浅谈安科瑞电力监控在生物制药企业变配电系统自动化改造的应用

摘要：本文分析生物制药企业的能耗特点，提出一种适合生物制药企业的管理构架方案，以提高变配电系统自动化管理水平，减少系统从故障中恢复的时间。系统具备变配电设备和大功率设备关键参数监控、报警和统计功能，保障企业的安全生产。 

关键词：ISA95；IEC61850；变配电系统；自动化

  生物制药厂房对生产环境要求高，需大量高能耗空调和动力设备。生产工艺复杂要求设备持续工作。如果出现闪电或跳闸都将导致生 产中断，数据丢失，给生产安全带来风险。因此提高供电稳定性对生物 制药企业十分必要。由于故障具有偶然性和突发性，传统值班方式难以及时恢复供电。而变配电自动化系统能够快速统计能耗数据，监控变压器和环网柜状态，并通过远程操作及时恢复供电。 

  随着自动化和信息化技术发展，将能源管理系统（EMS）整合到中央监控系统中已成为趋势。底层数据来自SCADA，复杂数据通过外部 系统处理后反馈给生产智能系统。目前主流scada 供应商都推出自己中央监控系统，如 wonderware WSP平台、西门子XHQ平台、罗克韦尔Tingworx平台。这些平台可以集成：展示、操作、配方、质量、环境监控、维保、移动客户端、能源管理等功能。 

  IEC61850 协议（电力自动化标准）提出公共通信标准和设备规范， 实现系统的无缝衔接；并将变电配电通信系统分为3层：站控层、间隔 层、过程层，其结构如图3所示

站控层功能是通过高速网络汇总全站的实时数据信息，不断刷新实时数据库；按规约将数据信息发送到控制中心；接收控制中心命令并转向间隔层、过程层执行；具有对间隔层、过程层设备的在线维护、组态和参数修改功能。间隔层功能是汇总本层过程实时数据信息，具有对一 次设备保护控制功能；优先控制数据采集、统计运算和发出控制命令；具有承上启下的通信功能，同时与过程层及站控层高速通信；必要时，上下网络接口都采用信息通道冗方式，保证通信可靠性。过程层是指电气设备的智能化部分，按主要功能可以分为三类

  (1）电力运行实时的电气量检测；

  (2）运行设备的状态参数检测；

  (3）操作控制执行与驱动。 

  在站控层和间隔层之间的网络采用抽象通信服务接口，映射到制造 报文规范（MMS），传输控制协议/网际协议（TCP/IP）采用以太网或光纤网。在间隔层和过程层之间的网络采用单点向多点的单项传输以太网。变电站内的电子设备（IED，测控单元和继电保护)均采用统一的协议如 modbus，通过网路进行信息交换。IEC61850 规范电力设备和设备组件的建模，定义了公共数据格式、标识符、行为和控制，例如变电站和馈线设备（断路器、电压调节器和 继电保护等）。协议显著降低数据管理费用、减少工程量、简化数据维 护、减少由于配置错误而引起的系统停机时间。采用该标准，变配电设备具有自述、自诊断和即插即用的特性，方便了系统的集成，降低了变配电系统自动化的工程费用。

3.1 变配网自动化系统组成 

  配网自动化系统遵循分布式结构和集中控制的设计思想，站控层包 含监控系统（或中央监控平台)主机；间隔层包含交换机、网关等设备； 过程层包括配变终端设备（TTU）、馈线终端单元（FTU）、配电终端单 元（DTU）、远程终端单元（RTU）、数字电表等设备。其中 TTU 监测并 记录配电变压器运行工况。FTU 是在馈线开光旁的开关监控装置。DTU 采集开关设备的位置、电压、功率等数据并进行急速，进行分合闸操作。

3.2 变配网主要特点 

  变配网作为电力系统的最终环节，其自动化系统数据庞大、拓扑复杂，主要有以下特点：   （1）通讯节点多，需安装大量的通信终端。 

  （2）节点分散，设备分部在园区的各功能建筑。 

  （3）数据量大，采集包括电流、电压、开关位置、温度等状态变量。 

3.3 通讯方式和系统结构 

  目前自动化系统的主要通信方式有：光纤通信、配电线路载波通信、无线公网网络和无线网络通信。光纤通讯具有传输量大、传输速度快、传输距离长、抗干扰能力强等特点。载波通讯是利用电源线传递高配载 波信号，具有投资少，管理维护方便、覆盖广，安全可靠等有点，但这种方式信息量小，主要用于大型输电网。无线公网通信使用 GPRS、3G等，移动无线网络适用于间歇性、突发性或少量的数据传输，适用于不变敷设光纤的地区。无线专网通讯使用 DT-LTE、WiMAX、WIFI等，具有抗干扰能力强、传输宽带高等优点，适用于位置偏僻的设备。Modbus通信是一种串行通讯协议，具有速度快、稳定、易实现总线、成本低廉等优点，生物制药企业设备布局分散，因此变配网站控层和间隔层主体采用工业以太网专网通信，部分设备采用无线专网通信。近距离节点使用网线通讯，远距离节点使用光纤，不便敷设光纤的节点采用 WiFi通讯。过程层设备统一采用 Modbus通信，通过串口服务器或 WIFI设备服务器和将数据传输至以太网SCADA采集服务器，EMS系统从SCADA系统提取数据，并进行可视化展示。 

  AcrelEMS-BP能效管理系统，集电力监控、能源管理、设备运维于一体。平台采用自动化、信息化技术和集中管理模式，对企业的生产、输配和消耗环节实行集中扁平化的动态监控和数据化管理，监测企业电、水、气、冷热量及压缩空气等各类能源的消耗情况，通过数据分析、挖掘和趋势分析，帮助企业针对各种能源需求及用能情况、能源质量、产品能源单耗、各工序能耗、工艺、车间、产线、班组、重大能耗设备等的能源利用情况等进行能耗统计、同环比分析、能源成本分析、碳排分析，为企业加强能源管理，提高能源利用效率、挖掘节能潜力、节能评估提供基础数据和支持。

4.1平台组成

  安科瑞生物制药能效管理系统是一个深度集成的自动化平台，它集成35KV/10KV的10KV/O.4KV电力监控系统、智能马达监控系统、能耗管理系统、电气火灾监控系统、防火门监控系统、消防设备电源系统、消防应急照明和疏散指示系统，充电桩管理系统。用户可通过浏览器、手机APP获取数据，通过一个平台即可对制药厂区全局的用电和用电安全进行集中监控、统一管理、统一调度，同时满足用户用电可靠、安全、稳定、有效、有序的要求。

4.2平台拓扑图

4.3平台子系统

  （1）电力监控主要针对10/0.4kV地面或地下变电所，对变电所高压回路配置微机保护装置及多功能仪表进行保护和监控，对0.4kV出线配置多功能计量仪表，用于测控出线回路电气参数和用能情况，可实时监控高低压供配电系统开关柜、变压器微机保护测控装置、发电机控制柜、ATS/STS、UPS，包括遥控、遥信、遥测、遥调、事故报警及记录 

   

（2）能耗管理系统

  建立的能耗监测管理系统，对生物制药各点位的能源使用、报警等情况进行实时的监控。以便生物制药用户能够实时的监测各个点位的运作情况，同时能更快速的掌握点位的报警，并为生物制药削峰填谷、调整负载等技改措施提供数据支撑。

 

 

（3）马达监控

  马达监控实现对管廊电机的保护、遥测、遥信、遥控功能，实现对电机过载、短路、缺相、漏电等异常情况的保护、监测和报警。在需要的情况下可以设置联动控制。

（4）智慧消防

  智慧消防云平台基于物联网、大数据、云计算等现代信息技术，将分散的火灾自动报警设备、电气火灾监控设备、智慧烟感探测器、智慧消防用水等设备连接形成网络，并对这些设备的状态进行智能化感知、识别、定位，实时动态采集消防信息，通过云平台进行数据分析、挖掘和趋势分析，帮助实现科学预警火灾、网格化管理、落实多元责任监管等目标。实现了无人化值守智慧消防，实现智慧消防“自动化"、“智能化"、“系统化"需求。从火灾预防，到火情报警，再到控制联动，在统一的系统大平台内运行，用户、安保人员、监管单位都能够通过平台直观地看到每一栋建筑物中各类消防设备和传感器的运行状况，并能够在出现细节隐患、发生火情等紧急和非紧急情况下，在几秒时间内，相关报警和事件信息通过手机短信、语音电话、邮件提醒和APP推送等手段，就迅速能够迅速通知到达相关人员。

（5）充电桩管理平台

  充电桩在“源、网、荷、储、充"信息能源结构中是必*。充电桩应用管理同样是校园生活服务中必*一部分。

  5.1电力监控及马达保护系统

  5.2能源管理系统

 

  5.3智慧消防系统

  (1)电气火灾监控系统

  (2)消防设备电源监控系统

  (3)防火门监控系统

  (4)消防应急照明和疏散指示系统

 

  5.4充电桩理系统

 

  基于中央监控平台的EMS系统具备车间能耗监控和统计、分析功能，能够实现大功率设备监控、关键开关合闸和设备报警功能。这将提升生物制药企业变配网的管理水平和稳定性。

 

[1]Kaneda K, Tamura S, Fujiyama N, et al. IEC61850 based Substation Automation System[C]// Joint International Conference on Power System Technology and IEEE Power India Conference, 2008. Powercon. IEEE, 2008:1-8. 

[2]赵妍. 基于IEC61850保护测控装置的建模与通信[D]. 南京邮电大学,2013.

[3]吴在军, 胡敏强. 基于IEC61850标准的变电站自动化系统 研究[C]

[4]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版

[5] 马达,曹永刚.制药企业安全供电系统研究.

[6]胡胜，贾龙.生物制药企业变配电系统自动化改造.