工厂用电监控系统方案设计

摘要

　　工厂用电监控系统作为工控自动化的一部分，提高工厂用电的智能化和保证用电的可靠性，已越来越受到工厂管理高层的重视。本文通过介绍一种高性价比的工厂用电监控方案，为工厂的管理层提供一个有效的参考。

　　1 前言

　　工厂用电监控实质是SCADA系统（数据采集与监视控制系统），主要由监控中心计算机主站系统、通讯通道和现场的各种远程终端单元构成（即RTU，英文名称Remote Terminal Unit），对工厂的重要电器和供电回路的进行远程监测、控制以及保护，即完成遥信、遥测、遥控、遥调“四遥”功能及保护在内的综合自动化，通过与工厂MIS系统联接，提高工厂管理的自动化水平。

　　工厂用电监控的包括：

　　（1） 工厂自备变电站的高压进线的三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、频率、功率因数、积分电度等电参量的测量，断路器位置判别，断路器的遥控。

　　（2） 工厂自备变电站的变压器的温度和瓦斯信号的判别。

　　（3） 工厂自备变电站的低压出线的三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、频率、功率因数、积分电度、线路谐波等电参量测量，断路器位置判别，断路器的遥控。

　　（4） 高压电动机的三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、频率、功率因数、积分电度等电参量测量，过电流保护、不平衡（负序过流）保护、接地（零序过流）保护、启动时间过长保护、堵转保护、反时限过负荷（热过载）保护、欠电压保护、过电压保护、温度保护、电动机热模型保护、故障范围判别，电动机遥控启停。

　　（5） 低压电动机的三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、频率、功率因数、积分电度等电参量测量，过电流保护、不平衡（负序过流）保护、接地（零序过流）保护、启动时间过长保护、堵转保护、反时限过负荷（热过载）保护、欠电压保护、过电压保护、故障范围判别，电动机遥控启停、正反转及三角形星形转换。

　　（6） 低压电容器的三相电压、三相电流、无功功率、频率、功率因数、积分电度等电参量测量及电容器的远程投退。

　　2　工厂用电监控系统结构

　　3　工厂用电监控系统介绍

　　监控中心可以选择电力版组态软件或专业的SCADA软件，完成数据的显示，远程设备的控制，数据的生成和报表等工作。

　　下面是方案中所用RTU或微机型电动机保护的简单介绍：

　　STC-2交流采样微型RTU的功能

　　不需要电压等变送器，三表法直接准确测量三相交流电压、三相电流、三相有功功率、三相无功功率、频率、功率因数、零序电流、积分电度、等电参量， 可以测量变频器输出。

　　具有3路独立的开关量继电器输出，可以作为遥控、跳闸或者告警。

　　6路开关量光隔输入，也可以作为脉冲量输入。

　　2路直流输入（0-20mA或0-5V），可以接各种变送器。

　　两路通信接口，支持MODBUS规约，支持主站端的热备用。

　　FFT算法，可计算0－31次谐波。

　　MDS-1 微机型电动机保护的功能

　　除了具有STC-2的测量功能外，还具有电动机保护功能。

　　2路RS232/RS485通信接口，支持MODBUS规约。

　　三相异步电动机的过电流保护、不平衡（负序过流）保护、接地（零序过流）保护、启动时间过长保护、堵转保护、反时限过负荷（热过载）保护、欠电压保护、过电压保护、故障范围判别等。

线路三段过流速断保护，反时限速断保护，自动重合闸

　　可以通过正序和负序电流的计算，了解当前电动机是正转还是反转，防止电网事故产生相序错误而导致的电动机烧毁。

　　STC-1直流采样微型RTU的功能

　　8路开关量继电器输出，可以作为遥控、跳闸或者告警。

　　8路开关量光隔输入，也可以作为脉冲量输入。

　　8路直流输入（0-20mA或0-5V），可以接各种变送器。

　　1个标准485通信口，1个RS485/232接口，支持MODBUS或其它规约，扩展更加容易。

　　贴片安装，无外部总线，可靠性高，抗干扰能力强。

　　卡式导轨或螺丝固定

　　STC-101微型RTU的功能

　　16路开关量光隔输入， 支持脉冲计数，支持交直流0～400V输入

　　1个标准485/232通信口，支持MODBUS或其它规约，扩展更加容易。

　　贴片安装，无外部总线，可靠性高，抗干扰能力强。

　　卡式导轨或螺丝固定

　　STC-112直流采样微型RTU的功能

　　4路开关量继电器输出

　　8路开关量光隔输入，也可以作为脉冲量输入。

　　8路直流输入（0-20mA或0-5V），可以接各种变送器。

　　2路隔离模拟量输出，0～10V 或者0～20mA

　　1个隔离 485通信口，1个RS232接口，支持MODBUS RTU或者ASCII或其它规约

　　卡式导轨或螺丝固定

　　贴片安装，无外部总线，可靠性高，抗干扰能力强。

　　4 系统配置

　　对于高低压线路，每个供电回路可以选用一台STC-2进行监控；对于高压电动机的综合监控选用MDS104微机型电动机保护；低压电动机的综合监控可以选用MDS-1微机型电动机保护；对于是否通电的检测，可以选用STC-101微型RTU；对于大量直流量的采集，可以选用STC-1微型RTU；对于需要模拟量进行输出调节，可以选用STC-112微型RTU。

　　三相异步电动机的反时限过负荷（热过载）保护、不平衡（负序过流）保护、启动时间过长保护、堵转保护、接地（零序过流）保护、欠电压保护、过电压保护。

　　三相电动机转子断条、轴承损坏、绝缘监测等故障诊断功能。

　　MDS-104微机型电动机保护的功能

　　三表法测量准确测量三相交流电压、电流、有功、无功、频率、功率因数、零序电流、零序电压等电参量，快速数据刷新速度100次/S。测量数据刷新25次/S,也可以接成两表法使用，两表法下无法进行负序保护

　　具有4路独立的开关量继电器输出，可以作为遥控、跳闸或者告警。

　　6路开关量光隔输入，也可以作为脉冲量输入。

　　4路隔离直流输入（0-20mA或0-5V），可以接各种变送器

　　5 通讯协议

　　基于开放性原则选用业内广泛使用的MODBUS规约。MODBUS规约是MODICOM公司开发的一个为很多厂商支持的开放规约。通过此规约，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信，它已经成为一通用工业标准。

　　本方案中的RTU和微机型电动机保护支持MODBUS规约的子集，主要功能码为：

　　Read Coil Status （读继电器输出）

　　Read Input Status （读开关量输入）

　　Read Holding Registers（读保持寄存器）

　　Read Input Registers （读输入寄存器）

　　Force Single Coil （设置单个继电器）

　　Preset Single Register （设置单个保持寄存器）

　　Force Multiple Coils（设置多个线圈）

　　Preset Multiple Registers（设置多个保持寄存器）

　　Read General Reference （读文件）

　　Write General Reference （写文件）

　　Read FIFO Queue（读FIFO队列）

　　6　典型应用

　　下面以一个典型的10KV/400V变电站加以说明，一次接线图如下：

　　配置如下：

　　每个开关采用一台STC-2产品。10KV采用2表法，400V采用3表法，测量电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、谐波等。每个开关有两个位置信号，每个隔离开关有一个位置信号，每条线路还有1路电度表脉冲信号，需要5个开关量输入，STC-2有6路，1路备用。STC-2开关量断电器输出有3路，分别用于控制合闸、跳闸，1路备用。

　　131母联开关采用1台STC-2测量10kv母联电流，431采用1台STC-2测量400V母联电流。

　　电动机保护采用MDS-104，测量电压，电流，功率，无功，功率因数，提供三相异步电动机的过电流保护、不平衡（负序过流）保护、接地（零序过流）保护、启动时间过长保护、堵转保护、反时限过负荷（热过载）保护、欠电压保护、过电压保护、故障范围判别等。

　　电容器可以采用STC-2或者MDS-104，STC-2仅仅进行测量，MDS-104可以进行电容器的过电压保护。

　　监控中心主站端由于规模小，采用1台工业控制计算机，通过1个隔离RS232/485转换器，连接各台设备构成RS485网络，软件采用国内的组态软件。

　　7 结语

　　整个系统开放性好，易扩容，易维护，安装简单，投资少，性价比高，是系统集成商的理想选择。