智能化低壓配電系統(tǒng)的發(fā)展與應用

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摘要：現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展對低壓配電系統(tǒng)運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)的廣泛應用及計算機系統(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)應運而生。 

關(guān)鍵詞：智能化低壓配電系統(tǒng) 現(xiàn)場總線技術(shù)  1. 概　述 　　現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展對低壓配電系統(tǒng)運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)的廣泛應用及計算機系統(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)應運而生。相對于6kV及以上中高壓系統(tǒng)的綜合保護及系統(tǒng)監(jiān)控(SCADA系統(tǒng))的發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應用，作為直接面向終端用戶的低壓開關(guān)設備，其智能化研究與應用起步較晚?，F(xiàn)有不少應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)提高其競爭力的迫切任務。 　　智能化低壓配電系統(tǒng)由低壓開關(guān)設備具有通信功能的智能化元件經(jīng)數(shù)字通信與計算機系統(tǒng)網(wǎng)絡連接，實現(xiàn)變電站低壓開關(guān)設備運行管理的自動化、智能化。系統(tǒng)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集、數(shù)字通信、遠程操作與程序控制、保護定值管理、事件記錄與告警、故障分析、各類報表及設備維護信息管理等功能。針對低壓電氣系統(tǒng)直接面向控制終端，設備多、分布廣，而且現(xiàn)場條件復雜，系統(tǒng)本身及設備頻繁操作、故障脫扣等產(chǎn)生的強電磁及諧波干擾等特點，智能化監(jiān)控系統(tǒng)應能實現(xiàn)面向?qū)ο蟮牟僮髂Ｊ?，具有強抗干擾能力，主要控制功能由設備層智能化元件完成，形成網(wǎng)絡集成式全分布控制系統(tǒng)，以滿足系統(tǒng)運行的實時、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、開關(guān)保護與控制及電動機控制等。由于現(xiàn)場總線技術(shù)的應用，系統(tǒng)中智能化元件可不依賴計算機網(wǎng)絡而獨立運行，極大地提高系統(tǒng)運行的實時性和可靠性，滿足低壓電器設備運行管理的需要及工廠生產(chǎn)過程控制的要求。 2. 現(xiàn)場總線技術(shù)的應用 　　現(xiàn)場總線是應用在生產(chǎn)現(xiàn)場、在微處理器測控設備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字式多點通信的底層網(wǎng)絡。20世紀80年代中期，隨著微處理器技術(shù)和網(wǎng)絡技術(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)絡傳輸方式所取代，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(Fieldbus Control System，F(xiàn)CS)，迅速發(fā)展并在自動化領(lǐng)域得到廣泛應用。 　　FCS既是一個開放式通信網(wǎng)絡，又是一種全分布式控制系統(tǒng)。它作為智能設備的聯(lián)系紐帶，把掛在總線上作為網(wǎng)絡節(jié)點的智能設備連接為網(wǎng)絡系統(tǒng)，并進一步構(gòu)成自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)基本的控制、計算、參數(shù)設置、報警、顯示、監(jiān)控及系統(tǒng)管理等綜合自動化功能。在FCS中，各種部件用通信網(wǎng)絡連接起來，數(shù)據(jù)傳輸采用總線方式，系統(tǒng)信號的傳輸完全數(shù)字化。系統(tǒng)內(nèi)不存在嚴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算機而獨立運行。 　　FCS完全淘汰了4～20ｍＡ的模擬量傳輸方式，減少了大量的現(xiàn)場敷線；FCS的控制調(diào)節(jié)過程在現(xiàn)場部件，有效地提高了系統(tǒng)控制的實時性和可靠性，并避免了系統(tǒng)因主機故障而陷入癱瘓。 　　ISO國際標準化組織在ISO IEC7498標準中的OSI參考模型定義了網(wǎng)絡互聯(lián)的7層框架，詳細規(guī)定了每一層的功能，以實現(xiàn)開放性系統(tǒng)環(huán)境中的互聯(lián)性、互操作性與應用的可移植性。 　　考慮到工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場大量的智能化裝置零散地分布在一個較大的范圍內(nèi)，而單個節(jié)點面向控制的信息量不大，但實時性、快速性要求較高，為減少中間環(huán)節(jié)，滿足實時性要求及降低工業(yè)網(wǎng)絡的成本，現(xiàn)場總線采用的通信模型大都在OSI參考模型的基礎(chǔ)上進行了不同程度的簡化。它采用OSI模型中的3個典型層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層，省去了3～6層，具有結(jié)構(gòu)簡單、執(zhí)行協(xié)作簡單、成本低等優(yōu)點，同時滿足工業(yè)現(xiàn)場應用的性能要求。通過一致性與互操作性測試，滿足現(xiàn)場總線技術(shù)要求的不同制造商的產(chǎn)品即可實現(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，其應用具有各自的特點，已形成統(tǒng)一標準并在特定的應用領(lǐng)域顯示了自己的優(yōu)勢?，F(xiàn)場總線技術(shù)的優(yōu)點主要有： (1)節(jié)省硬件投資?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)的智能設備分散在現(xiàn)場，能直接執(zhí)行控制和計算功能，可減少大量的變送器及調(diào)節(jié)器、計算單元等，也不再需要DCS系統(tǒng)的信號傳輸處理單元及其大量復雜的硬線連接，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)省安裝費用。現(xiàn)場總線系統(tǒng)的接線十分簡單，一條通信總線上可掛接幾個甚至上百個設備，節(jié)省安裝附件，安裝工作量大大減少，設計及接線校對的工作量也大大減少。資料顯示，與DCS相比，現(xiàn)場總線系統(tǒng)的安裝費用可節(jié)省60%以上。 (3)減少維護費用。由于現(xiàn)場控制設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，用戶可實時監(jiān)測及查詢所有設備的運行，及時了解維護信息，以便早期分析與排除故障，縮短維護停工時間。同時，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化、接線簡單，減少了維護工作量。 (4)系統(tǒng)集成更簡單、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)的準確性和可靠性。由于現(xiàn)場總線設備的智能化、數(shù)字化，與模擬信號相比，它從根本上提高了測量與控制的精確度，減少了傳送誤差。同時，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，現(xiàn)場智能化設備內(nèi)部功能加強，減少了信號的往返傳輸，設備可不依賴網(wǎng)絡而工作，提高了整個系統(tǒng)工作的可靠性。 　　現(xiàn)場總線系統(tǒng)是自動化領(lǐng)域的發(fā)展熱點，應用現(xiàn)場總線技術(shù)也是智能化低壓電器的發(fā)展趨向。在低壓電氣設備中，現(xiàn)場總線技術(shù)已在電動機控制、綜合測控儀表及開關(guān)保護等智能化元件上廣泛應用，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公司自動化產(chǎn)品的重要組成部分。根據(jù)低壓電氣成套開關(guān)設備的特點和要求，ABB公司先后推出了INSUM智能化電動機管理系統(tǒng)和ＥＳＤ2000變電站監(jiān)控系統(tǒng)。其中INSUM系統(tǒng)采用LonWorks現(xiàn)場總線，主要用于生產(chǎn)過程控制的電動機運行管理；ESD 2000則是集成變電站低壓開關(guān)設備、變壓器及中壓開關(guān)設備的一體化分布式智能化管理系統(tǒng)。 　　ESD 2000系統(tǒng)主機是變電站一體化監(jiān)控平臺，提供系統(tǒng)集中監(jiān)控功能。系統(tǒng)現(xiàn)場層面配置前端機，經(jīng)內(nèi)部以太網(wǎng)與監(jiān)控主機連接；前端機往下是設備層開放的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡，連接變電站設備的智能化裝置。前端機為工業(yè)PC機，具有很強的通信處理功能及抗干擾能力，取消了路由器和網(wǎng)關(guān)，簡化了網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，同時實現(xiàn)底層變電站設備的無縫連接。目前，大部分現(xiàn)場智能化裝置雖具有數(shù)字通信功能，但不是嚴格經(jīng)一致性和互操作性測試過的現(xiàn)場總線設備，協(xié)議不統(tǒng)一，通信兼容性差。而ESD 2000前端機靈活的通信處理功能很好地滿足了系統(tǒng)開放性的要求，即可連接標準的現(xiàn)場總線產(chǎn)品，也兼容其他智能化裝置，擴展靈活，可充分滿足用戶變電站內(nèi)不同設備系統(tǒng)集成的要求。 　　低壓開關(guān)設備智能化裝置主要包括電能質(zhì)量監(jiān)測、開關(guān)控制及電動機控制等。連接ESD 2000系統(tǒng)具有代表性的實現(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智能化電動機控制單元；PMC915綜合測控儀表等。智能化萬能式斷路器經(jīng)現(xiàn)場總線與計算機系統(tǒng)連接實現(xiàn)開關(guān)保護定值設置、電參量測量與顯示、故障與維護信息管理等功能；PMC915可實現(xiàn)電能質(zhì)量綜合監(jiān)測、遠程控制及參數(shù)越限告警等功能；M101 M102智能化電動機控制裝置采用現(xiàn)場總線技術(shù)，具有強大的電動機控制和保護功能及參數(shù)測量與顯示功能?？刂乒δ馨ㄖ苯悠饎?、正反轉(zhuǎn)、雙速、星三角、閥門控制等；保護功能覆蓋了過載保護、欠壓保護、堵轉(zhuǎn)保護、三相不平衡與斷相保護、漏電保護、電動機熱保護等；可測量與顯示三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因素、電度量及報告故障類型、電動機運行維護信息等。同時M101 M102提供電動機自動重起動及故障預測功能，具有雙冗余通信接口，通過裝置的USB接口可進行軟件升級。智能化低壓電器集成了保護、控制、測量與顯示等功能，有效地提高了開關(guān)設備運行的可靠性和準確性，實時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)場總線技術(shù)的發(fā)展與應用將提高智能化低壓電器產(chǎn)品在網(wǎng)絡上的兼容性和系統(tǒng)運行的可靠性，并最終給用戶帶來實惠。