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0引言
變配電站微機監(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)各種運行的開關設備的運行狀態(tài)和各回路的實際參數(shù)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(shù)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(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、減少配電設備的運用費用。因此,目前變配電系統(tǒng)的集成應用已成為趨勢。
變電站微機監(jiān)控系統(tǒng)一般采用分散、分層、分布式結構,整個系統(tǒng)可分為3 層式結構:現(xiàn)場層(由智能型可通信設備組成) 、網(wǎng)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(tǒng)管理層主站層(由監(jiān)控中心計算機系統(tǒng)組成) 。本文對應用于現(xiàn)場層的現(xiàn)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(wǎng)絡系統(tǒng)的設計。
1電氣控制方式研究
現(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)操作,這就為實現(xiàn)分布式監(jiān)控系統(tǒng)提供了基礎條件。這里所指的現(xiàn)場總線是用于工業(yè)設備之間通信的規(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。現(xiàn)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(xiàn)場總線已得到廣泛的支持。
在配電監(jiān)控系統(tǒng)之中的現(xiàn)場層設備,是分散、
分布式的結構,保持原有的電氣系統(tǒng)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(wǎng)絡可獨立完成各自的電氣功能,而通過網(wǎng)絡的集中的控制設備能實現(xiàn)設備間協(xié)調(diào)和連鎖控制及系統(tǒng)監(jiān)控功能。具體來講,可進行如下比較:
(1) 傳統(tǒng)的電氣控制方式。傳統(tǒng)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(xiàn)配電、控制、保護、監(jiān)視功能,這種產(chǎn)品不僅配有數(shù)十個或更多的模擬指針儀表,大量繼電器給生產(chǎn)、儲存、維修帶來極大不便,且以人工直接操作為主,無法實現(xiàn)計算機管理,難以實現(xiàn)較復雜的控制邏輯。
(2) 現(xiàn)場總線型低壓成套開關設備的電氣控制方式。現(xiàn)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(jiān)測、控制設備的傳統(tǒng)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(wǎng)絡儀表、網(wǎng)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(wǎng)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(shù)、頻率、電度等電參數(shù)進行監(jiān)測,對斷路器的分合狀態(tài)、故障信息進行監(jiān)視和控制,對斷路器的運行參數(shù)進行遠程設置調(diào)整,并提供完善的遠程監(jiān)控軟件,從而實現(xiàn)“三遙”或“四遙”功能。
2總線網(wǎng)絡技術研究
2. 1現(xiàn)場總線技術特點和電器應用現(xiàn)狀
現(xiàn)場總線是指安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室的自動控制裝置之間數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線。現(xiàn)場總線技術是實現(xiàn)現(xiàn)場級設備數(shù)字化通信的一種工業(yè)現(xiàn)場層網(wǎng)絡通信技術,采用現(xiàn)場總線技術可迅速、簡單、低成本地實現(xiàn)自動化�，F(xiàn)場總線技術的出現(xiàn)打破了原有控制系統(tǒng)的結構與模式,使控制系統(tǒng)趨向分散化、網(wǎng)絡化、智能化,其最明顯的特點為:信號傳輸數(shù)字化、標準統(tǒng)一全開放、控制單元獨立�，F(xiàn)場總線中,各種模擬信號在現(xiàn)場就被轉(zhuǎn)換成標準的數(shù)字信號,采用全數(shù)字式、雙向傳輸,傳送時不易受周圍環(huán)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(shù)據(jù)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(tǒng)從上到下全開放,采用公開化的通信協(xié)議,遵守同一通信標準的不同廠商設備之間可互聯(lián)和實現(xiàn)信息交換,用戶可靈活選用不同廠商的現(xiàn)場總線產(chǎn)品組成實際的控制系統(tǒng),達到最佳的系統(tǒng)集成�？刂乒δ軓氐紫路诺浆F(xiàn)場,由高度智能的現(xiàn)場設備分散地完成具體功能,如數(shù)據(jù)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(tǒng)結構變成了新型全分布式結構,簡化了控制系統(tǒng)結構。
目前,工業(yè)控制系統(tǒng)中應用的現(xiàn)場總線已有40多種,應用在低壓電器產(chǎn)品上主要有:德國西門子公司的Profibus-DP協(xié)議;美國Rockwell公司的DeviceNet協(xié)議; 日本三菱公司的CC-L ink 協(xié)議;法國施耐德公司的Modbus協(xié)議; Asi協(xié)議(主要傳送開關量信號) 。
每種現(xiàn)場總線都有其優(yōu)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(xiàn)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(xié)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(xié)議相對簡單、成本較低、通信方式相對“靈活”;Modbus總線協(xié)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(jù)低壓電器產(chǎn)品特點及我國低壓電器行業(yè)和市場實際情況,我國可通信低壓電器發(fā)展主要跟蹤DeviceNet、Profibus、Modbus、Asi 4種總線。
2. 2現(xiàn)場總線組網(wǎng)技術分析
要實現(xiàn)對現(xiàn)場智能化設備的遠程監(jiān)控,必須形成智能化網(wǎng)絡(見圖1) ,通常包括監(jiān)控用計算機或PLC和配電自動化監(jiān)控軟件組成。
監(jiān)控計算機或PLC按安裝位置可分為前置機和監(jiān)控機。據(jù)系統(tǒng)設計前置機為可選方式,按實際需要可直接安裝在現(xiàn)場的總線柜上或安裝現(xiàn)場,用戶可在現(xiàn)場直接查看各種參數(shù)并進行修改。前置機連接總線柜內(nèi)所用的可通信元件,這些可通信元件的數(shù)據(jù)均由前置機負責采集并可通過TCP / IP網(wǎng)絡與其他監(jiān)控計算機連接,起到數(shù)據(jù)搜集、中轉(zhuǎn)的作用�？紤]到現(xiàn)場的工作環(huán)境及可靠性的要求,前置機必須具備工作于惡劣環(huán)境的運行能力。前置機一般采用工業(yè)控制計算機,其防護等級高、可工作于變電站高溫環(huán)境。
監(jiān)控機安裝在值班室或各種非現(xiàn)場的遠程監(jiān)控場合。在已安裝了前置機的場合,監(jiān)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(jiān)控機通過局域網(wǎng)連在一起即可。若用戶需要,可加裝多臺監(jiān)控機,同時對總線柜進行監(jiān)控。監(jiān)控機也可選常用的PC機,但考慮到系統(tǒng)的可靠性,筆者認為采用品牌機為宜。
配電自動化監(jiān)控軟件采用組態(tài)軟件,可方便地按照現(xiàn)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(tǒng)的運行情況。如常熟開關制造有限公司的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)場的工作狀態(tài)、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(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)的人機界面。可在計算機屏幕上直接畫出供配電系統(tǒng)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(tài)及報表、曲線圖。
(2) 控制功能。能對系統(tǒng)設備進行參數(shù)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(tǒng)中設備出現(xiàn)報警時,屏幕上會自動彈出報警畫面、發(fā)出報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(jù)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(chǎn)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(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遠程監(jiān)控。
2. 3現(xiàn)場總線型低壓成套開關設備與元件和系統(tǒng)的關系
現(xiàn)場總線型低壓成套開關設備就是采用標準開放的現(xiàn)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(tǒng)( PLC或PC系統(tǒng))實現(xiàn)對整個配電系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和運行狀態(tài)的遠程監(jiān)視、保護參數(shù)的調(diào)整、控制(“四遙”功能)以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲分析和設備運行管理等功能的低壓成套設備。作為現(xiàn)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(huán)境下,為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,必須考慮如何提高元件設備和通信系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力,主要體現(xiàn)在如下幾個方面:
(1) 采用保護與測控功能一體的元件,各保護監(jiān)控裝置可獨立完成測量、保護和控制功能,其功能的實現(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(yōu)秀的國產(chǎn)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(zhì)量穩(wěn)定性和外形進行選擇的同時充分考慮現(xiàn)場總線通信接口規(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)一的設備層描述,可快速地組態(tài)、實現(xiàn)用戶目標。若從網(wǎng)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(chǎn)產(chǎn)品,那么集成速度、效率就最高。目前,在國內(nèi)惟一能從系統(tǒng)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(fā)有上位機系統(tǒng)軟件,還有CGZ1總線型低壓成套開關設備,更具有業(yè)內(nèi)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(wǎng)絡的運行可靠性和系統(tǒng)可維護性,應設立專用的通信電纜敷設通道,遠離強電環(huán)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(chǎn)生的磁場對通信控制系統(tǒng)的干擾。
3結束語
現(xiàn)場總線型低壓成套開關設備是實現(xiàn)變配電監(jiān)控系統(tǒng)的重要基礎,它采用標準開放的現(xiàn)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(wǎng)絡緊密結合,讓監(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)配電開關設備的理想升級替代產(chǎn)品。
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