王晶晶

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定

摘要：本文分析生物制藥企業(yè)的能耗特點(diǎn)，提出一種適合生物制藥企業(yè)的管理構(gòu)架方案，以提高變配電系統(tǒng)自動(dòng)化管理水平，減少系統(tǒng)從故障中恢復(fù)的時(shí)間。系統(tǒng)具備變配電設(shè)備和大功率設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)控、報(bào)警和統(tǒng)計(jì)功能，保障企業(yè)的安全生產(chǎn)。 

關(guān)鍵詞：ISA95；IEC61850；變配電系統(tǒng)；自動(dòng)化

0.引言 

??生物制藥廠房對(duì)生產(chǎn)環(huán)境要求高，需大量高能耗空調(diào)和動(dòng)力設(shè)備。生產(chǎn)工藝復(fù)雜要求設(shè)備持續(xù)工作。如果出現(xiàn)閃電或跳閘都將導(dǎo)致生 產(chǎn)中斷，數(shù)據(jù)丟失，給生產(chǎn)安全帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。因此提高供電穩(wěn)定性對(duì)生物 制藥企業(yè)十分必要。由于故障具有偶然性和突發(fā)性，傳統(tǒng)值班方式難以及時(shí)恢復(fù)供電。而變配電自動(dòng)化系統(tǒng)能夠快速統(tǒng)計(jì)能耗數(shù)據(jù)，監(jiān)控變壓器和環(huán)網(wǎng)柜狀態(tài)，并通過(guò)遠(yuǎn)程操作及時(shí)恢復(fù)供電。 

1.系統(tǒng)構(gòu)架 

??隨著自動(dòng)化和信息化技術(shù)發(fā)展，將能源管理系統(tǒng)（EMS）整合到中央監(jiān)控系統(tǒng)中已成為趨勢(shì)。底層數(shù)據(jù)來(lái)自SCADA，復(fù)雜數(shù)據(jù)通過(guò)外部 系統(tǒng)處理后反饋給生產(chǎn)智能系統(tǒng)。目前主流scada 供應(yīng)商都推出自己中央監(jiān)控系統(tǒng)，如 wonderware WSP平臺(tái)、西門(mén)子X(jué)HQ平臺(tái)、羅克韋爾Tingworx平臺(tái)。這些平臺(tái)可以集成：展示、操作、配方、質(zhì)量、環(huán)境監(jiān)控、維保、移動(dòng)客戶端、能源管理等功能。 

2.電力系統(tǒng)自動(dòng)化特征

??IEC61850 協(xié)議（電力自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)）提出公共通信標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備規(guī)范， 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)縫銜接；并將變電配電通信系統(tǒng)分為3層：站控層、間隔 層、過(guò)程層，其結(jié)構(gòu)如圖3所示

       站控層功能是通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)匯總?cè)镜膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，不斷刷新實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)；按規(guī)約將數(shù)據(jù)信息發(fā)送到控制中心；接收控制中心命令并轉(zhuǎn)向間隔層、過(guò)程層執(zhí)行；具有對(duì)間隔層、過(guò)程層設(shè)備的在線維護(hù)、組態(tài)和參數(shù)修改功能。間隔層功能是匯總本層過(guò)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，具有對(duì)一 次設(shè)備保護(hù)控制功能；優(yōu)先控制數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)運(yùn)算和發(fā)出控制命令；具有承上啟下的通信功能，同時(shí)與過(guò)程層及站控層高速通信；必要時(shí)，上下網(wǎng)絡(luò)接口都采用信息通道冗方式，保證通信可靠性。過(guò)程層是指電氣設(shè)備的智能化部分，按主要功能可以分為三類(lèi)：

??(1）電力運(yùn)行實(shí)時(shí)的電氣量檢測(cè)；

??(2）運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)；

??(3）操作控制執(zhí)行與驅(qū)動(dòng)。 

??在站控層和間隔層之間的網(wǎng)絡(luò)采用抽象通信服務(wù)接口，映射到制造 報(bào)文規(guī)范（MMS），傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（TCP/IP）采用以太網(wǎng)或光纖網(wǎng)。在間隔層和過(guò)程層之間的網(wǎng)絡(luò)采用單點(diǎn)向多點(diǎn)的單項(xiàng)傳輸以太網(wǎng)。變電站內(nèi)的電子設(shè)備（IED，測(cè)控單元和繼電保護(hù))均采用統(tǒng)一的協(xié)議如 modbus，通過(guò)網(wǎng)路進(jìn)行信息交換。IEC61850 規(guī)范電力設(shè)備和設(shè)備組件的建模，定義了公共數(shù)據(jù)格式、標(biāo)識(shí)符、行為和控制，例如變電站和饋線設(shè)備（斷路器、電壓調(diào)節(jié)器和 繼電保護(hù)等）。協(xié)議顯著降低數(shù)據(jù)管理費(fèi)用、減少工程量、簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)維 護(hù)、減少由于配置錯(cuò)誤而引起的系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間。采用該標(biāo)準(zhǔn)，變配電設(shè)備具有自述、自診斷和即插即用的特性，方便了系統(tǒng)的集成，降低了變配電系統(tǒng)自動(dòng)化的工程費(fèi)用。

3.變配網(wǎng)自動(dòng)化通信系統(tǒng)

3.1 變配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)組成 

??配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)遵循分布式結(jié)構(gòu)和集中控制的設(shè)計(jì)思想，站控層包 含監(jiān)控系統(tǒng)（或中央監(jiān)控平臺(tái))主機(jī)；間隔層包含交換機(jī)、網(wǎng)關(guān)等設(shè)備； 過(guò)程層包括配變終端設(shè)備（TTU）、饋線終端單元（FTU）、配電終端單 元（DTU）、遠(yuǎn)程終端單元（RTU）、數(shù)字電表等設(shè)備。其中 TTU 監(jiān)測(cè)并 記錄配電變壓器運(yùn)行工況。FTU 是在饋線開(kāi)光旁的開(kāi)關(guān)監(jiān)控裝置。DTU 采集開(kāi)關(guān)設(shè)備的位置、電壓、功率等數(shù)據(jù)并進(jìn)行急速，進(jìn)行分合閘操作。

3.2 變配網(wǎng)主要特點(diǎn) 

??變配網(wǎng)作為電力系統(tǒng)的最終環(huán)節(jié)，其自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)龐大、拓?fù)鋸?fù)雜，主要有以下特點(diǎn)： ??

       （1）通訊節(jié)點(diǎn)多，需安裝大量的通信終端。 

??（2）節(jié)點(diǎn)分散，設(shè)備分部在園區(qū)的各功能建筑。 

??（3）數(shù)據(jù)量大，采集包括電流、電壓、開(kāi)關(guān)位置、溫度等狀態(tài)變量。 

3.3 通訊方式和系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 

??目前自動(dòng)化系統(tǒng)的主要通信方式有：光纖通信、配電線路載波通信、無(wú)線公網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信。光纖通訊具有傳輸量大、傳輸速度快、傳輸距離長(zhǎng)、抗干/擾/能力強(qiáng)等特點(diǎn)。載波通訊是利用電源線傳遞高配載 波信號(hào)，具有投資少，管理維護(hù)方便、覆蓋廣，安全可靠等有點(diǎn)，但這種方式信息量小，主要用于大型輸電網(wǎng)。無(wú)線公網(wǎng)通信使用 GPRS、3G等，移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)適用于間歇性、突發(fā)性或少量的數(shù)據(jù)傳輸，適用于不變敷設(shè)光纖的地區(qū)。無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)通訊使用 DT-LTE、WiMAX、WIFI等，具有抗干/擾/能力強(qiáng)、傳輸寬帶高等優(yōu)點(diǎn)，適用于位置偏僻的設(shè)備。Modbus通信是一種串行通訊協(xié)議，具有速度快、穩(wěn)定、易實(shí)現(xiàn)總線、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，生物制藥企業(yè)設(shè)備布局分散，因此變配網(wǎng)站控層和間隔層主體采用工業(yè)以太網(wǎng)專(zhuān)網(wǎng)通信，部分設(shè)備采用無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)通信。近距離節(jié)點(diǎn)使用網(wǎng)線通訊，遠(yuǎn)距離節(jié)點(diǎn)使用光纖，不便敷設(shè)光纖的節(jié)點(diǎn)采用 WiFi通訊。過(guò)程層設(shè)備統(tǒng)一采用 Modbus通信，通過(guò)串口服務(wù)器或 WIFI設(shè)備服務(wù)器和將數(shù)據(jù)傳輸至以太網(wǎng)SCADA采集服務(wù)器，EMS系統(tǒng)從SCADA系統(tǒng)提取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行可視化展示。 

4.平臺(tái)概述

??AcrelEMS-BP能效管理系統(tǒng)，集電力監(jiān)控、能源管理、設(shè)備運(yùn)維于一體。平臺(tái)采用自動(dòng)化、信息化技術(shù)和集中管理模式，對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)、輸配和消耗環(huán)節(jié)實(shí)行集中扁平化的動(dòng)態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)化管理，監(jiān)測(cè)企業(yè)電、水、氣、冷熱量及壓縮空氣等各類(lèi)能源的消耗情況，通過(guò)數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢(shì)分析，幫助企業(yè)針對(duì)各種能源需求及用能情況、能源質(zhì)量、產(chǎn)品能源單耗、各工序能耗、工藝、車(chē)間、產(chǎn)線、班組、重大能耗設(shè)備等的能源利用情況等進(jìn)行能耗統(tǒng)計(jì)、同環(huán)比分析、能源成本分析、碳排分析，為企業(yè)加強(qiáng)能源管理，提高能源利用效率、挖掘節(jié)能潛力、節(jié)能評(píng)估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和支持。

4.1平臺(tái)組成

??安科瑞生物制藥能效管理系統(tǒng)是一個(gè)深度集成的自動(dòng)化平臺(tái)，它集成35KV/10KV的10KV/O.4KV電力監(jiān)控系統(tǒng)、智能馬達(dá)監(jiān)控系統(tǒng)、能耗管理系統(tǒng)、電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)、防火門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)、消防設(shè)備電源系統(tǒng)、消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)，充電樁管理系統(tǒng)。用戶可通過(guò)瀏覽器、手機(jī)APP獲取數(shù)據(jù)，通過(guò)一個(gè)平臺(tái)即可對(duì)制藥廠區(qū)全局的用電和用電安全進(jìn)行集中監(jiān)控、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一調(diào)度，同時(shí)滿足用戶用電可靠、安全、穩(wěn)定、有效、有序的要求。

4.2平臺(tái)拓?fù)鋱D

4.3平臺(tái)子系統(tǒng)

（1）電力監(jiān)控主要針對(duì)10/0.4kV地面或地下變電所，對(duì)變電所高壓回路配置微機(jī)保護(hù)裝置及多功能儀表進(jìn)行保護(hù)和監(jiān)控，對(duì)0.4kV出線配置多功能計(jì)量?jī)x表，用于測(cè)控出線回路電氣參數(shù)和用能情況，可實(shí)時(shí)監(jiān)控高低壓供配電系統(tǒng)開(kāi)關(guān)柜、變壓器微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置、發(fā)電機(jī)控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測(cè)、遙調(diào)、事故報(bào)警及記錄。

（2）能耗管理系統(tǒng)

??建立的能耗監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，對(duì)生物制藥各點(diǎn)位的能源使用、報(bào)警等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。以便生物制藥用戶能夠?qū)崟r(shí)的監(jiān)測(cè)各個(gè)點(diǎn)位的運(yùn)作情況，同時(shí)能更快速的掌握點(diǎn)位的報(bào)警，并為生物制藥削峰填谷、調(diào)整負(fù)載等技改措施提供數(shù)據(jù)支撐。

（3）馬達(dá)監(jiān)控

??馬達(dá)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)對(duì)管廊電機(jī)的保護(hù)、遙測(cè)、遙信、遙控功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)過(guò)載、短路、缺相、漏電等異常情況的保護(hù)、監(jiān)測(cè)和報(bào)警。在需要的情況下可以設(shè)置聯(lián)動(dòng)控制。

（4）智慧消防

??智慧消防云平臺(tái)基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等現(xiàn)代信息技術(shù)，將分散的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警設(shè)備、電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備、智慧煙感探測(cè)器、智慧消防用水等設(shè)備連接形成網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)這些設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行智能化感知、識(shí)別、定位，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集消防信息，通過(guò)云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢(shì)分析，幫助實(shí)現(xiàn)科學(xué)預(yù)警火災(zāi)、網(wǎng)格化管理、落實(shí)多元責(zé)任監(jiān)管等目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)了無(wú)人化值守智慧消防，實(shí)現(xiàn)智慧消防“自動(dòng)化"、“智能化"、“系統(tǒng)化"需求。從火災(zāi)預(yù)防，到火情報(bào)警，再到控制聯(lián)動(dòng)，在統(tǒng)一的系統(tǒng)大平臺(tái)內(nèi)運(yùn)行，用戶、安保人員、監(jiān)管單位都能夠通過(guò)平臺(tái)直觀地看到每一棟建筑物中各類(lèi)消防設(shè)備和傳感器的運(yùn)行狀況，并能夠在出現(xiàn)細(xì)節(jié)隱患、發(fā)生火情等緊急和非緊急情況下，在幾秒時(shí)間內(nèi)，相關(guān)報(bào)警和事件信息通過(guò)手機(jī)短信、語(yǔ)音電話、郵件提醒和APP推送等手段，就迅速能夠迅速通知到達(dá)相關(guān)人員。

（5）充電樁管理平臺(tái)

??充電樁在“源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)、充"信息能源結(jié)構(gòu)中是必*。充電樁應(yīng)用管理同樣是校園生活服務(wù)中必*一部分。

5.相關(guān)平臺(tái)部署硬件選型清單

??5.1電力監(jiān)控及馬達(dá)保護(hù)系統(tǒng)

??5.2能源管理系統(tǒng)

??5.3智慧消防系統(tǒng)

??(1)電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)

??(2)消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)

??(3)防火門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)

??(4)消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)

??5.4充電樁理系統(tǒng)

6.結(jié)語(yǔ) 

??基于中央監(jiān)控平臺(tái)的EMS系統(tǒng)具備車(chē)間能耗監(jiān)控和統(tǒng)計(jì)、分析功能，能夠?qū)崿F(xiàn)大功率設(shè)備監(jiān)控、關(guān)鍵開(kāi)關(guān)合閘和設(shè)備報(bào)警功能。這將提升生物制藥企業(yè)變配網(wǎng)的管理水平和穩(wěn)定性。

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