智能化低壓配電系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用

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摘要：現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展對(duì)低壓配電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性及其智能化管理提出了更高的要求，而微處理器技術(shù)的廣泛應(yīng)用及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可靠性的大幅度提高，使智能化低壓電器元件得到快速發(fā)展，智能化低壓電氣管理系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。 

關(guān)鍵詞：智能化低壓配電系統(tǒng) 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)  1. 概　述 　　現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展對(duì)低壓配電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性及其智能化管理提出了更高的要求，而微處理器技術(shù)的廣泛應(yīng)用及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可靠性的大幅度提高，使智能化低壓電器元件得到快速發(fā)展，智能化低壓電氣管理系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。相對(duì)于6kV及以上中高壓系統(tǒng)的綜合保護(hù)及系統(tǒng)監(jiān)控(SCADA系統(tǒng))的發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，作為直接面向終端用戶的低壓開關(guān)設(shè)備，其智能化研究與應(yīng)用起步較晚?，F(xiàn)有不少應(yīng)用于低壓的智能化監(jiān)控系統(tǒng)基本上是在SCADA系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，可以滿足基本的監(jiān)控功能，但不能充分體現(xiàn)低壓電氣系統(tǒng)的特點(diǎn)及要求。因此，開發(fā)并推出符合工業(yè)控制要求及具有高可靠性的智能化低壓電器及其管理系統(tǒng)，成了低壓電器產(chǎn)品制造商們持續(xù)提高其競(jìng)爭(zhēng)力的迫切任務(wù)。 　　智能化低壓配電系統(tǒng)由低壓開關(guān)設(shè)備具有通信功能的智能化元件經(jīng)數(shù)字通信與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)變電站低壓開關(guān)設(shè)備運(yùn)行管理的自動(dòng)化、智能化。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、數(shù)字通信、遠(yuǎn)程操作與程序控制、保護(hù)定值管理、事件記錄與告警、故障分析、各類報(bào)表及設(shè)備維護(hù)信息管理等功能。針對(duì)低壓電氣系統(tǒng)直接面向控制終端，設(shè)備多、分布廣，而且現(xiàn)場(chǎng)條件復(fù)雜，系統(tǒng)本身及設(shè)備頻繁操作、故障脫扣等產(chǎn)生的強(qiáng)電磁及諧波干擾等特點(diǎn)，智能化監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο蟮牟僮髂Ｊ剑哂袕?qiáng)抗干擾能力，主要控制功能由設(shè)備層智能化元件完成，形成網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)，以滿足系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)、快速及可靠性的要求。系統(tǒng)中的低壓智能化元件就其功能而言總體上可分為：電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、開關(guān)保護(hù)與控制及電動(dòng)機(jī)控制等。由于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用，系統(tǒng)中智能化元件可不依賴計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)而獨(dú)立運(yùn)行，極大地提高系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性和可靠性，滿足低壓電器設(shè)備運(yùn)行管理的需要及工廠生產(chǎn)過程控制的要求。 2. 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用 　　現(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、在微處理器測(cè)控設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字式多點(diǎn)通信的底層網(wǎng)絡(luò)。20世紀(jì)80年代中期，隨著微處理器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，DCS系統(tǒng)4～20ｍＡ的模擬量傳輸方式逐漸被數(shù)字網(wǎng)絡(luò)傳輸方式所取代，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(Fieldbus Control System，F(xiàn)CS)，迅速發(fā)展并在自動(dòng)化領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 　　FCS既是一個(gè)開放式通信網(wǎng)絡(luò)，又是一種全分布式控制系統(tǒng)。它作為智能設(shè)備的聯(lián)系紐帶，把掛在總線上作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的智能設(shè)備連接為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并進(jìn)一步構(gòu)成自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基本的控制、計(jì)算、參數(shù)設(shè)置、報(bào)警、顯示、監(jiān)控及系統(tǒng)管理等綜合自動(dòng)化功能。在FCS中，各種部件用通信網(wǎng)絡(luò)連接起來，數(shù)據(jù)傳輸采用總線方式，系統(tǒng)信號(hào)的傳輸完全數(shù)字化。系統(tǒng)內(nèi)不存在嚴(yán)格意義上的主控部件，資源共享，各智能化部件可以不依賴計(jì)算機(jī)而獨(dú)立運(yùn)行。 　　FCS完全淘汰了4～20ｍＡ的模擬量傳輸方式，減少了大量的現(xiàn)場(chǎng)敷線；FCS的控制調(diào)節(jié)過程在現(xiàn)場(chǎng)部件，有效地提高了系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)性和可靠性，并避免了系統(tǒng)因主機(jī)故障而陷入癱瘓。 　　ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織在ISO IEC7498標(biāo)準(zhǔn)中的OSI參考模型定義了網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的7層框架，詳細(xì)規(guī)定了每一層的功能，以實(shí)現(xiàn)開放性系統(tǒng)環(huán)境中的互聯(lián)性、互操作性與應(yīng)用的可移植性。 　　考慮到工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)大量的智能化裝置零散地分布在一個(gè)較大的范圍內(nèi)，而單個(gè)節(jié)點(diǎn)面向控制的信息量不大，但實(shí)時(shí)性、快速性要求較高，為減少中間環(huán)節(jié)，滿足實(shí)時(shí)性要求及降低工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的成本，現(xiàn)場(chǎng)總線采用的通信模型大都在OSI參考模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了不同程度的簡(jiǎn)化。它采用OSI模型中的3個(gè)典型層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，省去了3～6層，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、執(zhí)行協(xié)作簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的性能要求。通過一致性與互操作性測(cè)試，滿足現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)要求的不同制造商的產(chǎn)品即可實(shí)現(xiàn)在同一總線上的互聯(lián)，為用戶的系統(tǒng)集成帶來極大的好處。 　　幾種有影響的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)包括FF、Profibus、LonWorks、CAN、DeviceNet等。它們的通信模型各不相同，其應(yīng)用具有各自的特點(diǎn)，已形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)并在特定的應(yīng)用領(lǐng)域顯示了自己的優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要有： (1)節(jié)省硬件投資。現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的智能設(shè)備分散在現(xiàn)場(chǎng)，能直接執(zhí)行控制和計(jì)算功能，可減少大量的變送器及調(diào)節(jié)器、計(jì)算單元等，也不再需要DCS系統(tǒng)的信號(hào)傳輸處理單元及其大量復(fù)雜的硬線連接，節(jié)省了可觀的硬件投資，并可減少控制室的占地面積。 (2)節(jié)省安裝費(fèi)用?，F(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的接線十分簡(jiǎn)單，一條通信總線上可掛接幾個(gè)甚至上百個(gè)設(shè)備，節(jié)省安裝附件，安裝工作量大大減少，設(shè)計(jì)及接線校對(duì)的工作量也大大減少。資料顯示，與DCS相比，現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的安裝費(fèi)用可節(jié)省60%以上。 (3)減少維護(hù)費(fèi)用。由于現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備具有自診斷及一定的故障處理能力，并通過數(shù)字通信將相關(guān)信息送往控制室，用戶可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及查詢所有設(shè)備的運(yùn)行，及時(shí)了解維護(hù)信息，以便早期分析與排除故障，縮短維護(hù)停工時(shí)間。同時(shí)，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、接線簡(jiǎn)單，減少了維護(hù)工作量。 (4)系統(tǒng)集成更簡(jiǎn)單、靈活。用戶可選擇不同制造商的產(chǎn)品來集成系統(tǒng)，避免或減少系統(tǒng)集成中因不兼容的協(xié)議和接口帶來的麻煩。 (5)提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。由于現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化，與模擬信號(hào)相比，它從根本上提高了測(cè)量與控制的精確度，減少了傳送誤差。同時(shí)，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，現(xiàn)場(chǎng)智能化設(shè)備內(nèi)部功能加強(qiáng)，減少了信號(hào)的往返傳輸，設(shè)備可不依賴網(wǎng)絡(luò)而工作，提高了整個(gè)系統(tǒng)工作的可靠性。 　　現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)是自動(dòng)化領(lǐng)域的發(fā)展熱點(diǎn)，應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)也是智能化低壓電器的發(fā)展趨向。在低壓電氣設(shè)備中，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已在電動(dòng)機(jī)控制、綜合測(cè)控儀表及開關(guān)保護(hù)等智能化元件上廣泛應(yīng)用，并正在不斷發(fā)展與完善。 3. ABB公司智能化低壓配電系統(tǒng)氣解決方案 　　智能化低壓配電系統(tǒng)是ABB公司自動(dòng)化產(chǎn)品的重要組成部分。根據(jù)低壓電氣成套開關(guān)設(shè)備的特點(diǎn)和要求，ABB公司先后推出了INSUM智能化電動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)和ＥＳＤ2000變電站監(jiān)控系統(tǒng)。其中INSUM系統(tǒng)采用LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線，主要用于生產(chǎn)過程控制的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行管理；ESD 2000則是集成變電站低壓開關(guān)設(shè)備、變壓器及中壓開關(guān)設(shè)備的一體化分布式智能化管理系統(tǒng)。 　　ESD 2000系統(tǒng)主機(jī)是變電站一體化監(jiān)控平臺(tái)，提供系統(tǒng)集中監(jiān)控功能。系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)層面配置前端機(jī)，經(jīng)內(nèi)部以太網(wǎng)與監(jiān)控主機(jī)連接；前端機(jī)往下是設(shè)備層開放的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，連接變電站設(shè)備的智能化裝置。前端機(jī)為工業(yè)PC機(jī)，具有很強(qiáng)的通信處理功能及抗干擾能力，取消了路由器和網(wǎng)關(guān)，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)底層變電站設(shè)備的無縫連接。目前，大部分現(xiàn)場(chǎng)智能化裝置雖具有數(shù)字通信功能，但不是嚴(yán)格經(jīng)一致性和互操作性測(cè)試過的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備，協(xié)議不統(tǒng)一，通信兼容性差。而ESD 2000前端機(jī)靈活的通信處理功能很好地滿足了系統(tǒng)開放性的要求，即可連接標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品，也兼容其他智能化裝置，擴(kuò)展靈活，可充分滿足用戶變電站內(nèi)不同設(shè)備系統(tǒng)集成的要求。 　　低壓開關(guān)設(shè)備智能化裝置主要包括電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、開關(guān)控制及電動(dòng)機(jī)控制等。連接ESD 2000系統(tǒng)具有代表性的實(shí)現(xiàn)上述功能的智能化裝置有：S系列開關(guān)、PR1、F系列開關(guān)、PR212、E系列開關(guān)、PR112 PR113等智能化萬能式斷路器；INSUM及M101 M102智能化電動(dòng)機(jī)控制單元；PMC915綜合測(cè)控儀表等。智能化萬能式斷路器經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)總線與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接實(shí)現(xiàn)開關(guān)保護(hù)定值設(shè)置、電參量測(cè)量與顯示、故障與維護(hù)信息管理等功能；PMC915可實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量綜合監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制及參數(shù)越限告警等功能；M101 M102智能化電動(dòng)機(jī)控制裝置采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，具有強(qiáng)大的電動(dòng)機(jī)控制和保護(hù)功能及參數(shù)測(cè)量與顯示功能?？刂乒δ馨ㄖ苯悠饎?dòng)、正反轉(zhuǎn)、雙速、星三角、閥門控制等；保護(hù)功能覆蓋了過載保護(hù)、欠壓保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、三相不平衡與斷相保護(hù)、漏電保護(hù)、電動(dòng)機(jī)熱保護(hù)等；可測(cè)量與顯示三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因素、電度量及報(bào)告故障類型、電動(dòng)機(jī)運(yùn)行維護(hù)信息等。同時(shí)M101 M102提供電動(dòng)機(jī)自動(dòng)重起動(dòng)及故障預(yù)測(cè)功能，具有雙冗余通信接口，通過裝置的USB接口可進(jìn)行軟件升級(jí)。智能化低壓電器集成了保護(hù)、控制、測(cè)量與顯示等功能，有效地提高了開關(guān)設(shè)備運(yùn)行的可靠性和準(zhǔn)確性，實(shí)時(shí)為用戶提供所需要的信息，是用戶生產(chǎn)過程信息集成的重要組成部分，為系統(tǒng)的智能化管理提供了極大的便利。 智能化低壓配電系統(tǒng)正在向小型化、多功能方向發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用將提高智能化低壓電器產(chǎn)品在網(wǎng)絡(luò)上的兼容性和系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，并最終給用戶帶來實(shí)惠。