珠海会展中心项目中的智能配电系统设计

摘要:智能配电系统是建设有中国特色坚强智能电网的重要组成部分。随着现代建筑物功能日趋复杂，建筑规模日渐庞大，建筑内设备愈加繁多，对建筑内部设备、配电系统监测、控制、保护等方面的稳定可靠、智能化和自动化要求也越来越高。

智能配电系统与普通配电系统的最大的不同是其具有通信功能，而这也是智能配电系统“智能”两字的由来和本文的主要研究内容。在保证配电系统稳定可靠的前提下，如何将最新的电气技术、电气产品应用在工程设计中，使工程设计不仅符合现行规范要求而且能为日常管理及维护工作带来便利，满足先进性的同时又兼顾经济性，是本文的主要研究目的，本文主要叙述了配变电所电力监控系统，其中包括：系统基本功能、系统拓扑结构、工程设计、RS485 接口、MODBUS 通信协议、3000 型电力监控系统软件，最后分析了漏电火灾报警系统以及智能应急照明系统。

关键词：智能配电、电力监控、系统拓扑、报警系统、照明系统

一、配变电所电力监控系统

（一）系统基本功能

配变电所电力监控系统位于民用建筑智能配电系统的最上级。通过电力监控系统，管理员可以对建筑内部用电情况有全面且详细的了解。其基本功能如下：

1．数据采集与处理

数据采集与处理是供配电系统安全监视和控制的基础，监控系统可实时采集电气设备的模拟量（电流、电压、电度、频率、温度等）和开关量（断路器等的位置信号、继电保护及自动化装置信号、设备运行状态信号等）。监控系统将采集到的数据经过实时处理后，送往监控主机和用来更新数据库，对模拟量进行合理性校验、上下限比较，并为其他自动化系统（如 SAS 安保监控、BAS 楼宇自控、FAS 火灾自动报警等）的相应管理功能提供必要的信息。

2．操作控制功能

1）在站控管理层，操作人员可通过总站监控主机对受控对象进行操作控制。

2）在现场设备层可通过就地控制按钮进行操作控制。上述两种操作控制，对受控对象而言，两种控制方式在同一时刻，只有一种有效。

3）界面操作显示功能：图形显示高、低压配电系统电气主接线图，具有画面浏览及大画面快速操作导航图、实时动态刷新显示、模拟量和开关量显示、连续记录显示、事故顺序记录显示及电力品质分析等功能。

4）电能成本管理：自动运行小时、日、月、年的电能统计，可进行峰、谷、平时段设定，实现具有电能分时计费的小时、日、月、年报表并同时完成的功能。

5）故障追忆及分析功能：在配电系统发生故障后，系统自动记录故障发生前、后的相关参数数据，自动生成故障智能分析报告，事故后可从计算机中调出，便于分析事故原因。

6）时间顺序记录功能：自动记录断路器及继电器保护信号的动作先后顺序。其分辨率≤2ms。

7）历史时间查询和报警处理功能：可任意查询历史事件；对模拟量越限和开关量状态变化及时报警。

8）运行报表、负荷曲线自动生成功能：系统能够自动生成各类运行报表、按用户要求和方式编制值班记录、交接班记录、继电保护定值表、设备检修记录表、运行人员值班表等。

9）数据库的建立与查询功能：微机监控系统将实时采集来自个分设备的各种信息，经过处理后形成标准的数据库，并实时更新数据库。

10）在线维护功能：各类画面、报表的在线编辑等。

（二）系统拓扑结构

配变电所电力监控系统的拓扑结构一般采用分散、分层、分布式结构。按间隔单元划分，整个系统分为如下三层：现场设备层、网络通讯层及站控管理层。

1．现场设备层

现场设备层的主要设备由多功能继电保护装置、多功能电力网络监控仪表及开关量、模拟量采集模块、继电器输出模块等组成。这些装置和模块与一次设备对应分散式配置，就地安装在开关柜内。各监控单元相互独立，不依赖计算机，系统可靠性高。这些设备均带有网络通信 RS485 接口，通过总线将相关设备连接起来，上传至网络通讯层，完成保护、控制、监测和通信功能。同时还具有动态显示（如开关状态、运行参数、保护设定值）以及故障信息和事故记录等功能。各监控单元可以不依赖网络而独立完成对监控对象（一次设备的保护）的测量及实时进行监控。

2．网络通讯层

网络通讯层位于站控管理层与现场设备层之间，它的主要任务是完成现场设备层和站控管理层之间的网络连接、转换和数据、命令的传输与交换，通过以太网可以实现与安全防范系统（SAS）、建筑设备监控系统（BAS）和火灾自动报警系统（FAS）等自动化系统的网络通信，以达到信息资源共享。网络通讯的主要设备，由于各厂家网络系统的不同，设备设置也有差异。一般采用现场管理机，对现场设备层的各测控单元模块的数据采集上传给站控管理层主机、并对现场各采集单元进行管理和调试；或设置网络服务器、以太网交换机、通讯处理器等将网络升级为以太网。为便于管理及节省成本的目的，目前大部分系统均采用第二种方式，即省去了中间的管理设备，网络通讯层的设备主要用来连接各个通讯网络。

3．站控管理层

站控管理层位于控制室或值班室内，并配置高性能工业控制计算机、显示器、打印机、UPS 不间断电源、报警音箱、GPS 对时机构及动态模拟屏等。安装在工业计算机内的控制软件，将中间传来的现场设备的数据，通过人机界面的方式显示给用户，通过处理发送命令给现场控制层设备，完成相应的操作（如跳闸、合闸、报警等）和整定设置。

（三）工程设计

现场设备层在工程设计中的应用也可分为图中的三种形式。最左侧的微机保护装置一般用于高压一次设备的监控。通过负荷电流、短路电流等的计算来整定继电保护装置的不同动作阀值，用以实现对配电变压器、高压线路及高压分列运行的母线分段断路器等设备的保护。同时满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求。就目前的工程来说，高压继电保护的前端供电资料及最终的数值整定都由供电部门根据线路的实际情况计算确定，本文对于继电保护与智能配电系统的联系将不作展开。中间的电力仪表及电动机保护器主要用于低压配电线路及电动机设备运行时各电力参数的监控。可实时反映当前设备及线路运行情况。通过与一般断路器的配合，可实现遥信、遥测、遥控等功能。最右侧的智能断路器及四遥单元与第二大类最大的区别是采用了智能断路器。智能断路器其本身自带通讯功能，且一般采用电子脱扣器，则在功能上可轻松实现遥信、遥测、遥控的功能，更可通过与监控主机的通讯完成远程控制参数的调整。其将是配电系统的智能化发展趋势。对于有现场显示要求的场所，采用智能断路器的形式还必须增加现场显示附件，否则只能通过监控主机查询各项电能及状态参数。而纯采用智能断路器的形式更适用于无人值守的变配电站。

（四）RS485 接口

1、RS485 接口的发展

RS-232、RS-422 与 RS-485 都是串行数据接口标准，最初都是由电子工业协会（EIA）制订并发布的，RS-232 在 1962 年发布，命名为 EIA-232-E，作为工业标准，以保证不同厂家产品之间的兼容。RS-422 由 RS-232 发展而来，它是为弥补 RS-232之不足而提出的。为改进 RS-232 通信距离短、速率低的缺点，RS-422 定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到 10Mb/s，传输距离延长到 4000 英尺（速率低于 100kb/s时），并允许在一条平衡总线上连接最多 10 个接收器。RS-422 是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为 TIA/EIA-422-A 标准。为扩展应用范围，EIA 又于 1983 年在 RS-422 基础上制定了 RS-485 标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为 TIA/EIA-485-A 标准。

2、RS485 接口的特点

1） RS-485 的电气特性：逻辑“0”以两线间的电压差为+（2—6） V 表示；逻辑“1”以两线间的电压差为-（2—6）V 表示。

2） RS-485 的数据最高传输速率为 10Mbps

3） RS-485 采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力即抗噪声干扰性好。（共模干扰往往是指同时加载在各个输入信号接口段的共有的信号干扰。共模干扰是在信号线与地之间传输，属于非对称性干扰。）

4） RS-485 最大的通信距离约为 1200M，最大传输速率为 10Mb/S，传输速率与传输距离成反比，在 100Kb/S 的传输速率下，才可以达到最大的通信距离，如果需传输更长的距离，需要加 485 中继器。RS-485 总线一般最大支持 32 个节点，如果使用特制的 485 芯片，可以达到 128 个或者 256 个节点，最大的可以支持到 400 个节点。

3、RS485 布网

RS485 有两线制和四线制两种接线，四线制只能实现点对点的通信方式，现很少采用，现在多采用的是两线制接线方式，这种接线方式为总线式拓朴结构在同一总线上最多可以挂接 32 个结点。在 RS485 通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机，主机多为 PC 机。由于 PC 机默认的只带有 RS232 接口，有两种方法可以得到 PC 上位机的 RS485 电路：（1）通过 RS232/RS485 转换电路将 PC 机串口 RS232 信号转换成 RS485 信号。（2）通过 PCI 多串口卡，可以直接选用输出信号为 RS485 类型的扩展卡。RS-485 通信网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，不支持环形或星形网络。在低速、短距离、无干扰的场合可以采用普通的双绞线，反之，在高速、长线传输时，则必须采用阻抗匹配（一般为 120Ω）的 RS485 专用电缆（STP-120Ω（for RS485 & CAN） one pair 18AWG），而在干扰恶劣的环境下还应采用铠装型双绞屏蔽电缆（ASTP-120Ω（for RS485 & CAN） one pair 18AWG）。在使用 RS485 接口时，对于特定的传输线路，从 RS485 接口到负载其数据信号传输所允许的最大电缆长度与信号传输的波特率成反比，这个长度数据主要是受信号失真及噪声等影响所影响。理论上，通信速率在 100Kpbs 及以下时，RS485 的最长传输距离可达 1200 米，但在实际应用中传输的距离也因芯片及电缆的传输特性而有所差异。在传输过程中可以采用增加中继的方法对信号进行放大，最多可以加八个中继，也就是说理论上 RS485 的最大传输距离可以达到 9.6 公里。如果真需要长距离传输，可以采用光纤为传播介质，收发两端各加一个光电转换器，多模光纤的传输距离是 5~10 公里，而采用单模光纤可达 50 公里的传播距离。在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用 RS-485 串行总线标准。

（五）MODBUS 通信协议

MODBUS 是 MODICON 公司最先倡导的一种通讯规约，经过大多数公司的实际应用，逐渐被认可，成为一种标准的通讯规约。只要按照这种规约进行数据通讯或传输，不同的系统就可以通讯。目前，在 RS232/RS485 通讯过程中，更是广泛采用这种规约。

常用的 MODBUS 通讯规约有两种，一种是 MODBUSASCII，一种是 MODBUSRTU。一般来说，通讯数据量少而且主要是文本的通讯则采用 MODBUS ASCII 规约，通讯数据量大而且是二进制数值时，多采用 MODBUS RTU 规约。MODBUS 通信协议基本上是遵循主从的通信步骤（半双工通信方式），有一方扮演主角色，采取主动询问方式，送出询问信息给从方，然后由从方依据接受到的询问信息内容准备应答信息回传给主方。即使目前硬件通信已经可以达到双方互相主动通信的能力，但是根据MODBUS 通信协议的规定，必须一方为主，另一方为从，不能互换角色。一般使用上，监控系统都为主方，PLC、电表、仪表等都为从方。监控系统一直巡检从方的各种中继以及寄存器的最新数值，然后做出显示及各种逻辑计算机控制调整等处理。MODBUS 协议只允许在主机（PC，PLC 等）和终端设备之间通讯，而不允许独立的终端设备之间的数据交换，这样各终端设备不会在它们初始化时占据通讯线路，而仅限于响应到达本机的查询信号。

（六）3000 型电力监控系统软件

智能仪表与通信网络的组合完成了整个配电网监控系统各电量数据采集及传输，最后这些数据在主控层由计算机系统汇总、处理，并转化成我们需要的各种格式的图表。实际工程设计采用 3000 型电力监控系统软件来进行相应的数据处理。以下是 3000型电力监控系统软件较有特色的一些功能。3000 型电力监控系统软件具有友好的全中文人机交互界面。标准的变配电系统具有 CAD 一次单线图显示中、低压配电网络的接线情况，庞大的系统具有多画面切换及画面导航的功能。分散的配电系统具有空间地理平面的系统主画面。系统主画面的一次接线图显示工程名称、开关柜编号、回路编号及回路名称等信息，其中回路的名称可有系统级管理员自定义更改，画面还可显示 SOE（事件顺序）实时记录窗口、系统功能快捷键、当前操作人员、系统当前时间及系统运行天数等信息。空间地理平面的主画面显示了该工程区域各变电箱的地理位置等信息。系统主画面可直观显示各回路的运行状态，并具有回路带电、非带电及故障着色的功能。主要电参量直接显示于人机交互界面并实时刷新。如变压器进线、重要出线的电压、电流、功率、频率等。一般出线的三相电流信息等。还可通过调用重要回路子画面查看该回路的详细电参量信息。

二、漏电火灾报警系统

（一）系统结构

漏电火灾报警系统，顾名思义，是一种对线路漏电电流监控并对故障电流进行报警的，能有效预防由漏电电流引起的火灾的报警装置。漏电火灾报警系统的系统结构与上一章中的电力监控系统相似。也可分为现场设备层、网络通信层及站控管理层这三层结构。其中现场设备层的设备主要是各种剩余电流探测器，网络通信层的设备主要是区域的监控单元及网络设备，站控管理层的主要设备为监控主机。系统一般由一台主机和若干个剩余电流探测器、监控模块经总线连接而成。主机通过内置的多端口集线器以总线方式连接各种剩余电流探测器及监控模块。根据品牌不同主机所带总线回路数，及每回路总线可连接监控节点数亦有不同。较为常见的产品最大监控点数为32 总线回路，每回路接 128 个监控点，合计 4096 点。系统通常采用 RS-485 二总线方式传输通讯，为半双工的通信方式，由主机对系统内的所有监控点位按一定周期进行巡检。如遇故障信息则报警，监控主机需放置在有人值班的监控室内。对于通讯距离超长的情况可以通过总线隔离模块接续。当被保护线路中发生接地剩余电流时，探测器测到报警信号，传送给监控模块，通过总线网络传输到主机发出声光报警信号；主机显示屏同时显示报警地址，记录并保存报警和控制信息，值班人员可在主机处远程操作切断电源或派人到现场排除剩余电流故障。漏电火灾报警系统集电气监测、分析、预警、报警及控制于一体，具有监控范围大、反应速度快、报警准确、操作灵活、安装维修方便等特点。

（二）剩余电流探测器的工作原理

漏电火灾报警系统是利用电流互感器检测电流的原理检测漏电电流的大小。一般一个电流互感器只能用在配电系统的 A 相、B 相或 C 相的一相上，用以检测该相上的电流大小。剩余电流互感器的用法则不同，需要将各相及 N 相上的线缆均穿过剩余电流互感器，通过检测电流矢量和的大小来判定线缆中的漏电流是否超过正常值。此时如无漏电现象的话，其矢量和为零。即：Ia + Ib + Ic + In=0。若有漏电存在，则矢量和不为零，同时在剩余电流互感器上便产生了感应电流，通过对检测到的剩余电流值与系统设定值的比较，就可以对配电线路进行预警和报警了。

三、智能应急照明系统

（一）系统定义

智能应急照明系统采用集中监控方式，通过信息技术、计算机技术和自动控制技术对目标楼宇消防安全通道内的各类消防灯具进行实时监控，以达到产品维护、安全疏散智能化的目的。与传统应急照明系统不同的是，智能应急照明控制系统更强调对应急照明线路及终端灯具状态的全监控，并可根据火警信息，对疏散逃生路线进行合理调整。

（二）系统结构

本工程设计采用了 ZB-S 智能应急照明控制系统。一般控制站设于消防控制中心内，控制系统电池组集中安置于 ZB-S主站,有实时监测和过流过压保护。系统中 ZB-S 主站和 US-S 分站通过 CG-S 总线联网,并可接入中央图形监控计算机，集中监控所有主站、所有回路、所有灯具的运行工作状况，实时显示系统信息。系统中 ZB-S 主站为三相供电，US-S 分站的应急电源由 ZB-S 主站供电。系统中所有应急照明灯具配接 CG-S 地址检测模块, 具有唯一地址识别码,实现对终端灯具和线路的检测。系统中外部总线模块用于监测外部交流电源状态,以及接受一些外部型号(例如火灾报警系统信号),通过编程实现应急切换,或实现应急照明灯具的正常照明时的开关控制。系统中所有传输回路,正常状态时传输AC220V,应急状态时传输 DC220V,传送检测信号采用电力载波技术，无需另外敷设数据线。各防火分区的应急照明灯具统一接入到相应主站的回路上，不能跨分区跨回路连接。各类灯具(持续型，后备型，开关控制型)可混合接入，工作电流不大于 6A，数量在 20 个以内。

ZB-S 系统作为一款纯进口的产品，其在设计理念及通信、控制技术上均是领先于国内同类产品的。而在智能应急照明系统成为大型公建项目消防系统重要组成部分的今天，ZB-S 系统仍具有一定的技术优势。

总结

智能配电系统是建设有中国特色坚强智能电网的重要组成部分。智能配电系统可以对各种用电设备的历史运行数据和状态进行分析，由此便于维护人员明确设备状况，制定详细的设备维护计划，减少劳动力，提高效率。同时，通过对用户分时段用电历史数据的研究，分析建筑能耗情况，并针对性地采取节能降耗措施，降低用电成本。

相信随着科技不断进步，更多更优的智能配电系统产品也将在工程设计中得以应用。伴随着绿色能源的兴起，智能电网建设的完善，对珠海大型会馆、商场酒店及工矿企业的现代化的运行管理都有极大的推进作业。我们的城市生活亦将更为美好。

参考文献

[1] 住房和城乡建设工程质量安全监管司中国建筑标准设计研究院. ISBN 978-7-80242-454-8《全国民用建筑工程设计技术措施：2009 年版. 电气》，北京，中国计划出版社，2009

[2] 建设部工程质量安全监督与行业发展司中国建筑标准设计研究院. ISBN 978-7-80177-773-7《全国民用建筑工程设计技术措施：节能专篇：2007.电气》，北京，中国计划出版社，2007

[3] 王柯. 建筑智能化与节能设计，《智能建筑电气技术》2011 年，第 5 卷，第 1 期，38~40 页.

[4] 林毅宏. 智能楼宇建筑电气节能现状及节能设计研究，《自动化与仪器仪表》，2011 年，第 3期，135~136 页.

[5] 魏帆. 智能配电网的实用化，《农村电气化》，2011 年，第 3 期，48~49 页.

[6] 王益民. 坚强智能电网技术标准体系研究框架，《电力系统自动化》，2011 年，第 22 期，1~6页.

[7] 陈平，王宏. 智能低压配电系统的分析及实现，《低压电器》，2010 年，第 21 期，25~28 页.