区域供能SCADA系统构建研究与设计.pdf

PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol 35 No 10 October 2014 2012 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 120449 修改稿收到日期 2014 02 13 第一作者周一军 1967 男 1990 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 区域供能 SCADA 系统构建研究与设计 Research and Design of Construction of the SCADA System for Regional Energy Supply 周一军1 陈建平2 吴 佳1 上海工业自动化仪表研究院1 上海 200233 上海虹桥商务区新能源投资发展有限公司2 上海 200335 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 SCADA 技术建设一套能源中心运行管理自控系统 即区域供能 SCADA 系统 SCADA 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 SCADA 集中管理 控制系统 三联供系统 中图分类号 TP273 文献标志码 A Abstract Regional energy supply system is constituted by a variety of equipment for energy supply thus establishing a set of centralized management and control system is proposed to implement unified and effective management of regional energy supply system Considering the complexity and diversity of the parameters of each device by applying SCADA technology the automatic control system of energy center operation and management i e regional energy supply SCADA system is constructed The SCADA system realizes regional energy production pipe canal transportation real time monitoring of user transducer stations and centralized management of production operation dispatching it meets the demands for cooling heating air conditioning and domestic hot water of users in kernel area The successful construction of the system possesses demonstration effect to similar engineering projects Keywords Regional energy supply Supervisory control and data acquisition SCADA Centralized management Control system Combined cooling heating power CCHP system 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 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 90 以上的碳排放来自能源消耗 因此 低碳实践从能源使用入手 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 1 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 2 7 我国分布式供能技术已经发展近 20 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 86 区域供能 SCADA 系统构建研究与设计 周一军 等 自动化仪表 第 35 卷第 10 期 2014 年 10 月 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 1 000 个分布式供能示范 项目 数据采集与监视控制系统 supervisory control and data acquisition SCADA 与区域供能系统是相辅相成 的 SCADA 系统是以计算机为基础的集散控制系统 distributed control system DCS 与电力自动化监控系 统 在电力系统中 SCADA 系统应用最为广泛 技术 发展也最为成熟 SCADA 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 9 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 SCADA 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 SCADA 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 SCADA 监控系统构成 区域供能 SCADA 系统由 SCADA 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 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 SCADA 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 SCADA 系统集成 管网控制系统由管网 PLC 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 舆 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 SCADA 控制中心组成 在区域 SCADA 系统正常运行 的情况下 由区域 SCADA 控制中心进行控制 当区域 SCADA 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 SCADA 监控中心是一个具有客户机 服 务器 client server 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 SCADA 监控中心如图 1 所示 96 区域供能 SCADA 系统构建研究与设计 周一军 等 PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol 35 No 10 October 2014 图 1 区域供能 SCADA 监控中心 Fig 1 The monitoring center of regional energy supply SCADA system 3 3 区域供能 SCADA 系统功能 区域供能 SCADA 系统由 SCADA 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 SCADA 系统功能描述图 Fig 2 Functional descriptions of regional energy supply SCADA system SCADA 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 SCADA 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 SCADA 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 SCADA 系统需达到如下要求 数据读取吞吐量达到 300 000 点 s 单点方式同步 异步查询实时值平均时间 10 ms 批量点 100 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 126 000 TPS QPS TPS 并发数 平均响应时间 1 在区域供能 SCADA 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 SCADA 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 SCADA 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 SCADA 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 SCADA 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 SCADA 监控中心设立在北区 北区域供能 SCADA 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 07 区域供能 SCADA 系统构建研究与设计 周一军 等 自动化仪表 第 35 卷第 10 期 2014 年 10 月 千兆工业通信网络 南区供能 SCADA 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 12 芯的单模铠装光缆 接入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 SCADA 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 SCADA 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 SCADA 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 SCADA 系统拓扑图如图 3 所示 图 3 北区 SCADA 系统拓扑图 Fig 3 Topological structure of the North SCADA