区域供能scada系统构建研究与设计.pdf

区域供能 s c a d a系统构建研究与设计周一军 等 区域供能 s c a d a系统构建研究与设计 re s e a r c h a n d de s i g n o f co n s t r u c t i on o f t h e scada s y s t e m f o r re g i o n a l e n e r g y su p p l y 周 一 事 酴 建平2 关 佳 上海工业 自动化仪表研究院 上海2 0 0 2 3 3 上海虹桥商务区新能源投资发展有限公司 上海2 0 0 3 3 5 摘要 针对区域供能系统由多种供能设备构成这一现状 提出建立一套集中管控系统用以对区域供能系统进行统一有效管理 考 虑到各设备参数的复杂性及 多样性 提 出应用数据采集与监视 s c a d a 技术建设一套能源中心运行管理 自控系统 即区域供能 s c a d a系统 s c a d a系统实现了区域能源生产 管沟输送 用户换能站的实时监控和生产运行调度的集 中管理 满足核心区内用户 的全部冷 热空调用能 生活热水需求 系统的成功建设对同类工程项 目具有示范作用 关键词 区域供能数据采集与监视 s c a d a 集 中管理控制系统三联供系统 中图分类号 t p 2 7 3 文献标志码 a abs t r a c t re g i o n a l e n e r g y s u p p l y s ys t e m i s c o n s tit u t e d b y a v a rie t y o f e q ui p me n t f o r e n e r g y s u p p l y t thu s e s t a b l i s h i ng a s e t o f c e n t r a l i z e d ma n a g e me n t a n d c o n t r o l s y s t e m i s p rop o s e d t o i mp l e me n t u n i fi e d a n d e f f e c t i v e ma n a g e me n t o f r e g i o n a l e n e r g y s u p p l y s y s t e m c o n s i d e rin g the c o mp l e x i t y a n d d i v e r s i t y o f the p a r a me t e r s o f e a c h d e v i c e b y a p p l y i n g s cada t e c h n o l o gy t h e a u t o ma t i c c o n t r o l s y s t e m o f e ne r g y c e n t e r o p e r a t i o n a n d ma n a g e me n t i e r e g i o n a l e n e r g y s u p p l y s c a d a s y s t e m i s c o n s t r u c t e d t h e s c a da s y s t e m r e a l i z e s r e g i o n a l e n e r gy p r o d u c t i o n p i pe c a n a l t r a n s po r t a t i o n r e a l t i me mo n i t o r i n g o f u s e r t r a n s d u c e r s t a t i o n s a nd c e n t r ali z e d ma n a g e me n t o f p r o d u c t i o n o p e r a t i o n d i s p a t c h i n g i t me e t s the d e ma n d s for c o o l i n g h e a t i n g a i r c o n d i ti o n i n g a n d d o me s tic h o t wa t e r o f u s e r s i n k e r n e l a r e a th e s u c c e s s f ul c o n s t r u c t i o n o f t h e s y s t e m p o s s e s s e s d e mo n s tra t i o n e f f e c t t o s i mi l a r e n gin e e ri n g p r o j e e t s ke y wo r d s r e g i o n a l e n e r g y s u p p l y s u p e r v i s o r y c o n t rol a n d d a t a a c q u i s i t i o n s c a da c e n t r a l i z e d m a n a g e me n t c o n t r o l s y s t e m c o m b i n e d c o o l i n g h e a t i n g p o w e r c c h p s y s t e m 0引言 近年来 北京 上海 广州 深圳 天津等众多城市 提出并加快推进城市中心商务区的建设计划 力争给 城市产业转型升级提供空间载体 城市中心商务区大 都通过功能高度集聚以追求能级效应 这往往会形成 较大的开发建设规模和较高的建设强度 为尽量减少 对生态环境的影响 开辟新时代商务区建设发展的新 模式 越来越多的城市提出了建设低碳商务 区的构想 分布式供能是实现低碳商务区构想的有效措施之 一 它是在能源的梯级利用基础上 将供热 发电及制 冷过程一体化 的多联供总能系统 又称为 能源岛系 统 系统具有靠近用户 梯级利用 能源利用率高 能源供应安全可靠等优点 本文针对分布式供 能系统 研究科 学 的管 控系统 2 0 1 2 年上海市软件和集成电 路产业发展专项基金资助项目 编号 1 2 0 4 4 9 修 改稿 收到 日期 2 0 1 4 0 2 1 3 第一作者用一军 1 9 6 7 一 男 1 9 9 0年毕业于上海工业大学 自动化及 仪表专业 获学士学位 教授级高级工程师 主要从事工业控制领域智能 控制技术和信息技术应用的研究 对分布式供能设备进行实时调度控制 满足商务 区内 用户的冷 热需求 保证商务区低碳建设理念的实现 1 建设区域供能系统的意义 大城市9 0 以上的碳排放来 自能源消耗 因此 低碳实践从能源使用人手 区域集中供能就是供能优 化工程的核心内容 所谓区域集中供能 就是对一定 区域内的建筑群 由一个或多个能源站集中制取冷水 热水或蒸汽等冷热媒 通过区域管网输配到各单体建 筑内 为用户提供能源服务 相对于传统集中供 电系统 区域集 中供能具有节 能 高效 环保 和安全 等特点 近年来 在世界 范 围内的 应用 日益广泛 j 我国分布式供能技术已经发展近 2 0年 在分布式 供能系统的建设方面 国内外已有较多类似已建和在建 的工程项目 这些项目在设计及运行技术方面已趋于成 熟 初期 分布式供能项 目都以单体建筑物项 目为主 其后 随着各种分布式能源设备性能不断改进 分布式 供能成本不断降低 应用范围也不断扩大 覆盖了包括 办公楼 宾馆 商店 饭店 住宅 学校 医院 福利院 疗 68 proces s automati on i ns trumentati on vo 1 3 5 no 1 0 oc t o b e r 2 0 1 4 区域供能 s c a da系统构 建研 究与设计周 一军 等 养院 大学 体育场馆等多种场所 其应用对象是一个从 小到大 从单体建筑到群体建筑甚至较大规模城区的发 展过程 国家 十二五 新兴能源产业发展规划提出 在 十二五 期间我国要建设 1 0 0 0个分布式供能示范 项 目 数据采集与监视控制系统 s u p e r v i s o r y c o n t r o l a n d d a t a a c q u i s i t i o n s c a d a 与区域供能系统是相辅相成 的 s c a d a系统是以计算机为基础的集散控制系统 d i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e m d c s 与 电力 自动化 监控 系 统 在 电力系统 中 s c a d a系统 应 用最 为 广泛 技 术 发展也最 为 成熟 s c a d a系统 在 远动 系统 中 占重要 地位 可 以对 现场 的运行设备进行监视 和控制 以实 现 数据采集 设备控制 测量 参数调节以及各类信号报 警等各项功能 即 四遥 功能 8 2 区域供能 系统功能定位 设计 旨在构建一个集 可靠性 先进性 经济性 实用性 为 一 体 的 能 源 中心 运 行 管 理 自控 系 统 即 s c a d a系统 实现对能源生产 三联供系统 水蓄冷系 统 冷水机组 燃气热水锅炉等 管沟输送 用户换能 站的实时监控和生产运行调度管理 满足区域内用户 的电 热 冷用能需求 设计中首先考虑如何在保证变配电系统的安全稳 定运行的情况下 合理调配各供能设备 的协调运行 然后通过系统运行 过程 中对运行 数据 的积 累及 分析 完成对控制策略的优化 最终达到供能系统安全 运行 经济 的 目标 区域供能 s c a d a系统的建设通过构建冗余的光纤 环网 链接下层各供能子系统 实现生产运行数据的采集 通过科学的数据分析 实现能源输送 的优化调度 通过开 发完整的软件平台 实现各功能模块的统一管理 3 区域供能 系统建设方案 3 1 s c a d a监控 系统构成 区域供能 s c a d a系统 由 s c a d a监控 中心 计算 机监控管理系统 各供能子系统 分布式供能系统 冷水机 燃气热水锅炉 变配电 建筑智能化系统 管沟 子系统等 控制系统 以及千兆工业通信网络组成 遵 循 集中管理 分散控制 资源共享 的原则 监控中心计算机监控管理系统包括 监控操作 员站 监控管理员站 数据服务器 应用服务器 建模运 算 服务 器 磁盘阵列等 附属 网络交换设备 三联供控制系统的控制对象包括 发 电机组 溴化锂机组 热交换设备 并网控制柜 冷却塔 三联供 自动化仪表 第 3 5卷第 1 o期2 0 1 4年 1 0月 管路公共阀门 三联供管路公共仪表 三联供管路附属 设备 供冷控制系统由冷冻机组群控系统及水蓄冷 槽 冷水二次 泵 管 道 阀门仪 表等 相关 设 备两 部分 组 成 冷冻机组群控系统 由承包商成套提供 水蓄冷槽 冷水二次泵 管道 阀 门仪 表等 相关 设备 的控 制 由 s c a d a系统集成 供热控制系统由锅炉群控系统和热水二次泵 管道阀门仪表等相关设备两部分组成 锅炉群控系统 由承包商成套提供 热水二次泵 管道阀门仪表等相关 设 备的控制 由 s c a d a系统集成 管网控制系统 由管网 p l c站和管沟地面沉降 监 测系统 组成 电能管理系统包括电能监控主站 建筑智能系统包括建筑智能系统主控站 3 2 初 步设计原 则 整个 控制系 统是 由各 子 系统 的控 制 系 统 和 区域 s c a d a控制中心组成 在区域 s c a d a系统正常运行 的情况下 由区域 s c a d a控制中心进行控制 当区域 s c a d a系统无法正 常运行 时 通过 对各子 系统的控 制 系统实施人工干预 实现能源中心的正常生产运行 区域供能 s c a d a监控中心是一个具有客户机 服 务器 c l i e n t s e r v e r 结构 的计算 机控 制系统 其 组成整 个 区域供能 的监控管理层 监控中心可采集供能各子系统的全部运行参数和 信息 实时监控整个能源生产和输送流程 设备运行状 况 通过权限约定 在线调度遥控各子系统运行 构成 的 自动控制系统以实现区域生产现场的无人值守为 目 标和全系统计算机智能化管理 为具有先进水平的现 代化供能企业提供一个生产监控和运营管理的信息交 换处理平 台 大规模的区域性冷 热 电联供装机容量在国内没 有成熟的运行调度控制 经验 而 且用户 端需 随地块 开 发逐步推进 在短期 内无法达 到稳 定 所 以在机组 运 行初期 采用人工干预的方式进行控制较为适宜 待各 子 系统运行稳定后 经过一定 的运行参数积 累 在条 件 成熟 时进行 系统的 自动运行 调试 三联供机组在供冷模式下 根据区域内冷需负荷 来优化协调冷水机组 溴化锂制冷及 蓄冷水槽制 放 冷 的组合 实现最高能效 最低成本的运行 三联供机组 在供热模式下 根据区域内热需负荷来优化协调燃气 热水锅炉 三联供热交换设备的组合 实现最高能效 最低成本 的运行 区域供能 s c a d a监控 中心如 图 1 所示 6 9 区域供 能 s c a d a 系统构建研究与设计周 一军 等 现场光纤控制环网 图 1 区域供能 s c a d a监控 中心 f i g 1 t h e mo n i t o rin g c e n t e r o f r e g i o n a l e n e r g y s u p p l y s c ad a s y s t e m 3 3 区域供能 s c a d a 系统功能 区域供能 s c a d a系统由 s c a d a监控中心 各供 能子系统以及千兆工业通信网络组成 其功能描述示 意图如图 2 所示 图 2 区域供 能 s c ada 系统 功 能 描 述 图 f i g 2 f u n c t i o n a l d e s c r i p t i o n s o f r e g i o n a l e n e r g y s u p pl y s cada s ys t e m s c a d a监控中心监控功能 实现能源生产 管沟 输送 换能站运行的实时监控 协调各子系统运行 s c a d a监控中心管理功能 优化调度 客户管理 能效管理及安全生产 各子系统管控功能 各 成套 子系统群 控 主机 对子 系统 自身设备进行协调控制及联锁保护 控制系统由 专业厂家完成 为了保证区域供能 s c a d a系统与各站点之间数 据交换的实时性 使其及时 准确 可靠 协调 高效率 地工作 区域供能 s c a d a系统需达到如下要求 数据读取吞吐量达到 3 0 0 0 0 0点 s 单点方式同步 异步查询实时值平均时间 1 0 ms 批量点 1 0 0点 方式同步 异步查询实时数据 平均 时间 1 s 批量方式同步 异步查询实时数据总吞吐量 1 26 0 0 0 tp s q p s t p s 并发 平均响应时间 1 在区域供能 s c a d a系统的统一调度 协调下 各 子系统实现最优化运行 并采用区域供 能 s c a d a中心 控制级和各子系统群控主机控制级两级控制模式 第一级为各子系统群控主机控制级 各个子 系统 群控主机通过通信网络对子系统自身所有过程变量及 设备 运行状态进行数据采集 监视控制及联锁保 护 第二级为区域供能 s c a d a中心控制级 对南 北区 区域供能所有子系统进行远程监控 实行统一调度管理 各子系统群控主机控制系统至少应实现 以下操 作 模式 支持区域供能 s c a d a中心集 中监视 和远程调 度控制 各子系统群控主机具有手动 自动控制功能 3 4 区域供能 s c a d a 系统应用实例 虹桥商务区作为上海首个低碳商务社区 是区域 供能的一个应用实例 虹桥商务区北区设立一套能源 中心运行管理 自控系统 对 南 北 区 区域 能源生产 管 沟输送 用户换能站的实时监控和生产运行调度实现 集中管理 满足核心区 一期 内用户的全部冷 热空 调用能 生活热水 需求 区域 s c a d a监控 中心设立 在北 区 北 区域供 能 s c a d a系统由下列系统组成 监控中心计算机监控管 理系统 三联供控制系统 供冷控制系统 供热控制系 统 管网控制系统 电能管理系统 建筑智能系统 以及 7 0 p roces s autom ati on i ns trum entati on vo 1 3 5 no 1 0 oc t o b e r 2 0 1 4 区域供能 s c a d a系统构建研究与设计周一军 等 千兆工业通信网络 南区供能 s c a d a系统由下列系统组成 监控计算 机管理系统 三联供控制系统 供冷控制系统 供热控 制系统 管网控制系统 电能管理系统 建筑智能系统 以及千兆工业通信网络 南 北两区以光纤贯通 由中国电信敷设一根 1 2 芯的单模铠装光缆 接人点位置由建设方确定 依据虹桥商务区全区域供能的总体规划 将设立 1 个供能 s c a d a监控中心 三号供能中心 4个供能 监控站 目前 设立于北区的 s c a d a监控中心届时可 整体迁移到三号供能中心 通过全区域贯通的光纤网 络 该 s c a d a监控中心实现对全区域的能源生产 管 沟输送 用户 换 能站 的实 时监 控 和生 产运 行 调 度 管 理 北 区 s c a d a系统拓扑 图如 图 3所示 图 3 北 区 s c a d a系统拓 扑图 f i g 3 t o p o l o g i c a l s t r u c t u r e o f t h e n o r t h s c ada s y