- 系统结构
缪建梅
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定
摘要：介绍北京市电气工程学校（电力运行管理与维修实训中心）电力监控系统，采用智能电力仪表采集配电现场的各种电参量，现场配有模拟屏，通过后台控制模拟屏的分合，演示给学生高压、低压倒闸操作等的步骤。系统采用现场就地组网的方式，组网后通过现场总线通讯并且由扩展卡传至后台，通过Acrel-2000型电力监控系统实现变电所配电回路用电的实时监测和模拟屏的控制。
关键词：北京市电气工程学校;模拟屏;智能电力仪表;Acrel-2000型;自行组网;电力监控系统
0引言
北京市电气工程学校创建于1976年，1984年成立职业高中部，1991年被教委批准为独立设置的职业高中校，1995年走向规模办学，1998年评为北京市中等职业学校骨干示范校，2001年制冷与空调设备运用与维修专业被评为北京市骨干特色专业，2003年被北京市教委评为“北京市职业教育先进单位”。2003年合并了原朝阳职成中专学校，到目前已发展成拥有：经济法律事务、工商法律事务、制冷和空调设备运用与维修、电子与信息技术、计算机及外设维修、计算机软件、楼宇智能化技术、电气设备运行与管理、物业管理等9个专业，面向社会开展各相关专业的职业资格培训，在全市处于领先地位，是市级再就业培训的先进单位。
学校目前一校五址，有独立使用权校舍的占地面积27370平方米，建筑面积21133平方米；藏书8万余册，学校设有塑胶跑道、人工草皮足球场、塑胶篮球场，装备了先进的闭路电视教学系统、校园局域网、计算机房、财会模拟室、多媒体教室和远程教学系统，具有高精技术指标适应现代教学需求的空调制冷、电工、电子、视频、钳工、电梯、汽修等实习室。学校师资力量雄厚，84%的教师具有中高级技术职称，专业教师均持有中、高级专业技术资格证书。在校生近1200人。社会培训每年2000人左右，累计毕业生3128人，就业率95%以上，近三年高职升学共计260人，升学人数居朝阳职高校第二名。目前学校开设八个专业：制冷和空调设备运用与维修、电子与信息技术专业、计算机软件专业、计算机及外设维修、电梯安装与维修、楼宇智能化技术、汽车运用与维修、电气设备运行与管理、经济法律事务专业、工商法律事务专业，各专业学校均有职业资格等级培训资格，学生职高毕业可取得学历和岗位资格或等级证两个以上的证书。多年来学校全面贯彻教育方针，秉承持续发展的人力资源开发及服务首都经济建设和社会发展的办学宗旨，坚持学历教育与非学历教育并举的多种模式办学，为首都培养了几千名优秀技术人才，学校注重学生全面素质和综合职业能力的培养和提高，办学成绩斐然，得到社会各界的普遍赞誉。
由于北京市电气工程学校为了给学生充分展示配电教学的全过程，因此建立了后台电力监控系统，对配电进行智能化管理。本项目主要是对北京市电气工程学校变电所配电进行监测以及对模拟屏进行实时控制。根据学校配电系统管理的要求，需要对变电所内的低压配出线进行电力监测，对模拟屏实时控制，以便学生可以充分学习到配电系统的每一个部分。
Acrel-2000型电力监控系统，充分利用了现代电子技术、计算机技术、网络技术和现场总线技术的最新发展，对变配电系统进行分散数据采集和集中监控管理。对配电系统的二次设备进行组网，通过计算机和通讯网络，将分散的配电所的现场设备连接为一个有机的整体，实现电网运行的远程监测和实时监控。
1系统设计
本电力监控系统主要对一个变电所进行变配电管理，本变电所并不投入使用，主要是演示给学生如何操作的，模拟屏的作用是进行学生考核的，即学生在后台进行对模拟屏发送信号，老师在模拟屏现场观察，以此来判断学生的操作顺序是否正确。高压并没有运行，只是引进的220v普通用电，低压也是模拟运行。本系统监控值班室设置在隔壁房间的监控室。因此，为实现对整个北京电气工程学校电力系统的实时监测及对模拟屏的实时监控，在值班室设立了监控中心，基于Acrel-2000的电力监控系统后台，实现对整个配电系统的实时监测与实时监控。
本电力监控系统主要实现北京电气工程学校变电所的0.4kV配电系统的用电监测与模拟屏的实时监控；监测范围为变电所的T1、T2变压器的低压进线柜、联络柜、馈线柜中的智能电力仪表和模拟屏，从而实现远程实时监测和模拟屏的实时监控。该系统总计有61只仪表（其中全部为PZ系列智能仪表）和一个模拟屏，分4条总线，由于变电所与值班室距离较近，采用变电所内自行组网，然后通过扩展卡直接接至电脑，实现该现场总线上仪表、模拟屏与监控主机的数据连通。
系统主要采用分层分布式计算机网络结构，如图1所示：站控管理层、网络通讯层和现场设备层[1]。
图1 系统总体拓扑图
1）站控管理层
站控管理层针对电能管理系统的管理人员，是人机交互的直接窗口，也是系统的最上层部分。主要由系统软件和必要的硬件设备，如工业级计算机、打印机、UPS电源等组成。电能管理系统软件具有良好的人机交互界面，对采集的现场各类数据信息计算、分析与处理，并以图形、数显、声音等方式反映现场的运行状况。
监控主机：用于数据采集、处理和数据转发。为系统内或外部提供数据接口，进行系统管理、维护和分析工作。
打印机：系统召唤打印或自动打印图形、报表等。
UPS：保证计算机监测系统的正常供电，在整个系统发生供电问题时，保证站控管理层设备的正常运行，提供足够的时间进行数据存储。
2）网络通讯层
通讯层设备为CP134U-I四口扩展卡。该层是数据信息交换的桥梁，负责对现场设备回送的数据信息进行采集、分类和传送等工作的同时，转达上位机对现场设备的各种控制命令。
通讯介质：系统主要采用屏蔽双绞线，以RS485接口，Modbus通讯协议实现现场设备与上位机的实时通讯。
3）现场设备层
现场设备层是数据采集终端，主要由智能仪表和模拟屏组成，采用具有高可靠性、带有现场总线连接的分布式I/O控制器构成数据采集终端，向数据中心上传采集的数据。智能电力仪表担负着最基层的数据采集任务，其监测的数据必须完整、准确并实时传送至监控主机。
以上网络仪表均采用RS485接口和Modbus-Rtu通讯协议，RS485采用屏蔽线传输，一般都采用二根连线，接线简单方便；通讯接口是半双工通信即通信的双方都可以接收、发送数据但是在同一时刻只能发送或接收数据，数据最高传输速率为10Mbps。RS485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗噪声干扰能力增强，总线上允许连接多达32个设备，最大传输距离为1.2km。
1.2 现场仪表
本项目对于变压器低压主进线回路，馈线回路等，采用的都是PZ-80/E4智能电力仪表，PZ-80/E4智能电力仪表，为嵌入式安装，可安装在动力箱或低压出线柜门板上，面板尺寸为80mm×80mm，规格为220/380V、5A，电流经互感器接入，精度0.5级，广泛应用于高、低压进线柜、联络柜、出线柜、动力柜等场合，带RS485接口，Modbus通讯协议[2]。
2电力监控系统主要功能
2.1 数据采集与处理
数据采集是配电监控的基础，数据采集主要由底层多功能网络仪表采集完成，实现远程数据的本地实时显示。需要完成采集的信号包括：三相电压U、三相电流I、频率Hz、功率P、功率因数COSφ、电度Epi、远程设备运行状态等数据。
数据处理主要是把按要求采集到的电参量实时准确的显示给用户，达到配电监控的自动化化和智能化要求，同时把采集到的数据存入数据库供用户查询。
2.2 人机交互
系统提供简单、易用、良好的用户使用界面。采用全中文界面，CAD图形显示低压配电系统电气一次主接线图，显示配电系统设备状态及相应实时运行参数，画面定时轮巡切换；画面实时动态刷新；模拟量显示；开关量显示；连续记录显示等。
2.3 历时事件
历时事件查看界面主要为用户查看曾经发生过的故障记录、信号记录、操作记录、越限记录提供方便友好的人机交互，通过历史事件查看平台，您可以根据自己的要求和查询条件方便定位您所要查看的历史事件，为您把握整个系统的运行情况提供了良好的软件支持。
2.4 数据库建立与查询
主要完成遥测量和遥信量定时采集，并且建立数据库，定期生成报表，以供用户查询打印。
2.5 用户权限管理
针对不同级别的用户，设置不同的权限组，防止因人为误操作给生产，生活带来的损失，实现配电系统的安全，可靠运行。可以通过用户管理进行用户登录、用户注销、修改密码、添加删除等操作，方便用户对账号和权限的修改。
2.6 运行负荷曲线
负荷趋势曲线功能主要负责定时采集进线及重要回路电流和功率负荷参量，自动生成运行负荷趋势曲线的，方便用户及时了解设备的运行负荷状况。点击画面相应按钮或菜单项可以完成相应功能的切换；可以查看实时趋势曲线或历史趋势线；对所选曲线可以进行平移、缩放、量程变换等操作，帮助用户进线趋势分析和故障追忆，为分析整个系统的运行状况提供了直观而方便的软件支持。
2.7 远程报表查询
报表管理程序的主要功能是根据用户的需要设计报表样式，把系统中处理的数据经过筛选、组合和统计生成用户需要的报表数据。本程序还可以根据用户的需要对报表文件采用定时保存、打印或者召唤保存、打印模式。同时本程序还向用户提供了对生成的报表文件管理功能。报表具有自由设置查询时间实现日、月、年的电能统计，数据导出和报表打印等功能。
2.8 模拟屏的实时监控
系统使用者可以在后台中进行高压低压倒闸模拟操作，可以通过点击后台画面中高压低压回路的开关，对模拟屏发送信号，可以实现对模拟屏中每一个点的实时控制。
3系统案例分析
上位机软件为Acrel-2000电力监控系统组态软件，该软件是对现场电参量数据进行采集与监控的专用软件，最大的特点是能以灵活多样的“组态形式”而不是编程方式来进行系统集成，它提供了良好的用户开发界面和简捷的工程实现方法，只要将其预设置的各种软件模块进行简单的“组态”，便可以非常容易地实现和完成对现场数据的采集与监控功能。Acrel-2000电力监控系统具有友好的人机交互界面，可实时和定时采集现场设备各电参量及开关量状态，并将采集到的数据上传给监控主机进行实时显示与存储。系统还提供了实时曲线和历史趋势曲线分析，符合用户设计需要的报表、事件记录和故障报警等功能[3]。整个系统可以实现所有回路用电量的采集和统计，实现了远程自动抄表、电力监测与实时监控功能。
3.1 数据采集和系统图显示
现场仪表测量并采集回路数据信息，上位机软件再对现场仪表的数据进行定时或周期采集并存储，可以自由设置采集的时间周期，最小的系统支持的采集周期。可以随时查看任一表计的瞬时表值、累计量等信息，记录时间间隔内电力仪表的电压、电流、功率因数和有功电度等。这些参数信息可以自动保存到数据库中，便于查询。
系统具有友好的人机界面，便于普通的现场值班人员查看并记录相关信息，系统一次图（如图2）不仅显示了线路的开关状态，还实时显示电力等重要的电力参数。所有数据信息都定期的保存到数据库中。
图2高压一次系统图
3.2 远程抄表
系统对所有采集到的数据都能实时的显示，并保存到数据库中，因此可以手动查询每个回路的所有实时及历史电参量数据，并以表格的形式展现给用户，便于打印、保存。如图3所示。
3 回路远程抄表
3.3 电压趋势曲线
本系统对于重要回路，不仅可以对电压进行实时显示与监测，并可以根据保存的历史数据做成趋势曲线，可以查看实时和历史变化趋势，预测电能质量，并可对电力故障进行查询，保证电力负荷的安全运行。如图4所示。
图4 电流趋势曲线
3.4 事件记录与报警
主要用于查看历史报警信息；帮助用户进行事故查询与追忆；支持历史查询，打印等功能。实时报警信息会即时弹出，提醒用户所进行的操作。并对所有操作具有自动事件记录功能。如图5所示。
图5 回路跳闸报警
3.5 模拟屏的实时监控
主要用于老师对学生的考核。学生可以在电脑前进行高压、低压分合闸过程的模拟操作，同时系统会相应的给模拟屏发送信号，老师可以在模拟屏现场查看学生操作的是否正确。如图6所示。
图6 模拟屏
4结束语
随着智能建筑的发展及电力的广泛应用，对智能建筑的配电系统的智能化集成管理已成为国家机关办公建筑及大型公共建筑智能化建设的必然趋势，本文介绍的基于Acrel-2000的电力监测与电力监控系统，不仅可以实时显示电力运行状态及用电状况，还能对数据进行分析处理，以用户适用的方式展现出来，满足用户的需求，实现对采集数据的分析、处理，其生成各种电能报表、分析曲线、图形等，极大的方便了用户的使用，便于配电系统的实时监控与电参量的远程抄表与分析研究，为智能建筑的节能技术提供参考。
参考文献
[1].王斌 杜运东等.基于Acrel-5000的大型公共建筑能耗监测系统设计与应用[J].智能建筑电气技
术.2009.3(5)
[2].任致程 周中. 电力电测数字仪表原理与应用指南[M]. 北京. 中国电力出版社. 2007. 4
[3].周中.杜运东.电力仪表在大型公共建筑电能分项计量中的应用[J].现代建筑电气 2010. 6
作者简介：
缪建梅，女，本科，安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为智能电网供配电，Email: acrelmjm@163.com 手机：15618860710 QQ:2880157864