智能建筑变配电自动控制系统...

本文对建筑物内电气系统设备智能化管理逐一概述，以便使智能建筑达到节能效果。

(Jiahui Electromechanically Equipment maintenance Center 032200,China)

关键词：智能建筑 变配电 自动化 节能

　　变配电智能化系统是建筑物自动化系统(BAS)中的一个重要组成部分。建筑物自动化是对整个系统来进行综合控制管理的统一体。这种系统以计算机局域网络为通信基础，以计算机技术为核心，具有分散监控和集中管理的功能。它是与数据通信、图形显示、人机接口、输入输出接口技术相结合的，用于设备运行管理、数据采集和过程控制的自动化系统。

　　1 电气系统主要监测控制内容有：

　　(1)电源监测 对高低压电源进出线的电压、电流、功率、功率因数、频率的状态监测及供电量积算。

　　(2)变压器监测 变压器温度监测、风冷变压器通风机运行情况、油冷变压器油温和油位监测。

　　(3)负荷监测 各级负荷的电压、电流、功率的监测，当超负荷时系统停止低优先级的负荷。

　　(4)线路状态监测 高压进线、出线、二路进线的连络线的断路器状态监测、故障报警。

　　(5)用电源控制 在主要电源供电中断时自动启动柴油发电机或燃气轮机发电机组，在恢复供电时停止备用电源，并进行倒闸操作。通过对高低压控制柜自动的切换，对系统进行节能控制；通过对交连开关的切换，实现动力设备联动控制；对租户的用电量进行自动统计计量。

　　(6)供电恢复控制 当供电恢复时，按照设定的优先程序，启动各个设备电机，迅速恢复运行，避免同时启动各个设备，而使供电系统跳闸。

　　2 电气系统的监测控制

2．1智能建筑监测控制点划分为以下几种：

　　(1)显示型 包括运行状态、报警状态及其他。显示主接线图、交直流系统和UPS系统运行图及运行参数，对系统各开关变位和故障变位进行正确区分，对参数超限报警。

　　(2)控制型 包括设备节能运行控制、顺序控制(按时间顺序控制或工艺要求的控制)。

　　(3)记录型 包括状态检测与汇总表输出、积算记录及报表生成、对事故、故障进行顺序记录，可以查询事故原因并且显示、制表和打印，可绘制负荷曲线并且显示、打印运行报表。

　　(4)复合型 指同时有两种以上监控需要。

　　2．2变配电设备控制

　　(1)高压进线、出线、连络线的断路器遥控。

　　(2)低压进线、出线、连络线的断路器遥控。

　　(3)主要线路断路器的遥控，如配电干线、消防干线的断路器遥控，对水泵房、制冷机房、供热站供电的断路器；以及上述站房的进线断路器遥控。

　　(4)电动机智能控制。

　　(5)电源馈线，设过电流及接地故障保护，三相不平衡监测，重合闸功能，备用电源自动投入。

　　(6)变压器。设计有内部故障和过载保护、热过载保护。

　　(7)分段断路器。设置电流速断保护、过电流保护。

　　2．3 备用发电机监测控制 测量和控制内容有：

　　(1)发电机线路的电气参数的测量，如电压、电流、频率、有功功率、无功功率等。

　　(2)发电机状况监测：如转速、油温、油压；油量、进出水温、水压、排气温度、油箱油位等。

　　(3)发电机和线路状况的测量。

　　(4)发电机和有关线路的开关的控制。

　　(5)有直流电源时，对它的供电质量(电压、电流)监测报警。

　　2．4 变电所的保护功能 一般10KV变电所需要的保护功能有：

　　(1)引入线 电网电压和频率监测，相间和相对地故障、三相不平衡、自动重合闸。

　　(2)变压器 内部过载和故障、热过载。

　　(3)电动机 内部过载和故障、电网和负载故障、电动机起动工况监测。
　　
　　3智能建筑变配电设备监控系统的组成

　　变配电设备监控系统和其他建筑物自动化系统一样由控制分站和中央站组成。它的输入信号由传感器提供，输出信号使各种开关动作或报警，在监控中心可以安装动态模拟显示器和操作台。它的功能有显示和控制主开关或断路器的状态，对应急或备用电源的控制等。可以取代普通的控制和信号屏。变配电所一般不需要重复设置信号控制屏。图1是一种变配电设备监控系统的设备组成。普通的监测系统是在变配电设备上增加一些传感器。如果是智能化断路器或继电器，它有内置传感器，可以从通信接口取得信号。
　　
　　3．1 传感器(Sensor)和执行器(Actuator) 传感器或执行器是将电量或非电量转化为控制设备可以处理的电量的装置。电量传感器是一种将各种电量如电压、电流、频率及功率因素转换为数字量或计算机能接受的标准输出信号(电流0～5A，4～20mA或电压0～10V)。用于建筑物管理系统对于建筑物内变配电系统各种电量的监测记录。它有电流互感器、电压互感器及多参数电力监测仪。多参数电力监测仪可以监测单相或三相电力参数，如电压、电流、频率、功率因素、谐波和电能，可提供测量计量参数监视能量管理等功能。它还提供通信接口如RS485、4～20mA输出或脉冲输出。

　　3．2控制分站＼电子继电器及智能断路器 控制分站按照是否实现闭环控制功能区分为分散控制型(Distributed Control Panel,DCP)和数据采集型(Data Gathering Panel，DGP)。控制分站主要完成实时性强的控制和调节功能。目前，一般系统采用智能型控制器。这种智能型控制器的控制分站可以采用下列设备：

　　1)采用单片机或单板机的智能控制器。

　　2)采用可编程控制器(PLC)。

　　3)采用微机(PC)如工业控制机。

　　建议采用微机配置适当的输入输出卡，它可以处理模拟量或开关量，具有多个通信口，具体可以进行技术经济比较来确定。

　　3．3中压开关柜微机保护监控系统 智能化中压开关柜配置了微机保护和控制单元或电子继电器，取代了机电式继电保护。微机保护和控制单元安装在开关柜上。它的特点是保护功能可靠性高，速度快，精度高，保护稳定性及其灵敏度优化组合，不受电流互感器的限制，具有自检功能和抗环境电磁干扰能力。它还具有一些新的功能，如故障录波、通信、遥控、遥测、遥信等功能。

　　它有对各种电量的计量、监测、报警作用。为满足不同的应用要求如进线和馈线、变压器、电动机、母线的保护，具有相应产品。它提供完善的监控保护功能，一般提供网络通信接口：如RS232，RS485可以接入BAS系统，可以实现远方监控。
　　
　　微机保护监控系统可以减少控制室的面积，减少控制电缆，减少维修工作量，进一步提高供电可靠性。供配电系统的继电保护、测量控制信号集中于一体的多功能微机智能控制单元如图1所示。
通信口 键盘 打印机

人 机 接 口

CPU
输入回路 存储器 出口回路 开关装置

电源
图1 多功能微机智能控制单元

　　微机保护装置分为输入回路(交流接口单元)、出口回路(直流接口单元)、CPU单元、存储器、人机接口和电源。

　　1) CPU单元 为微机继电保护装置的核心，用来完成数据收集计算逻辑判断处理、发出跳合闸命令等功能。还可以同上层控制机通信，实现远方修改定值传递保护信息，打印故障报告等功能。由于电力系统正常运行时的参数与故障时的参数相差十分悬殊，有的甚至相差几十倍，所以输入信号动态范围大，一般采用分布式结构。按照单元设置CPU，双机并行工作。

　　2)存储器 有定值存储器、程序存储器、数据存储器等。定值存储器储存各种保护设定值，该芯片具有断电内容丢失功能，且可在线修改内容。数据存储器RAM用来存取现场的各种输入输出的内容、中间运算结果和判断结果，按需要时读出、写入或改写，一般用22K的芯片。程序存储器则用于存储已编好并具有保护功能的应用程序，一般用可改写的存储器EPROM。

　　3)输入回路(交流接口单元)。电力系统的电流、电压等数字，经电压互感器、电流互感器转换成100V或5A信号，由于这种信号数值大大超过微机所能接受的电压标准；这些参数在故障时变化很大，微机只能识别电压，所以必须把经过电压互感器、电流互感器变换后的电压电流再经交流接口电路转换成微机可能接收的电压值。并且在故障情况下也不会超过这个范围。为了限制输入信号的最高频率，采用低通滤波器，采样频率应等于或大于被测信号频率。在故障时电力系统可能出现高次谐波，实际的采样频率是工频的几倍甚至几十倍。另外，继电保护的快速动作要求以及程序需要充分的执行时间，为了便于运算，采样频率常用600Hz。

　　4)出口回路(直流接口单元) 它包括出口跳闸继电器及磁保持继电器及发光二极管组成的灯光信号等。由于采样后的离散数字量也是瞬时值，不能直接用来判断系统状态，必须采用某种数学方法得出表征系统特性的参数，并与相应的整定值进行比较，从而做出保护动作与否的判断。特别是电力系统包含非线性铁磁元件，分布电容、补偿电容，使得短路电流中含有衰减的非周期分量和高频分量。为了克服这些因素的影响，除了采用滤波措施外，必须采用合适的数学方法。

　　5)人机接口，有键盘、通信口、打印机、显示装置。通信口完成智能开关设备连接，一般用现场总线，如Lonworks，CANbus，Profibus总线等。

　　6)电源 常用交流稳压电源、DC-DC和蓄电池。

　　3．4 低压配电系统的综合自动化 低压配电系统的综合自动化可以有两种方式实现：一种方式是采用智能型断路器；另一种方式是采用智能型控制单元。而智能型控制单元又分为两种，一种为电动机控制器，另一种为馈电控制器。从技术经济角度综合考虑目前多数工程对大容量断路器的框架式断路器采用智能型断路器，而对其他回路采用智能型控制单元。

　　1)智能型断路器 智能低压断路器带有微处理器的控制器，它的保护作用具有长延时、短延时、瞬时过电流保护、接地、欠电压保护等。此外，还可以对负荷监测和控制、远方显示、测量电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、谐波和电能等。测定故障电流、故障显示、接地故障时选择性闭锁、数据远传、自检。通过网络通信接口RS232、RS485、RS422可以接人BAS系统。它可与上位进行数据交换，可接受上位机的指令，可与上位机进行数据交换，可由上位机对断路器进行遥控操作，对断路器的整定值进行修改。它具有内置的电流互感器。

　　2)智能电动机控制器 智能电动机控制器可以提供对电动机的保护和监控功能。智能电动机控制器可以提供的保护功能有过载、缺相、欠载、空载、堵转、漏电、相电流不平衡、转速、温升等。智能电动机控制器可以应用于电机直接起动、正反转、直接起动附加控制单元、星／三角起动、自耦变压器起动、软起动等运行方式。它的显示功能、通信功能与智能型断路器一样。此外，还具有存储功能，能存储近期的运行状态、故障报警信息及各种参数值，它还有通信功能。
　　
　　3)智能型馈电控制器 智能型馈电控制器基本和智能电动机控制器一样，它的保护功能较简单，如设置了接地、过电流等保护功能。
　　
　　智能型电动机控制器、智能型馈电控制器可以装在低压配电屏的抽屉上，对那些仅需由控制室监视其位置的断路器，可以装置多回路监控单元，对多台断路器进行监视。电子继电器、智能断路器及智能电动机控制器相当于控制分站和传感器，变电所管理分站是一台微机。

　　3．5发电机组微机监控系统

　　发电机组微机监控系统可以提供发电机的电气参数及热工参数，可以将发电机组微机监控系统与变电所管理分站联网。变电所管理分站可以对发电机组进行起动、停止运行等控制，如图2所示。
　　
　　4配电系统控制软件功能

　　软件一般和设备配套，采用专用软件，如配电系统监控和能量管理软件，也可以采用通用监控软件，又称监控和数据采集软件(SCADA)。对软件的要求是：具有良好的人机界面，能够满足用户
中央站 网络

通信线 变电所
管理分站
通信线 总线
通信线
控制分站
数 模 通 通 通 通 通
字 拟 信 信 信 信 信
信 信 线 线 线 线 线
号 号
线 线
电子 智能 多参数 智能电动 微机保
传感器 继电器 开关 测量仪 机控制器 护装置

图2 变配电设备监控系统的设备组成

　　多种要求，它提供的基本功能有：

　　(1)实时数据采集，形成实时数据库。

　　(2)遥信遥控，对电量越限，事故报警。

　　(3)诊断功能，在线帮助。

　　(4)各种电量的遥测和图表显示 如系统能量分配图、系统单线图。

　　(5)报表生成功能 如日报表、24h电压、电流报表、开关动作报表、电量平衡报表。

　　(6) 与BA系统交换信息。

　　系统所配软件除了一般的数据处理功能外，应有下列功能(装设有备用电源的场合)：

　　(1)停电处理 市电断电时，自动按照发电机容量将负荷投入／切断，此时只有火灾意外程序及手动操作可以执行输出操作。

　　(2)电力需求监视／控制 自动调峰控制，进行电力需求控制，在用电量超过合同供电量时，将负荷切除。

　　(3)事件程序 监视点的状态变化、报警、指定恢复条件、设定状态动作，可以进行与／或等逻辑条件设定动作。

　　(4)恢复供电程序 恢复供电后，在将自备发电切换为商业用电时，可按照自动或手动的恢复供电指令操作，并依照自备发电时的强制驱动控制让运转机器停止运作，然后一边参照时间表一边让停电瞬间正在运转中的机器自动起动(投入)。在部分停电的场合，可以手动恢复该点供电。