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新工科背景下集成化智能配电网监控系统实验室建设研究

范文

刘燕张奕秦维勇王科刘月

摘? ?要：交叉融合是工程创新人才培养的着力点，多学科知识的综合应用是解决复杂工程问题的基础。文章将学校运行的电气工程项目“东湖校区电力能耗管理系统”、“东湖校区1.1兆瓦光伏电站”、“供配电系统”融入新建的智能配电网监控系统实验室，使实践教学融入新能源技术、配电网、用户侧管理、电力系统通信、电力系统监控等知识的综合应用，教学过程呈现实时化、实景化、多维度交叉的景况。文章在介绍了三个实际电气工程项目的基础上提出了集成监控系统的设计思路和方法，给出了各个监控平台实现集成后运行的检测数据，提出基于监控平台开发实验项目的理念;构建的智能配电网监控实验室体现了新工科背景下解决电气工程复杂工程问题的核心指标，具有互联互动、灵活柔性、可开发共享的特点，在教学中产生了很好的教学效果和更高的教学效能。

关键词：智能配电网监控实验室;光伏电站;建筑能耗监管平台;供配电系统

中图分类号：G482;TN9 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2021）01-0087-06

一、引言

新经济态势下电力行业新技术、新业态不断涌现，新能源开发利用规模逐年扩大，电气工程专业的发展被赋予了更廣泛的技术内涵，更多的融合通信、计算机、互联网等知识将是专业发展的必然。[1][2]新工科背景下电气工程专业教学需要综合运用专业知识解决电气工程领域复杂工程问题指标。在教学环节中需要融入对工程原理分析、多学科知识的综合，在实践教学项目中要涉及多方面的技术、工程和其它因素，为此对电气工程专业实践教学体系的建设提出了更高的要求。

我校现有东湖、东南两个校区，近年来校园内建成几个与电气专业技术密切相关的实际工程，有光伏电站、建筑能耗管理系统、高低压供配电系统，这些工程涵盖了新能源、配电网、用户侧管理、电力系统通信、电力系统监控等知识的综合应用，体现着新能源、电力装备及供配电网络的智能化知识结构的发展趋势，是新工科背景下宝贵的教学资源。如果这些系统在完成自身工程应用的过程中还能成为电气工程专业实践教学的一部分资源，那将为教学提供实时、实体、直观、现场的优质资源，也可以使电气工程专业实验、实践教学系统更好地契合到专业知识的综合应用中，既提升学生解决复杂的实际工程问题的能力，也将产生更好的教学效果和更高的教学效能。[3][4]几年来我们做了这方面尝试，并取得很好的效果。

二、校园现有的电气工程资源

1.东湖校区光伏电站工程

2013年阿特斯公司利用我校东湖校区学生公寓屋顶光资源建设了太阳能光伏电站。该电站占用学生公寓楼21幢，装机容量为1.1MWp;最大年发电量113.8万KWh。该电站采用集中式逆变器。4个逆变器安装于三个大型的逆变箱内，布置于学生公寓区。逆变后的电能通过电缆将交流电输送至变配电所内。该电站运行三年来，发电量逐年增长，现已成为电网的有力补充和支撑。由于该电站属于第一批兴建的光伏电站，其监控系统极不完善，其中逆变器只能凭经验及出口数据判断其运行状态，无法做到远程监控及测量。而该系统运行产生的实时数据量大、运行变化方式多样，是光伏发电很好的教学案例。只要在原电站基础上增加远程监控部分，将其运行的实时数据资源通过网络接入至新建智能监控配电网实验室，即可从数据资源对光伏发电效率、运行状态、电能质量提升等开展监测分析与研究。为此我们将改建该电站的监控部分，增加部分智能设备，构建远程监控平台，使之成为光伏电站实时运行的组成部分，更成为智能配电网监控实验教学体系中的一部分。

2.东湖校区建筑能耗监管平台工程

2016年为了实现对校园用电能耗的全面监测与管理，健全校园节能降耗机制，实现建筑节能的量化考核，落实校园节能管理措施，我校东湖校区建成了“建筑能耗监管平台”。该监管平台可实现校园内各变压器的实时温度监测、所有配电支路的电力参数的实时监测、总变配电所各配电支路的开关状态监控、各建筑楼层配电室的分项用电监测。通过建筑能耗监管平台展示采集的数据、用电监控、用电统计、分项计量、用电公示、报表管理等内容，具备能耗数据实时采集和通讯、远程传输、自动分类统计、数据分析、指标比对、图表显示、报表管理、数据储存、数据上传等功能。[5][6]该系统实现了校园内建筑能耗统计的网络化，充分体现了用户需求侧管理的内容，即用户侧电能的供应分配与实时监控、电能计量与管理等内容，与电气工程专业教学内容密切相关。若将建筑能耗监管平台通过网络接入智能监控配电网实验室，就可真实、形象地呈现用户侧各建筑能耗的数据、设备的运行，使实时在线的项目成为教学内容的一部分，在此利用实时监测数据一方面可以增强教学内容的在线体验过程，开发不同的实验项目，另一方面可以让学生分析不合理用能，提出校园节能管理措施，为学校能耗管理提供了技术支撑。为此我们拟将此通过网络接入新建的集成智能配电网实验室。

3.高低压供配电系统

2010年常熟开关有限责任公司赠与我校一整套实际运行的高低压配电装置，添加部分设备后建成我校高低压供配电系统实验室。该系统为10/0.4kV变配电所系统，有两路电源进线，高压侧采用单元接线方式，配置有KYN1-12型高压开关柜6面，其中出线柜内采用CV2户内真空断路器作为主开关，配置了微机保护单元。低压侧采用单母线分段的接线方式，配置CGHL抽出式低压开关柜8面，分别为进线柜、馈线柜、电容器柜和母联柜，其中进线柜内采用CW2型智能断路器作为主开关元件，馈线柜内的主要元件则是CM2型智能断路器。[5]该套装置一直为供配电技术课程实验的场所。[7][8]在此实验室我们进行高低压电器元件的认知实验、倒闸操作实验、绝缘电阻测试试验等。由于无法加载短路电流，其继电保护动作实验一直未开展。为了深化实验项目，拟配置“虚拟负载”实现动态的实验。通过现场总线、以太网技术对该系统进行改建，建立一套供配电系统的监控系统，实现对分散分布的现场设备进行集中监控管理功能，并将监控系统接入新建的集成智能监控配电网实验室。

三、集成化智能配电网监控系统实验室构建

学校拟将实体工程项目“东湖校区电力能耗管理系统”、“东湖校区1.1兆瓦光伏电站”、“供配电系统实验室”融入新建的智能配电网监控系统实验室，呈现实时化、实景化、多维度交叉的实践教学体系。建成后的智能配电网实验室能体现当前电能用户需求侧管理、智能配电网、新能源及微电网特征，具备智能监控技术、智能开关技术、网络和计算机技术融合的监控平台，有实际对象、可操作、可开发的供配电系统实验平台。该平台能提供当前智能配电网主要技术的实验手段，如实时监测东湖校区电力能耗管理系统、东湖校区1.1兆瓦光伏电站运行数据，实际操控和组合供配电系统接线方案的设备监控平台。

根据上述方案，需要进行以下技术开发或改造：

一是改造东湖校区21幢学生楼内光伏汇流箱为智能汇流箱，以此来采集各个光伏面板回路的电流数据，并通过智能通信设备将数据传输至校园网内。

二是敷设逆变器监控数据端口与网络的通信线缆，增加智能通信设备，将逆变器监控数据传输至校园网。

三是对高低压供配电系统的部分断路器进行智能化改造，更换智能控制器，通过总线将设备状态、运行数据传输至校园网内。

四是将建筑能耗监管平台监测数据通过通信管理系统传输至校园网络。

五是在监控主机开发太阳能监控系统、高低压配电系统监控系统，在校园网的支持下引接建筑能耗监管平台数据端口至监控系统。

1.智能光伏电站监控系统的设计

智能光伏电站监控系统采用分层式结构设计，主干网络层连接着智能元件层和监控端，向下采集数据向上发送数据。按照通信协议以以太网和 RS485总线进行数据与命令的传送，实时采集光伏阵列、智能汇流箱，智能逆变器，智能断路器和智能仪表的数据，并将信息传到上位机监控部分，由监控主机实时呈现光伏电站运行信息。[9]在校园互联网下查看电站相关数据，实时分析电网的运行情况并获得电站优化和调整策略。为了将光伏电站监控信息实时传入与东湖校区有8km之远的东南校区，利用了两校之间的光纤通信网络，通过光纤网络将信息传入东南，并接入校园互联网络。太阳能光伏系统监控实验室网络拓扑图如图1所示。

在监控系统开发了学校宿舍区鸟瞰图，在鸟瞰图上可以显示逆变箱的位置、4个集中式逆变器的运行状态及数据等。该监控系统能完成对太阳能光伏发电的实时运行信息、报警信息在线监视，能显示光伏的当前发电总功率、日总发电量、累计总发电量，实时监控逆变器的运行状态，采用声光报警方式提示设备出现故障，可查看故障原因及故障时间。具有最大功率点跟踪模式（MPPT）及恒压模式，可实时对并网点电能质量进行监测和分析。

2.建筑能耗监管系统的设计

建筑能耗监管平台已建成网络化系统，该套系统采用Web版B/S架构。现场配置两台服务器，作为支撑平台专用软件和数据库功能的数据中心硬件设备。[10]建筑能耗监管平台专用软件支持多种通讯方式，内置以太网和TCP/IP协议，方便接入各类网络。同时软件平台开放端口，既可以对末端监控建筑进行扩展、收集各建筑能耗数据，又可以将此平台能耗数据上传至上级平台数据中心。平台设置客户端访问功能，即通过管理员给予登录权限，用户可在校内任何可上网的电脑上查看能耗数据。为了利用监测数据更好地为教学服务，我们在现场另配置一台服务器，以支持教学开发过程引用数据的方便。我们需要的所有数据均从这台服务器设备上读取，并将获取的数据通过校园网接入新建集成智能配电网监控实验室。

3.高低压供配电监控系统的设计

供配电实验室一共有14面高低压配电装置，22个智能元器件，采用多条RS485总线将设备连接，多条网络汇总后接至串口服务器，监控主机通过以太网与串口服务器相连，从而实现监控主机与智能开关柜的连接与通信。图2为高低压供配电监控系统组网方案。

监控主机发送的命令报文基于TCP/IP协议，通过以太网发送至串口服务器，串口服务器再对接收的命令报文进行处理，转换为基于MODBUS协议的命令，在通过RS485总线传送到开关柜。[9]在这个过程中，命令是以广播的方式进行传输的，当开关柜接收到命令之后会进行地址校验，让地址正确的设备做出回应，而其他设备不作回应。回应报文的则会先基于MODBUS协议通过RS485总线传送至串口服务器，再转换为TCP/IP协议通过以太网反馈给监控主机，从而在软件中显示对应结果。[3][4]

4.集成智能配电网监控系统实验室的架构

集成智能配电网监控系统监控端配置了两台监控主机，还有用于学生学习的21台电脑。主干网络配置通信柜一面，在通信柜内放置有一台串口服务器、一台路由器和两台网络交换机。通过主干网络连接了三个实际工程项目，即光伏电站、建筑能耗监测系统、高低压供配电系统。

由于网络交换机连接着路由器，并与校园网络连通，因此该网络可将东湖校区太阳能光伏电站、建筑能耗监管平台的监测数据、设备的状态传入集成智能配电网监控实验室，实现东湖校区实际工程项目数据的读取和元器件运行的监视。供配电系统中的智能开关柜通過RS485总线连接至串口服务器，使智能开关柜中的设备具备了联网能力，这样学生通过已连接至网络交换机的电脑读取开关柜中智能元器件的相关数据。在此体系中学生还可自行设计供配电系统不同接线形式，连接相关设备后，模拟实际运行。图3为集成智能配电网监控实验室网络拓扑图。

从网络拓扑图中可以看出，学生电脑还配置了RS485总线，通过RS485中心与串口服务器连接，可以将任意PORT口映射到电脑上，例如将CGHL成套设备通过RS485总线汇总连接至串口服务器的PORT7接口，那只需在学生电脑中通过已安装的串口配置软件将PORT7设置为可用，就相当于CGHL成套设备与这台电脑实现了连接与通信。除此之外，每台电脑都通过以太网连接至网络交换机，组成局域网，这样学生可以分成几个小组，每个小组的学生都可以操纵不同的智能元器件，但可以实现元器件数据的共享。

四、集成智能配电网运行监测数据

集成智能配电网监控系统数据平台能容纳“建筑能耗监管平台”、“光伏电站监控系统”、“供配电系统监控系统”，能根据授权对各个系统实时显示、操控、数据处理、调度;能根据实验的需求调用各个系统的信息、数据，并能生成各个系统的数据显示、运行模式显示、操控状态显示;能根据实验需求构建虚拟供配电系统，并能对虚拟供配电系统实时操控、运行数据（状态）显示、仿真。

1.光伏电站监控数据

开发设计的太阳能监控系统包括太阳能光伏鸟瞰图、一次系统图、事件记录、网路拓扑等界面。其中鸟瞰图能实时显示在线21幢宿舍楼智能汇流箱总的输出功率、逆变器输出总功率，太阳能电站当日发电量数据以及本电站累计历史发电量总和，图4为光伏电站监控系统鸟瞰图。在此图中点击每一幢楼即可显示该幢楼所装各个汇流箱的输出电流、输出功率以及该汇流箱累计发电量，而且界面中也显示汇流箱工作的状态，同时显示每幢楼各个逆变器实时在线输出电流、电压、功率、频率、当天发电量以及历史累计发电量;显示逆变器处于运行还是故障状态。

学校用电有季节性特点，即在典型节假日及寒暑假期间用电量剧减，由于用电行为的改变，将严重影响负荷曲线的变化。从监测数据分析光伏接入对负荷曲线最大值、最小值产生的影响，给出数据分析结果，提出合理的运行控制策略。通过该监控系统显示的数据可以对分布式光伏最大发电效率进行监测，发掘光伏最大发电效率随季节、天气变化趋势，对分布式光伏最大发电效率进行聚类分析和预测。[11][12]在此基础上开发不同的实践教学项目，对光伏电源运行数据开展深度挖掘和分析，图5为光伏电站汇流箱、逆变器实时监控数据。

2.建筑能耗监管平台的监测数据

建筑能耗监管平台，包括一套后台处理软件和一套用户使用软件，其中用户使用软件通过网页的形式展现，主界面含有建筑基本信息、仪表实时监测、监测支路一览、建筑能耗统计、实景地图、开关状态等菜单栏。[13]将建筑能耗监管平台接入智能配电网监控实验室，主要是配套建设用户侧电能管理的教学实践内容。充分利用该平台提供的数据和功能，开发实践项目，实时监控用能情况，清晰能耗去向，发现不合理用能。图6为能耗监管平台用电量统计、各支路能耗显示。校园里教室、宿舍、会议室及实验室，因为应用的随机性可能出现长明灯，违章电器、不合理用电等。通过开发教学设计内容让学生根据建筑能耗监管平台提供的实时在线数据分析相应时间段用电数据，提出完善校园能源管理方法，挖掘节能潜力，推进节约型校园建设。

3.高低压供配电系统监控数据

根据电力系统组态软件进行供配电系统监控界面的设计。图7为供配电系统的监控主界面，从中可以监视高低压开关的运行状态（闭合的开关显示为红色，断开的开关则显示为绿色）。在此图中点击某个开关就进入相应的设备界面。在设备界面将显示该设备的远程 “四遥”的数据信息。以CM2Z设备为例，“四遥”控制界面如图8所示。在遥测界面给出了设备选择的额定数据及开关闭合时通过元件的实际电流的参数，[8]例如各相电流、最大电流等。

在遥信界面，则是会显示一些故障的信息。当断路器发生故障之后会将故障的类型、故障动作时间、分断电流等数据显示出来，方便技术人员对故障原因进行分析。遥调界面则是对保护参数进行修改的界面，在这个界面点击对应区域就可以对各种类型的保护整定值进行修改，力争能够找出最优的保护方案。遥控界面则是控制断路器合分闸的界面，不过操作前需要先进行用户登录来获得相应的操作权限。在遥调界面设置完保护整定值之后，通过旋转开关柜上的旋钮调整电流，当电流超过整定值后，断路器会自己根据电流变化的时间做出保护动作，并且弹出故障提示。

在對开关柜进行了操作之后，系统会记录下操作的时间、设备、用户以及操作用户，通过日期选择的下拉选项框可以自由选择需要查看记录的日期，当查看到需要的记录之后还可以对记录表进行打印。

将在此供配电监控系统的基础上开发智能设备的组网通信，变电所运行方式的实时监控，设备整定保护电流、时间的设定。利用该套系统，学生还可以完成各种设计任务、继电保护整定配合的校验等工作。

五、结语

在互联网与工业化深度融合的驱使下，电气装备制造业必将成为一项综合应用各学科门类的领域，因此电气工程专业人才的培养过程应注重知识传授与技术创造的紧密结合，注重技术资源整合与创新能力的紧密结合。[14][15]我校新建智能监控配电网实验室集成了学校实际运行的三个工程项目“光伏电站”、“建筑能耗监控平台”、“高低压供配电系统”，转化后的实践教学资源具有实时性、实景化、可开发的技术特征，体现了工程案例反哺教学的思想。建成后的智能配电网实验室集合了用户需求侧管理、智能配电网、新能源及微电网技术，智能监控技术、智能开关技术、网络和计算机技术，构成了一个多学科交叉能解决复杂工程问题的综合性系统实验室，更是具有互联互动、灵活柔性、安全可控、开放共享的实验室，为教学内容的综合性和延伸性提高奠定了基础。

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（编辑：王天鹏）

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