电源管理:自动化增强了电源管理应用

电力系统随着组织需求的变化、新标准的建立以及设施和设备的更新和升级而发展。最终，电力系统将成为一个互不相关的设备集合，这些设备无法协调工作，无法提供最佳的可靠性、安全性或运营成本。随着企业电力系统的变化，它们可能变得更加复杂、效率低下、不可靠、资源不足和难以管理——即使对性能、效率和降低运营成本的要求越来越高。

通过帮助组织减少能源消耗和成本、提高系统可靠性和增强人员安全，全面的能源管理方法会随着时间的推移产生收益。整体电源管理方法的一个关键方面是控制和自动化解决方案，它可以帮助工业、商业、机构和公用事业组织提高效率，在问题导致停机之前识别问题，并提供支持可靠、高效和安全电源所需的数据(参见图1)。

无论是新应用还是改造应用，电力系统自动化都可以支持以下应用中的有效电源管理:

• 应急和备用发电
• 自动转帐方案
• 站自动化
• 分布式发电系统
• 关键任务安全电源应用。

确定项目范围

升级设施时应考虑的因素包括法规遵从性、安全性、可靠性、容量、成本和操作限制。在考虑电气和控制设备时，首先确定系统目标和目的是很重要的。必须对发电设施中的新系统和现有系统组件进行评估，以确保满足总体系统需求。评估现有设备是升级设施的一个关键方面。

设备清单

对设备进行分类和评估每个系统是有帮助的，并确保新的操作要求将得到满足。以下是要考虑的主要系统组件的清单。

主要电气设备

• 线开关
• 升压变压器
• 电缆和/或母线管道
• 发电机绕组
• 仪表和继电器
• 植物开关设备
• 发电机控制，功率调节和同步
• 照明和电涌保护
• 接地系统
• 车站服务系统
• 蓄电池和直流配电
• 照明。

工厂控制系统

• 机控制
• 监督控制
• 励磁系统
• 调速器/闸门控制系统
• 水头工程/水坝控制
• 消防及保安系统
• 工厂通风
• 机器和过程仪表。

每一件主要设备都必须按照其操作标准进行评估。电力系统研究是评估电气设备的重要分析工具，应在现有设备评估期间和设备选择之前进行。典型的电力系统研究包括短路、负载流和保护研究以及电弧闪危害分析。

短路的研究:短路研究允许系统工程师确定电力系统保护设备是否适合应用。它们旨在确定选择新组件所需的关键设计参数，同时确定现有组件是否安全并确保它们符合适用的电气规范。

加载流程学习:进行负载流研究以确定设备是否适合预期应用的尺寸。对电缆、变压器、电容器、断路器、熔断器和其他系统组件进行建模，以确保它们在特定的额定电流范围内应用。负载流研究使工程师能够确定发电机容量升级对整个电力系统的影响，确保所有组件都能正常工作。

保护研究:保护研究是为了确保主要的电气系统部件不受系统故障的影响。这项研究应该远远超出一个简单的继电器协调研究，它只关注过电流。随着实践的发展，整个保护系统必须根据今天的标准进行评估。现有的保护可能需要更新。通常，业主、互联公用事业公司和/或保险公司要求保护系统符合当前的IEEE和ANSI标准。

电弧闪光危害分析:电弧闪危害分析是必需的，因为新增加的国家电气规范(NEC)要求保护人员免受与电气系统相关的电弧闪危害。这种分析应在项目的规划阶段进行，以指导系统工程师选择适当的保护和电力设备。

机械的升级

必须对工厂中的每个子系统进行评估，以确保升级后的控制系统可以轻松地对其进行监视或控制。对发电机组进行完整的启动和关闭，并注意需要操作员干预的功能，这是良好的做法。创建一个检查表，并记录可能偏离正常启动或关闭的特殊或应急操作条件。大多数需要工厂人员执行的操作，包括检查，都可以被控制系统复制或取代。在实施自动化控制系统之前，所有系统都必须处于良好的工作状态。应增加仪表来监测关键的操作参数，如温度、压力、液位和流量。

控制系统规格

控制系统的期望和要求必须在设备选择和设计标准决定之前建立。良好定义的系统期望可能会避免出现问题。此外，定义系统期望有助于简化系统设计。系统期望决策包括:

• 有人驾驶vs无人驾驶
• 自动与手动控制
• 硬件和软件的可扩展性
• 实时监控
• 远程调度和控制
• 电压或功率因数控制，可以通过改变ISO和RTO要求来影响
• 调速器与闸门执行机构
• 水资源管理(池塘水位控制、最小流量和旁路)
• 告警管理和维护要求
• 数据收集和报告要求
• 冗余和可靠性
• 市场和监管义务。

在做出这些决定并定义了系统需求之后，是时候编写功能范围以将设计过程推进到下一阶段:设备选择。不符合上述标准的现有设备应予以更换或升级。

设备选择

设备选择过程应考虑到项目的具体设计要求，以及基于经验、团队合作和当地支持的总体偏好。为了指导设备选择过程，必须绘制几个路线图。这些路线图包括单线、控制系统网络架构以及过程和仪表图。

单行的图:必须为电气设备创建一个单线图，定义总体配电架构，并提供电气升级的整个范围的概述，包括设备尺寸、继电器和逻辑方案、计量点和数据要求(参见图2)。

控制系统网络架构图:控制系统网络架构图应该在过程的早期——在指定设备或购买设备之前——创建。此图将指导项目的控制和数据需求，并确定要使用的通信方法。现代控制和保护系统固有地包含大量信息，这些信息对系统的控制至关重要，并有助于工厂的调整、故障排除和调试。

工艺和仪表图(P&ID):P&ID是为设施定义过程相关系统的有用工具，通常包括冷却和液压系统、温度监测、过程控制、批处理和其他需要仪表的辅助系统。

这些图纸完成后，就可以开始进行详细设计和设备选择。在确定范围阶段所做的努力将使设备选择更加简单。

系统保护

今天的保护继电器设计用于保护关键资产免受电气故障和不利操作条件的损坏(参见“机器状态监测”)。建议的做法已经发展到包括20年前没有的保护计划。现代数字保护系统旨在监测和保护发电机和涡轮机，同时收集大量可用数据。IEEE的实践旨在根据机器或变压器的尺寸来扩展所需的保护。

先进的数字继电器能够与数字控制系统通信。数字中继通信提供运行数据，并在发生系统干扰或故障时支持故障排除。仔细规划保护系统与控制和SCADA系统的集成，可以通过高速清除来减少系统或单元故障后的恢复时间和停机时间。其他好处包括通过提供高速故障清除或在维护和/或切换活动期间使用的维护模式设置来管理电弧闪光危害。

接地和电涌保护非常重要，但在评估发电资产保护时往往被忽视。在适用的情况下，高阻接地为发电机提供接地，以防止极端的瞬态过电压，同时将接地电流限制在不会造成损坏的水平。只要有可能，最好的做法是使用高电阻保护方案使系统接地。还应考虑适当尺寸和应用的浪涌电容器和避雷器。

对于同步电机，应使用同步检查继电器，并建议使用自动同步器。无论是手动同步还是自动同步，同步检查继电器都应监督发电机断路器合闸。电动机起动器或接触器不应用于同步电机应用。

机器状态监测

监测系统应根据要监测的设备的大小和类型加以考虑和调整。以下列出了用于评估的基本状态监测系统:

• 定子绕组温度
• 轴承温度
• 冷却系统温度
• 轴承振动或跳动
• 头盖或尾水管振动
• 转子的差距
• 电压高于8kv系统的绝缘完整性、局部放电检测
• 变压器温度指示和报警
• 变压器在线油分析。

自动化功能

工业级控制和自动化系统旨在监控设备状态，方便故障排除，并提供远程遥测和控制。

一种常见的解决方案是将plc与图形人机界面结合使用。适当的设计和实现，这种强大的组合可以提供全套功能，包括:

• 自动启动和停止发电机组
• 设备状态监测
• 监管和生产报告
• 报警报信、报告、记录
• 遥测和控制
• 电源同步。

PLC的概念

PLC通常被用作大脑。现代plc提供了一系列函数，包括布尔和ASCII编程、计时/计数、数学计算和通信选项。这些灵活的系统允许系统设计人员执行任务，如机组启动和停止序列，速度调节，设备状态监测，报警逻辑和响应，站水位控制，水流管理和其他专业功能。

无论PLC品牌如何，控制系统组织，设计，编程和调试的严格方法对于成功实施至关重要。

功能描述：第一步是详细定义系统将做什么以及如何做。

系统设计:整体系统设计应考虑整个系统生命周期，包括安装、调试和维护问题。需要考虑的重要决定包括:

• 集中式处理与分布式处理
• 本地I/O与分布式I/O
• 单元和站I/O分组
• 隔离维护和锁定/标记
• 施工顺序和进度
• 通信体系结构
• 远程通信接口
• 系统安全。

编程:编程应该以结构化和模块化的方式进行。代码应该组织成与物理工厂布局平行的逻辑部分或子程序。通过以逻辑和易于解释的方式呈现控制代码，这将促进自动化系统的设计，调试和维护。结构化代码还有助于为其他单元或将来的项目重用代码。

调试:最后一步是执行系统调试，以验证所有系统组件是否正确连接，现场设备是否按预期工作，所有PLC/HMI编程是否正确。从现场设备到PLC、HMI和(如果合适的话)SCADA的详细点对点接线检查应以受控和有系统的方式进行。这个端到端测试证明各个组件正常工作，并且系统作为一个整体按预期执行。

SCADA /人机界面的概念

工厂状态和条件的可视化、事件和计量的记录以及报警条件的通知通常由HMI管理。SCADA系统通常用于监控地理上分散的资产。

hmi通常用于记录法规、告警和性能信息。这些数据通常存储在SQL数据库或工业历史记录中。然后，可以从档案中提取数据进行报告，以满足监管义务，监控性能，并提供对工厂运营的洞察。

移动监控

当今组织的24/7性质需要持续的监控。但盈利要求往往不允许有全职的现场员工。解决方案是遥测技术，它允许远程监测和控制，特别是在无人值守的自动化工厂。智能手机已经成为一个移动遥测平台，允许操作员随时了解工厂状态和警报条件，甚至提供远程控制。这是通过多种技术实现的，包括由站点HMI生成的警报条件的SMS文本消息，通过电子邮件的自动状态和生产报告，以及通过智能手机和平板电脑设备的远程访问和控制。

操作的改进

在基本控制系统设计并就位后，系统集成人员必须与操作人员密切合作，以确定操作每个系统和整体操作的最佳做法。通常，自动化系统可以通过实施最佳实践作为控制策略来优化设施的性能。

软件用于系统、企业监控

能源管理系统(EMS)包含配电架构以及软件和报告系统，这些系统提供管理设施或企业能源成本、系统培训和调试所需的数据和信息。典型的EMS依赖于计量设备及其通信网络。

计量设备:计量、保护继电器装置和/或传感器测量审计中列出的故障点的水、空气、天然气、电力和蒸汽消耗。你无法管理你不知道的东西，仪表和保护继电器提供有关功耗的实时和历史数据，有助于识别低效率。

通讯:通信硬件和布线将计量设备连接到局域网、内部网和/或可能的Internet。网关可以作为大型系统中多个设备的数据采集点和告警通知传递点。

能源管理软件对于将数据整合成可理解、可操作的信息至关重要。该软件提供趋势数据，帮助工厂人员根据电表收集的能源信息管理费用。通过软件和报表，可以方便地将设备能耗与设施和企业的能耗相结合，识别用电大户和浪费做法，并分析和趋势能源异常，这些异常可能是由内部设备故障或输入电源引起的。

虽然电源管理软件功能不断发展，但它比以往任何时候都更加复杂和强大。今天的软件能够以更快的速度监控、跟踪和分析来自更多设备的数据，并且具有比以往更广泛的分析和报告功能。

自动化提高了操作效率

通过战略性地进行工厂升级和自动化项目，运营商可以延长设备的使用寿命，同时提高系统的效率、可靠性和安全性。

管理运营和能源需求的综合方法至关重要，并随着时间的推移产生收益。这些红利包括:

• 以稳定、高质量的电力维持重要运行
• 通过有效的能源管理和维护策略降低运营成本
• 改进的电气设计，需要更少的设备和空间，延长设备寿命的服务，以及可以更快地安装设备
• 通过具有安全意识的设计和安装，帮助人们认识和避免危险，减少电气危险
• 通过协调电力系统的设计、采购、安装和维护，降低施工延误和成本超支的风险。

全面的能源管理方法可以将能源挑战转化为机遇。

Kenneth Kopp是伊顿电气工程服务和系统的电力系统自动化应用工程师。他在配电自动化和控制系统方面拥有超过25年的行业经验，并在伊顿工作了6年多。

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