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1、概述
現代工業技術的發展對低壓配電系統運行的可靠性及其智能化管理提出了更高的要求，而微處理器技術的廣泛應用及計算機系統可靠性的大幅度提高，使智能化低壓電器元件得到快速發展，智能化低壓電氣管理系統應運而生。相對于6kV及以上中高壓系統的綜合保護及系統監控（SCADA系統）的發展及其在電力系統中的應用，作為直接面向終端用戶的低壓開關設備，其智能化研究與應用起步較晚。現有不少應用于低壓的智能化監控系統基本上是在SCADA系統基礎上進行修改，可以滿足基本的監控功能，但不能充分體現低壓電氣系統的特點及要求。因此，開發并推出符合工業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，成了低壓電器產品制造商們持續提高其競爭力的迫切任務。
智能化低壓配電系統由低壓開關設備具有通信功能的智能化元件經數字通信與計算機系統網絡連接，實現變電站低壓開關設備運行管理的自動化、智能化。系統可實現數據的實時采集、數字通信、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。針對低壓電氣系統直接面向控制終端，設備多、分布廣，而且現場條件復雜，系統本身及設備頻繁操作、故障脫扣等產生的強電磁及諧波干擾等特點，智能化監控系統應能實現面向對象的操作模式，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，形成網絡集成式全分布控制系統，以滿足系統運行的實時、快速及可靠性的要求。系統中的低壓智能化元件就其功能而言總體上可分為：電能質量監測、開關保護與控制及電動機控制等。由于現場總線技術的應用，系統中智能化元件可不依賴計算機網絡而獨立運行，極大地提高系統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過程控制的要求。
2、現場總線技術的應用
現場總線是應用在生產現場、在微處理器測控設備之間實現雙向串行多節點數字通信的系統，也被稱為開放式、數字式多點通信的底層網絡。20世紀80年代中期，隨著微處理器技術和網絡技術的發展，DCS系統4～20mA的模擬量傳輸方式逐漸被數字網絡傳輸方式所取代，現場總線控制系統（Fieldbus Control System，FCS），迅速發展并在自動化領域得到廣泛應用。
FCS既是一個開放式通信網絡，又是一種全分布式控制系統。它作為智能設備的聯系紐帶，把掛在總線上作為網絡節點的智能設備連接為網絡系統，并進一步構成自動化系統，實現基本的控制、計算、參數設置、報警、顯示、監控及系統管理等綜合自動化功能。在FCS中，各種部件用通信網絡連接起來，數據傳輸采用總線方式，系統信號的傳輸完全數字化。系統內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，減少了大量的現場敷線；FCS的控制調節過程在現場部件，有效地提高了系統控制的實時性和可靠性，并避免了系統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參考模型定義了網絡互聯的7層框架，詳細規定了每一層的功能，以實現開放性系統環境中的互聯性、互操作性與應用的可移植性。
考慮到工業生產現場大量的智能化裝置零散地分布在一個較大的范圍內，而單個節點面向控制的信息量不大，但實時性、快速性要求較高，為減少中間環節，滿足實時性要求及降低工業網絡的成本，現場總線采用的通信模型大都在OSI參考模型的基礎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、數據鏈路層和應用層，省去了3～6層，具有結構簡單、執行協作簡單、成本低等優點，同時滿足工業現場應用的性能要求（如圖1所示）。通過一致性與互操作性測試，滿足現場總線技術要求的不同制造商的產品即可實現在同一總線上的互聯，為用戶的系統集成帶來極大的好處。
圖1 OSI與典型現場總線模
幾種有影響的現場總線技術包括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，已形成統一標準并在特定的應用領域顯示了自己的優勢。現場總線技術的優點主要有：
① 節省硬件投資。現場總線系統的智能設備分散在現場，能直接執行控制和計算功能，可減少大量的變送器及調節器、計算單元等，也不再需要DCS系統的信號傳輸處理單元及其大量復雜的硬線連接，節省了可觀的硬件投資，并可減少控制室的占地面積。
② 節省安裝費用。現場總線系統的接線十分簡單，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，現場總線系統的安裝費用可節省60%以上。
③ 減少維護費用。由于現場控制設備具有自診斷及一定的故障處理能力，并通過數字通信將相關信息送往控制室，用戶可實時監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，由于系統結構簡化、接線簡單，減少了維護工作量。
④ 系統集成更簡單、靈活。用戶可選擇不同制造商的產品來集成系統，避免或減少系統集成中因不兼容的協議和接口帶來的麻煩。
⑤ 提高了系統的準確性和可靠性。由于現場總線設備的智能化、數字化，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，由于系統結構簡化，現場智能化設備內部功能加強，減少了信號的往返傳輸，設備可不依賴網絡而工作，提高了整個系統工作的可靠性。
現場總線系統是自動化領域的發展熱點，應用現場總線技術也是智能化低壓電器的發展趨向。在低壓電氣設備中，現場總線技術已在電動機控制、綜合測控儀表及開關保護等智能化元件上廣泛應用，并正在不斷發展與完善。
3、ABB公司智能化低壓配電系統氣解決方案
智能化低壓配電系統是ABB公司自動化產品的重要組成部分。根據低壓電氣成套開關設備的特點和要求，ABB公司先后推出了INSUM智能化電動機管理系統和ＥＳＤ2000變電站監控系統。其中INSUM系統采用LonWorks現場總線，主要用于生產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設備、變壓器及中壓開關設備的一體化分布式智能化管理系統。下面以ESD 2000系統模型（見圖2）簡述ABB智能化低壓配電系統的應用。
圖2 ESD 2000系統模型
ESD 2000系統主機是變電站一體化監控平臺，提供系統集中監控功能。系統現場層面配置前端機，經內部以太網與監控主機連接；前端機往下是設備層開放的現場總線網絡，連接變電站設備的智能化裝置。前端機為工業PC機，具有很強的通信處理功能及抗干擾能力，取消了路由器和網關，簡化了網絡結構，同時實現底層變電站設備的無縫連接。目前，大部分現場智能化裝置雖具有數字通信功能，但不是嚴格經一致性和互操作性測試過的現場總線設備，協議不統一，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開放性的要求，即可連接標準的現場總線產品，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不同設備系統集成的要求。
低壓開關設備智能化裝置主要包括電能質量監測、開關控制及電動機控制等。連接ESD 2000系統具有代表性的實現上述功能的智能化裝置有：S系列開關、PR1、F系列開關、PR212、E系列開關、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現場總線與計算機系統連接實現開關保護定值設置、電參量測量與顯示、故障與維護信息管理等功能；PMC915可實現電能質量綜合監測、遠程控制及參數越限告警等功能；M101 M102智能化電動機控制裝置采用現場總線技術，具有強大的電動機控制和保護功能及參數測量與顯示功能。控制功能包括直接起動、正反轉、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，是用戶生產過程信息集成的重要組成部分，為系統的智能化管理提供了極大的便利。
智能化低壓配電系統正在向小型化、多功能方向發展，現場總線技術的發展與應用將提高智能化低壓電器產品在網絡上的兼容性和系統運行的可靠性，并最終給用戶帶來實惠。
來源：中國工業電器網 |
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