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摘要：現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展對配電系統(tǒng)運(yùn)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(yīng)用及計算機(jī)系統(tǒng)可靠性的大幅度提高，使智能化電器元件得到快速發(fā)展，智能化電氣管理系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。相對于6kV及以上中高壓系統(tǒng)的綜合保護(hù)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(yīng)用，作為直接面向終端用戶的開關(guān)設(shè)備，其智能化研究與應(yīng)用起步較晚……

關(guān)鍵詞：智能化配電系統(tǒng)發(fā)展應(yīng)用

1.概述

現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展對配電系統(tǒng)運(yùn)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(yīng)用及計算機(jī)系統(tǒng)可靠性的大幅度提高，使智能化電器元件得到快速發(fā)展，智能化電氣管理系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。相對于6kV及以上中高壓系統(tǒng)的綜合保護(hù)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(yīng)用，作為直接面向終端用戶的開關(guān)設(shè)備，其智能化研究與應(yīng)用起步較晚。現(xiàn)有不少應(yīng)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(jìn)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，美國能源控制公司（AEC）開發(fā)并推出了符合工業(yè)控制要求及具有高可靠性的微機(jī)綜合保護(hù)裝置、智能配電儀表及其管理系統(tǒng)，更方便有效地實現(xiàn)0.4KV及以上電壓等級的配電管理。

智能化配電系統(tǒng)由開關(guān)配以具有通信功能的智能化元件（比如AEC公司的智能配電儀表）經(jīng)數(shù)字通信與計算機(jī)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)變電站開關(guān)設(shè)備運(yùn)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(yuǎn)程操作與程序控制、保護(hù)定值管理、事件記錄與告警、故障分析、各類報表及設(shè)備維護(hù)信息管理等功能。針對電氣系統(tǒng)直接面向控制終端，設(shè)備多、分布廣，而且現(xiàn)場條件復(fù)雜，系統(tǒng)本身及設(shè)備頻繁操作、故障脫扣等產(chǎn)生的強(qiáng)電磁及諧波干擾等特點，智能化監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)能實現(xiàn)面向?qū)ο蟮牟僮髂Ｊ剑哂袕?qiáng)抗干擾能力，主要控制功能由設(shè)備層智能化元件完成，形成網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)，以滿足系統(tǒng)運(yùn)行的實時、快速及可靠性的要求。系統(tǒng)中的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(hù)與控制及電動機(jī)保護(hù)控制等。由于現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用，系統(tǒng)中智能化元件可不依賴計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)而獨(dú)立運(yùn)行，極大地提高系統(tǒng)運(yùn)行的實時性和可靠性，滿足電器設(shè)備運(yùn)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(yīng)用

現(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場、在微處理器測控設(shè)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(luò)。20世紀(jì)80年代中期，隨著微處理器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)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(luò)傳輸方式所取代，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FieldbusControlSystem，F(xiàn)CS)，迅速發(fā)展并在自動化領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

FCS既是一個開放式通信網(wǎng)絡(luò)，又是一種全分布式控制系統(tǒng)。它作為智能設(shè)備的聯(lián)系紐帶，把掛在總線上作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的智能設(shè)備連接為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并進(jìn)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(shè)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(luò)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(yán)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(jī)而獨(dú)立運(yùn)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(jī)故障而陷入癱瘓。

ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化組織在ISOIEC7498標(biāo)準(zhǔn)中的OSI參考模型定義了網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的7層框架，詳細(xì)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(yīng)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(luò)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(jìn)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(yīng)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(yīng)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(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。

圖1OSI與典型現(xiàn)場總線模型

幾種有影響的現(xiàn)場總線技術(shù)包括MODBUS、LonWorks等。它們的通信模型各不相同，其應(yīng)用具有各自的特點，已形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)并在特定的應(yīng)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(shè)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(fù)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(fèi)用?，F(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(shè)備，節(jié)省安裝附件，安裝工作量大大減少，設(shè)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(fèi)用可節(jié)省60%以上。

(3)減少維護(hù)費(fèi)用。由于現(xiàn)場控制設(shè)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(shè)備的運(yùn)行，及時了解維護(hù)信息，以便早期分析與排除故障，縮短維護(hù)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(hù)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(zhǔn)確性和可靠性。由于現(xiàn)場總線設(shè)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(shè)備內(nèi)部功能加強(qiáng)，減少了信號的往返傳輸，設(shè)備可不依賴網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)也是智能化電器的發(fā)展趨向。在電氣設(shè)備中，現(xiàn)場總線技術(shù)已在電動機(jī)控制、綜合測控儀表及開關(guān)保護(hù)等智能化元件上廣泛應(yīng)用，并正在不斷發(fā)展與完善。

3.AEC公司智能配電系統(tǒng)電氣解決方案

智能配電系統(tǒng)是美國能源控制公司（AEC）自動化產(chǎn)品的重要組成部分。根據(jù)電氣成套開關(guān)設(shè)備的特點和要求，AEC公司推出了AECONTROL變電站監(jiān)控系統(tǒng)。AECONTROL則是集成變電站開關(guān)設(shè)備、變壓器及中壓開關(guān)設(shè)備的一體化分布式智能配電管理系統(tǒng)。下面以AECONTROL系統(tǒng)模型(見圖2)簡述AEC智能配電系統(tǒng)的應(yīng)用。

圖2AECONTROL系統(tǒng)模型

AECONTROL系統(tǒng)主機(jī)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(jī)，經(jīng)內(nèi)部以太網(wǎng)與監(jiān)控主機(jī)連接；前端機(jī)往下是設(shè)備層開放的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，連接變電站設(shè)備的智能化裝置。前端機(jī)為工業(yè)PC機(jī)，具有很強(qiáng)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(luò)結(jié)構(gòu)，同時實現(xiàn)底層變電站設(shè)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(yán)格經(jīng)一致性和互操作性測試過的現(xiàn)場總線設(shè)備，協(xié)議不統(tǒng)一，通信兼容性差。而AECONTROL前端機(jī)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(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線產(chǎn)品，也兼容其他智能化裝置，擴(kuò)展靈活，可充分滿足用戶變電站內(nèi)不同設(shè)備系統(tǒng)集成的要求。

美國能源控制公司（AEC）在國內(nèi)可以提供上到6~110KV全系列的微機(jī)綜合保護(hù)單元，下至400V的智能配電儀表和低壓電動機(jī)保護(hù)控制器及變電站自動化后臺監(jiān)控管理系統(tǒng)。連接AECONTROL系統(tǒng)具有代表性的實現(xiàn)上述功能的智能化裝置有：AEC2000系列微機(jī)綜合保護(hù)測控單元、AEC6800/AEC46系列智能配電儀表和AEC4900電動機(jī)保護(hù)控制器等。

AEC2000系列微機(jī)綜合保護(hù)測控單元經(jīng)現(xiàn)場總線與計算機(jī)系統(tǒng)連接實現(xiàn)開關(guān)保護(hù)極其定值設(shè)置、電參量測量與顯示、故障與維護(hù)信息管理等功能；AEC6800/AEC46系列智能配電儀表可實現(xiàn)電能質(zhì)量綜合監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制等“三遙”功能；AEC4900智能化電動機(jī)保護(hù)控制裝置采用現(xiàn)場總線技術(shù)，具有強(qiáng)大的電動機(jī)控制和保護(hù)功能及參數(shù)測量與顯示功能。控制功能包括直接起動、正反轉(zhuǎn)、雙速、星三角等；保護(hù)功能覆蓋了過載保護(hù)、欠壓保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、三相不平衡與斷相保護(hù)、漏電保護(hù)、電動機(jī)熱保護(hù)等；可測量與顯示三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)及報告故障類型、電動機(jī)運(yùn)行維護(hù)信息等。同時AEC4900電動機(jī)保護(hù)控制器提供電動機(jī)自動重起動及故障預(yù)測功能，具有雙冗余通信接口。

特別推薦：AEC6800系列智能配電儀表，它不僅可以遙測三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、有功電度、無功電度，還可以遙信開關(guān)的合分閘狀態(tài)及遙控開關(guān)的合分閘操作。另外具有10余種擴(kuò)展模塊，實現(xiàn)諧波測量、多種通訊協(xié)議選擇等功能。

AEC6800系列智能配電儀表，率先將航天控制設(shè)備上廣泛應(yīng)用的VFD真空熒光顯示技術(shù)應(yīng)用于智能配電產(chǎn)品上，從而使AEC公司的AEC6800系列智能配電儀表的性能在同類產(chǎn)品種脫穎而出，具有高亮度和高對比度特性，更適合于在高溫、低溫、高壓、劇烈震動等惡劣場合使用。

AEC2000系列微機(jī)綜合保護(hù)測控單元集成了保護(hù)、控制、測量與顯示等功能，有效地提高了開關(guān)設(shè)備運(yùn)行的可靠性和準(zhǔn)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(yīng)用將提高智能化電器產(chǎn)品在網(wǎng)絡(luò)上的兼容性和系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，并最終給用戶帶來實惠。