淺析現場總線型低壓成套電氣開關設備—陸海轉載

變配電站微機監控系統是目前電力建設中比較熱門的一個話題,由于其可對供配電系統各種運行的開關設備的運行狀態和各回路的實際參數進行實時采集和過程顯示,對設備進行遙控和自動連鎖操作,對參數越限報警、事故報告操作、事件記錄和設備的遠程配置等功能,從而極大改善配電設備的運行管理,為實現無人值守提供條件,可明顯提高配電系統的安全性、提高供電質量、節省能源消耗、減少配電設備的運用費用。因此,目前變配電系統的集成應用已成為趨勢。

變電站微機監控系統一般采用分散、分層、分布式結構,整個系統可分為3 層式結構:現場層(由智能型可通信設備組成) 、網絡管理層(由安裝在各個配電中心或功能段的通信管理單元組成) 、系統管理層主站層(由監控中心計算機系統組成) 。本文對應用于現場層的現場總線型低壓成套開關設備進行分析,探討如何更好地采用元器件和進行低壓成套開關設備網絡系統的設計。
1電氣控制方式研究
現場總線型低壓成套開關設備所用元件一般都是智能電子設備,它們都能獨立完成傳統低壓設備的配電、控制和保護功能,而且由于電子設備容易實現準確的測量、運算和復雜的控制邏輯,故通常具有更為精確和強大的功能。最重要的是,它不僅可作為一個獨立的設備實現其功能,而且可將采集的信號傳送到外部,接受外部的命令實現操作,這就為實現分布式監控系統提供了基礎條件。這里所指的現場總線是用于工業設備之間通信的規約,是已得到眾多制造商采用和支持的、開放的通信規約。現場總線的推廣為不同廠商設備的互連、互換、互操作提供了可能,使用開放的現場總線已得到廣泛的支持。在配電監控系統之中的現場層設備,是分散、分布式的結構,保持原有的電氣系統設計的設備間隔劃分,單元化、模塊化設計,各間隔獨立處理。各設備不依賴網絡可獨立完成各自的電氣功能,而通過網絡的集中的控制設備能實現設備間協調和連鎖控制及系統監控功能。具體來講,可進行如下比較:
(1) 傳統的電氣控制方式。傳統的低壓開關
設備主要通過斷路器、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、電工儀表等實現配電、控制、保護、監視功能,這種產品不僅配有數十個或更多的模擬指針儀表,大量繼電器給生產、儲存、維修帶來極大不便,且以人工直接操作為主,無法實現計算機管理,難以實現較復雜的控制邏輯。
(2) 現場總線型低壓成套開關設備的電氣控制方式。現場總線型低壓開關設備完全摒棄了以模擬儀表、繼電器為監測、控制設備的傳統型開關設備的管理觀念和模式,代之以大量的智能型元器件(智能型網絡儀表、網絡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備,是一種新型的網絡集成式全分布控制設備。總線型低壓開關設備可對電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數、頻率、電度等電參數進行監測,對斷路器的分合狀態、故障信息進行監視和控制,對斷路器的運行參數進行遠程設置調整,并提供完善的遠程監控軟件,從而實現“三遙”或“四遙”功能。

2總線網絡技術研究
2. 1現場總線技術特點和電器應用現狀
現場總線是指安裝在制造或過程區域的現場裝置與控制室的自動控制裝置之間數字式、串行、多點通信的數據總線。現場總線技術是實現現場級設備數字化通信的一種工業現場層網絡通信技術,采用現場總線技術可迅速、簡單、低成本地實現自動化。現場總線技術的出現打破了原有控制系統的結構與模式,使控制系統趨向分散化、網絡化、智能化,其最明顯的特點為:信號傳輸數字化、標準統一全開放、控制單元獨立。現場總線中,各種模擬信號在現場就被轉換成標準的數字信號,采用全數字式、雙向傳輸,傳送時不易受周圍環境的干擾,并可克服模擬信號在傳輸過程中衰減的問題,從而使數據有很好的完整性、可靠性和抗干擾性,延長了信號傳輸距離;系統從上到下全開放,采用公開化的通信協議,遵守同一通信標準的不同廠商設備之間可互聯和實現信息交換,用戶可靈活選用不同廠商的現場總線產品組成實際的控制系統,達到最佳的系統集成。控制功能徹底下放到現場,由高度智能的現場設備分散地完成具體功能,如數據采集與補償、運算和控制、設備自校驗和自診斷等功能。它把DCS集中與分散相結合的集散系統結構變成了新型全分布式結構,簡化了控制系統結構。目前,工業控制系統中應用的現場總線已有40多種,應用在低壓電器產品上主要有:德國西門子公司的Profibus-DP協議;美國Rockwell公司的DeviceNet協議; 日本三菱公司的CC-L ink 協議;法國施耐德公司的Modbus協議; Asi協議(主要傳送開關量信號) 。每種現場總線都有其優勢,也有其不足。大部分專家認為,從目前技術水平看,沒有絕對先進的現場總線。從技術特征看, Profibus與CC-Link比較類同,這兩種總線通信速率較高,但協議較復雜,成本較高,簡單的主從通信方式相對單一、效率低; DeviceNet總線通信速率低于以上兩種總線,但協議相對簡單、成本較低、通信方式相對“靈活”;Modbus總線協議更為簡潔、成本低,但功能相對較弱; Asi總線主要適用于開關量傳送和低壓控制電器通信。據低壓電器產品特點及我國低壓電器行業和市場實際情況,我國可通信低壓電器發展主要跟蹤DeviceNet、Profibus、Modbus、Asi 4種總線。

2. 2現場總線組網技術分析
要實現對現場智能化設備的遠程監控,必須形成智能化網絡(見圖1) ,通常包括監控用計算機或PLC和配電自動化監控軟件組成。
監控計算機或PLC按安裝位置可分為前置機和監控機。據系統設計前置機為可選方式,按實際需要可直接安裝在現場的總線柜上或安裝現場,用戶可在現場直接查看各種參數并進行修改。前置機連接總線柜內所用的可通信元件,這些可通信元件的數據均由前置機負責采集并可通過TCP / IP網絡與其他監控計算機連接,起到數據搜集、中轉的作用。考慮到現場的工作環境及可靠性的要求,前置機必須具備工作于惡劣環境的運行能力。前置機一般采用工業控制計算機,其防護等級高、可工作于變電站高溫環境。
監控機安裝在值班室或各種非現場的遠程監控場合。在已安裝了前置機的場合,監控機無需與總線柜的各種可通信設備進行直接連接,用戶只需將前置機和監控機通過局域網連在一起即可。若用戶需要,可加裝多臺監控機,同時對總線柜進行監控。監控機也可選常用的PC機,但考慮到系統的可靠性,筆者認為采用品牌機為宜。
配電自動化監控軟件采用組態軟件,可方便地按照現場的配置,結合各種總線標準和用戶需求形成人機界面。通過連接總線柜的智能設備,用戶可在任何時間、任何地點實時掌控整個配電系統的運行情況。如常熟開關制造有限公司的Riyear-PowerNet配電監控系統軟件,通過高效率的數據采集,現場的工作狀態、趨勢曲線、歷史記錄、操作及報警記錄等均可遠程顯示。該系統可支持Profibus-DP、Device Net、Modbus等總線協議,并具備有以下主要功能:
    (1) 組態功能。能任意組態出系統的人機界面。可在計算機屏幕上直接畫出供配電系統主接線圖,成套開關設備回路及布置圖,直接操作主接線圖上的元器件,察看各種運行狀態及報表、曲線圖。
    (2) 控制功能。能對系統設備進行參數設定、讀取、控制。如斷路器的合分操作,保護特性整定,遙測電流、電壓、功率及功率因素等。
    (3) 報警功能。當系統中設備出現報警時,屏幕上會自動彈出報警畫面、發出報警聲并能以電話等方式通知用戶。
    (4) 調試診斷功能。可調試、診斷設備,便于用戶快速排除設備故障。
    (5) 報表及曲線圖功能。能根據用戶需要生成各種日報表、月報表、年報表,以及歷史趨勢曲線圖,便于用戶分析、處理,合理安排各種生產設備的投入運行時間。
    (6) 用戶管理功能。能對不同的用戶設定不同的權限,具有相應的安全檢查性。
    (7) 系統拓展功能。通用的OPC接口可與其他程序交換數據,可生成HTML 文件,可通過Internet或LAN遠程監控。
2. 3現場總線型低壓成套開關設備與元件和系統的關系
現場總線型低壓成套開關設備就是采用標準開放的現場總線通信技術將具有通信功能的低壓智能設備(智能型斷路器、智能型保護控制裝置、智能型測控裝置及智能儀表等)由通信電纜相互連接起來,通過后臺主控系統( PLC或PC系統)實現對整個配電系統數據采集和運行狀態的遠程監視、保護參數的調整、控制(“四遙”功能)以及系統數據的存儲分析和設備運行管理等功能的低壓成套設備。作為現場層的總線型低壓成套開關設備處于配電室高溫、強電磁場干擾等惡劣環境下,為保證系統的穩定運行,必須考慮如何提高元件設備和通信系統的可靠性和抗干擾能力,主要體現在如下幾個方面:
    (1) 采用保護與測控功能一體的元件,各保護監控裝置可獨立完成測量、保護和控制功能,其功能的實現不依賴于通信層及變電站監控系統層。智能化電器元件的選型主要根據工程總體設計需要進行,考慮到應用在無人值守場所,故其高可靠性成為更重要的指標,目前相對優秀的國產元件有常熟開關制造有限公司的CM1、CM2、CM1Z、CW1、CW2、CW3等各類開關設備。
    (2) 電器元件的選擇必須在對設備功能、質量穩定性和外形進行選擇的同時充分考慮現場總線通信接口規范(物理接口、協議、傳輸速率、數據量等) ,有系列化要求的盡可能選用同一廠家的產品。由于配電系統要準確集成各種元件,同一廠家的不同產品本身具有統一的設備層描述,可快速地組態、實現用戶目標。若從網絡儀表、I/O模塊到智能電氣元件,如斷路器、電動機保護器等為同一廠商生產產品,那么集成速度、效率就最高。目前,在國內惟一能從系統到元件全部系列化設計的僅有常熟開關制造有限公司,不僅開發有上位機系統軟件,還有CGZ1總線型低壓成套開關設備,更具有業內享有盛譽的CM1、CW1等電器元件。
    (3) 要求高抗干擾能力,在強電和弱電混合使用的總線型低壓成套開關設備,必須具有滿足IEC 61000 標準的電磁兼容能力,故在設計上就應考慮該因素。除選用電磁兼容性能好的各類電器元件外,為了提高通信網絡的運行可靠性和系統可維護性,應設立專用的通信電纜敷設通道,遠離強電環境。在設計時可設有獨立的通信回路小室,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生的磁場對通信控制系統的干擾。
   
現場總線型低壓成套開關設備是實現變配電監控系統的重要基礎,它采用標準開放的現場總線通信技術將具有通信功能、高度智能化的低壓智能設備同計算機網絡緊密結合,讓監控系統的底層裝置在可通信管理方面形成標準化、模塊化和簡單化,從而使配電站的管理更為方便和實用,是傳統配電開關設備的理想升級替代產品。