproblemthatmonitoringandsafetyinterlockingarenotperfectinoriginalcontrolsystemofsubstationsinfactory,theadvancedmonitoringandinterlockcontrolsystemforsubstationsisdesigned.ByadoptingadvancedPowerMonitor3000powermonitoringmodulesandPLCcontroltechnology,theexpandablesystemplatformthatmeetsthedemandsforintellectualization,digitalizationandnetworkingisintroduced.Havingbeenputintooperation,thesystemoffersthefunctionsofautomaticmonitoring,safetyinterlockanddataacquisition,etc.Itrunssteadyandreliable,andpossessesexcellentapplicableprospects.

TransformersubstationControlsystemMonitoringandcontrolInterlockDeviceNetnetworkPowerMonitor3000

TH-39;TP29

A< class="emphasis_italic">DOI

:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201610013

修改稿收到日期：2016-04-18。

作者金廣業(1956—)，男，1982年畢業于東北大學工業自動控制專業，獲學士學位，高級工程師；主要從事現代控制理論研究、生產過程自動化控制系統開發及應用。