淺析現(xiàn)場(chǎng)總線型低壓成套電氣開關(guān)設(shè)備—陸海轉(zhuǎn)載

變配電站微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是目前電力建設(shè)中比較熱門的一個(gè)話題,由于其可對(duì)供配電系統(tǒng)各種運(yùn)行的開關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和各回路的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和過程顯示,對(duì)設(shè)備進(jìn)行遙控和自動(dòng)連鎖操作,對(duì)參數(shù)越限報(bào)警、事故報(bào)告操作、事件記錄和設(shè)備的遠(yuǎn)程配置等功能,從而極大改善配電設(shè)備的運(yùn)行管理,為實(shí)現(xiàn)無人值守提供條件,可明顯提高配電系統(tǒng)的安全性、提高供電質(zhì)量、節(jié)省能源消耗、減少配電設(shè)備的運(yùn)用費(fèi)用。因此,目前變配電系統(tǒng)的集成應(yīng)用已成為趨勢(shì)。

變電站微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)一般采用分散、分層、分布式結(jié)構(gòu),整個(gè)系統(tǒng)可分為3 層式結(jié)構(gòu):現(xiàn)場(chǎng)層(由智能型可通信設(shè)備組成) 、網(wǎng)絡(luò)管理層(由安裝在各個(gè)配電中心或功能段的通信管理單元組成) 、系統(tǒng)管理層主站層(由監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成) 。本文對(duì)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)層的現(xiàn)場(chǎng)總線型低壓成套開關(guān)設(shè)備進(jìn)行分析,探討如何更好地采用元器件和進(jìn)行低壓成套開關(guān)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
1電氣控制方式研究
現(xiàn)場(chǎng)總線型低壓成套開關(guān)設(shè)備所用元件一般都是智能電子設(shè)備,它們都能獨(dú)立完成傳統(tǒng)低壓設(shè)備的配電、控制和保護(hù)功能,而且由于電子設(shè)備容易實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的測(cè)量、運(yùn)算和復(fù)雜的控制邏輯,故通常具有更為精確和強(qiáng)大的功能。最重要的是,它不僅可作為一個(gè)獨(dú)立的設(shè)備實(shí)現(xiàn)其功能,而且可將采集的信號(hào)傳送到外部,接受外部的命令實(shí)現(xiàn)操作,這就為實(shí)現(xiàn)分布式監(jiān)控系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)條件。這里所指的現(xiàn)場(chǎng)總線是用于工業(yè)設(shè)備之間通信的規(guī)約,是已得到眾多制造商采用和支持的、開放的通信規(guī)約?，F(xiàn)場(chǎng)總線的推廣為不同廠商設(shè)備的互連、互換、互操作提供了可能,使用開放的現(xiàn)場(chǎng)總線已得到廣泛的支持。在配電監(jiān)控系統(tǒng)之中的現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備,是分散、分布式的結(jié)構(gòu),保持原有的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的設(shè)備間隔劃分,單元化、模塊化設(shè)計(jì),各間隔獨(dú)立處理。各設(shè)備不依賴網(wǎng)絡(luò)可獨(dú)立完成各自的電氣功能,而通過網(wǎng)絡(luò)的集中的控制設(shè)備能實(shí)現(xiàn)設(shè)備間協(xié)調(diào)和連鎖控制及系統(tǒng)監(jiān)控功能。具體來講,可進(jìn)行如下比較:
(1) 傳統(tǒng)的電氣控制方式。傳統(tǒng)的低壓開關(guān)
設(shè)備主要通過斷路器、接觸器、熱繼電器、熔斷器、各種控制繼電器、各種主令電器、互感器、電工儀表等實(shí)現(xiàn)配電、控制、保護(hù)、監(jiān)視功能,這種產(chǎn)品不僅配有數(shù)十個(gè)或更多的模擬指針儀表,大量繼電器給生產(chǎn)、儲(chǔ)存、維修帶來極大不便,且以人工直接操作為主,無法實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)管理,難以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制邏輯。
(2) 現(xiàn)場(chǎng)總線型低壓成套開關(guān)設(shè)備的電氣控制方式。現(xiàn)場(chǎng)總線型低壓開關(guān)設(shè)備完全摒棄了以模擬儀表、繼電器為監(jiān)測(cè)、控制設(shè)備的傳統(tǒng)型開關(guān)設(shè)備的管理觀念和模式,代之以大量的智能型元器件(智能型網(wǎng)絡(luò)儀表、網(wǎng)絡(luò)I/O、智能型斷路器、智能型分散功能模塊等)和極少量普通型控制設(shè)備,是一種新型的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制設(shè)備?？偩€型低壓開關(guān)設(shè)備可對(duì)電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、頻率、電度等電參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),對(duì)斷路器的分合狀態(tài)、故障信息進(jìn)行監(jiān)視和控制,對(duì)斷路器的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置調(diào)整,并提供完善的遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件,從而實(shí)現(xiàn)“三遙”或“四遙”功能。

2總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究
2. 1現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)特點(diǎn)和電器應(yīng)用現(xiàn)狀
現(xiàn)場(chǎng)總線是指安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制室的自動(dòng)控制裝置之間數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備數(shù)字化通信的一種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)層網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)可迅速、簡(jiǎn)單、低成本地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的出現(xiàn)打破了原有控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與模式,使控制系統(tǒng)趨向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化,其最明顯的特點(diǎn)為:信號(hào)傳輸數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一全開放、控制單元獨(dú)立?，F(xiàn)場(chǎng)總線中,各種模擬信號(hào)在現(xiàn)場(chǎng)就被轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào),采用全數(shù)字式、雙向傳輸,傳送時(shí)不易受周圍環(huán)境的干擾,并可克服模擬信號(hào)在傳輸過程中衰減的問題,從而使數(shù)據(jù)有很好的完整性、可靠性和抗干擾性,延長(zhǎng)了信號(hào)傳輸距離;系統(tǒng)從上到下全開放,采用公開化的通信協(xié)議,遵守同一通信標(biāo)準(zhǔn)的不同廠商設(shè)備之間可互聯(lián)和實(shí)現(xiàn)信息交換,用戶可靈活選用不同廠商的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品組成實(shí)際的控制系統(tǒng),達(dá)到最佳的系統(tǒng)集成?？刂乒δ軓氐紫路诺浆F(xiàn)場(chǎng),由高度智能的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備分散地完成具體功能,如數(shù)據(jù)采集與補(bǔ)償、運(yùn)算和控制、設(shè)備自校驗(yàn)和自診斷等功能。它把DCS集中與分散相結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變成了新型全分布式結(jié)構(gòu),簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。目前,工業(yè)控制系統(tǒng)中應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線已有40多種,應(yīng)用在低壓電器產(chǎn)品上主要有:德國(guó)西門子公司的Profibus-DP協(xié)議;美國(guó)Rockwell公司的DeviceNet協(xié)議; 日本三菱公司的CC-L ink 協(xié)議;法國(guó)施耐德公司的Modbus協(xié)議; Asi協(xié)議(主要傳送開關(guān)量信號(hào)) 。每種現(xiàn)場(chǎng)總線都有其優(yōu)勢(shì),也有其不足。大部分專家認(rèn)為,從目前技術(shù)水平看,沒有絕對(duì)先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)總線。從技術(shù)特征看, Profibus與CC-Link比較類同,這兩種總線通信速率較高,但協(xié)議較復(fù)雜,成本較高,簡(jiǎn)單的主從通信方式相對(duì)單一、效率低; DeviceNet總線通信速率低于以上兩種總線,但協(xié)議相對(duì)簡(jiǎn)單、成本較低、通信方式相對(duì)“靈活”;Modbus總線協(xié)議更為簡(jiǎn)潔、成本低,但功能相對(duì)較弱; Asi總線主要適用于開關(guān)量傳送和低壓控制電器通信。據(jù)低壓電器產(chǎn)品特點(diǎn)及我國(guó)低壓電器行業(yè)和市場(chǎng)實(shí)際情況,我國(guó)可通信低壓電器發(fā)展主要跟蹤DeviceNet、Profibus、Modbus、Asi 4種總線。

2. 2現(xiàn)場(chǎng)總線組網(wǎng)技術(shù)分析
要實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)智能化設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控,必須形成智能化網(wǎng)絡(luò)(見圖1) ,通常包括監(jiān)控用計(jì)算機(jī)或PLC和配電自動(dòng)化監(jiān)控軟件組成。
監(jiān)控計(jì)算機(jī)或PLC按安裝位置可分為前置機(jī)和監(jiān)控機(jī)。據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)前置機(jī)為可選方式,按實(shí)際需要可直接安裝在現(xiàn)場(chǎng)的總線柜上或安裝現(xiàn)場(chǎng),用戶可在現(xiàn)場(chǎng)直接查看各種參數(shù)并進(jìn)行修改。前置機(jī)連接總線柜內(nèi)所用的可通信元件,這些可通信元件的數(shù)據(jù)均由前置機(jī)負(fù)責(zé)采集并可通過TCP / IP網(wǎng)絡(luò)與其他監(jiān)控計(jì)算機(jī)連接,起到數(shù)據(jù)搜集、中轉(zhuǎn)的作用?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境及可靠性的要求,前置機(jī)必須具備工作于惡劣環(huán)境的運(yùn)行能力。前置機(jī)一般采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī),其防護(hù)等級(jí)高、可工作于變電站高溫環(huán)境。
監(jiān)控機(jī)安裝在值班室或各種非現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控場(chǎng)合。在已安裝了前置機(jī)的場(chǎng)合,監(jiān)控機(jī)無需與總線柜的各種可通信設(shè)備進(jìn)行直接連接,用戶只需將前置機(jī)和監(jiān)控機(jī)通過局域網(wǎng)連在一起即可。若用戶需要,可加裝多臺(tái)監(jiān)控機(jī),同時(shí)對(duì)總線柜進(jìn)行監(jiān)控。監(jiān)控機(jī)也可選常用的PC機(jī),但考慮到系統(tǒng)的可靠性,筆者認(rèn)為采用品牌機(jī)為宜。
配電自動(dòng)化監(jiān)控軟件采用組態(tài)軟件,可方便地按照現(xiàn)場(chǎng)的配置,結(jié)合各種總線標(biāo)準(zhǔn)和用戶需求形成人機(jī)界面。通過連接總線柜的智能設(shè)備,用戶可在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)實(shí)時(shí)掌控整個(gè)配電系統(tǒng)的運(yùn)行情況。如常熟開關(guān)制造有限公司的Riyear-PowerNet配電監(jiān)控系統(tǒng)軟件,通過高效率的數(shù)據(jù)采集,現(xiàn)場(chǎng)的工作狀態(tài)、趨勢(shì)曲線、歷史記錄、操作及報(bào)警記錄等均可遠(yuǎn)程顯示。該系統(tǒng)可支持Profibus-DP、Device Net、Modbus等總線協(xié)議,并具備有以下主要功能:
    (1) 組態(tài)功能。能任意組態(tài)出系統(tǒng)的人機(jī)界面?？稍谟?jì)算機(jī)屏幕上直接畫出供配電系統(tǒng)主接線圖,成套開關(guān)設(shè)備回路及布置圖,直接操作主接線圖上的元器件,察看各種運(yùn)行狀態(tài)及報(bào)表、曲線圖。
    (2) 控制功能。能對(duì)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)定、讀取、控制。如斷路器的合分操作,保護(hù)特性整定,遙測(cè)電流、電壓、功率及功率因素等。
    (3) 報(bào)警功能。當(dāng)系統(tǒng)中設(shè)備出現(xiàn)報(bào)警時(shí),屏幕上會(huì)自動(dòng)彈出報(bào)警畫面、發(fā)出報(bào)警聲并能以電話等方式通知用戶。
    (4) 調(diào)試診斷功能?？烧{(diào)試、診斷設(shè)備,便于用戶快速排除設(shè)備故障。
    (5) 報(bào)表及曲線圖功能。能根據(jù)用戶需要生成各種日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表、年報(bào)表,以及歷史趨勢(shì)曲線圖,便于用戶分析、處理,合理安排各種生產(chǎn)設(shè)備的投入運(yùn)行時(shí)間。
    (6) 用戶管理功能。能對(duì)不同的用戶設(shè)定不同的權(quán)限,具有相應(yīng)的安全檢查性。
    (7) 系統(tǒng)拓展功能。通用的OPC接口可與其他程序交換數(shù)據(jù),可生成HTML 文件,可通過Internet或LAN遠(yuǎn)程監(jiān)控。
2. 3現(xiàn)場(chǎng)總線型低壓成套開關(guān)設(shè)備與元件和系統(tǒng)的關(guān)系
現(xiàn)場(chǎng)總線型低壓成套開關(guān)設(shè)備就是采用標(biāo)準(zhǔn)開放的現(xiàn)場(chǎng)總線通信技術(shù)將具有通信功能的低壓智能設(shè)備(智能型斷路器、智能型保護(hù)控制裝置、智能型測(cè)控裝置及智能儀表等)由通信電纜相互連接起來,通過后臺(tái)主控系統(tǒng)( PLC或PC系統(tǒng))實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)視、保護(hù)參數(shù)的調(diào)整、控制(“四遙”功能)以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)分析和設(shè)備運(yùn)行管理等功能的低壓成套設(shè)備。作為現(xiàn)場(chǎng)層的總線型低壓成套開關(guān)設(shè)備處于配電室高溫、強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾等惡劣環(huán)境下,為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,必須考慮如何提高元件設(shè)備和通信系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力,主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面:
    (1) 采用保護(hù)與測(cè)控功能一體的元件,各保護(hù)監(jiān)控裝置可獨(dú)立完成測(cè)量、保護(hù)和控制功能,其功能的實(shí)現(xiàn)不依賴于通信層及變電站監(jiān)控系統(tǒng)層。智能化電器元件的選型主要根據(jù)工程總體設(shè)計(jì)需要進(jìn)行,考慮到應(yīng)用在無人值守場(chǎng)所,故其高可靠性成為更重要的指標(biāo),目前相對(duì)優(yōu)秀的國(guó)產(chǎn)元件有常熟開關(guān)制造有限公司的CM1、CM2、CM1Z、CW1、CW2、CW3等各類開關(guān)設(shè)備。
    (2) 電器元件的選擇必須在對(duì)設(shè)備功能、質(zhì)量穩(wěn)定性和外形進(jìn)行選擇的同時(shí)充分考慮現(xiàn)場(chǎng)總線通信接口規(guī)范(物理接口、協(xié)議、傳輸速率、數(shù)據(jù)量等) ,有系列化要求的盡可能選用同一廠家的產(chǎn)品。由于配電系統(tǒng)要準(zhǔn)確集成各種元件,同一廠家的不同產(chǎn)品本身具有統(tǒng)一的設(shè)備層描述,可快速地組態(tài)、實(shí)現(xiàn)用戶目標(biāo)。若從網(wǎng)絡(luò)儀表、I/O模塊到智能電氣元件,如斷路器、電動(dòng)機(jī)保護(hù)器等為同一廠商生產(chǎn)產(chǎn)品,那么集成速度、效率就最高。目前,在國(guó)內(nèi)惟一能從系統(tǒng)到元件全部系列化設(shè)計(jì)的僅有常熟開關(guān)制造有限公司,不僅開發(fā)有上位機(jī)系統(tǒng)軟件,還有CGZ1總線型低壓成套開關(guān)設(shè)備,更具有業(yè)內(nèi)享有盛譽(yù)的CM1、CW1等電器元件。
    (3) 要求高抗干擾能力,在強(qiáng)電和弱電混合使用的總線型低壓成套開關(guān)設(shè)備,必須具有滿足IEC 61000 標(biāo)準(zhǔn)的電磁兼容能力,故在設(shè)計(jì)上就應(yīng)考慮該因素。除選用電磁兼容性能好的各類電器元件外,為了提高通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行可靠性和系統(tǒng)可維護(hù)性,應(yīng)設(shè)立專用的通信電纜敷設(shè)通道,遠(yuǎn)離強(qiáng)電環(huán)境。在設(shè)計(jì)時(shí)可設(shè)有獨(dú)立的通信回路小室,采用金屬隔板與主母線及大電流主回路完全隔離,從而有效地抑制由于主回路電流變化而產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)通信控制系統(tǒng)的干擾。
   
現(xiàn)場(chǎng)總線型低壓成套開關(guān)設(shè)備是實(shí)現(xiàn)變配電監(jiān)控系統(tǒng)的重要基礎(chǔ),它采用標(biāo)準(zhǔn)開放的現(xiàn)場(chǎng)總線通信技術(shù)將具有通信功能、高度智能化的低壓智能設(shè)備同計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)緊密結(jié)合,讓監(jiān)控系統(tǒng)的底層裝置在可通信管理方面形成標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和簡(jiǎn)單化,從而使配電站的管理更為方便和實(shí)用,是傳統(tǒng)配電開關(guān)設(shè)備的理想升級(jí)替代產(chǎn)品。