1、1低压配电自动化发展浅谈(转载) 中国工控网 楼主 发帖时间：2002-12-11 23:43:00 博客 播客 收藏 回复 加为好友 发送消息 建议删除该贴! 本文作者张卫东先生，天津电气传动设计研究所副主任、高级工程师。关键词： 现场总线 自动化 低压配电 分布式现场总线引言低压成套开关设备在低压供配电系统中起着电能的控制、保护、测量、转换和分配的作用。低压配电类产品作为电力使用终端的载体，深入到生产、生活的各个方面，随着我国电力事业的不断发展，以及大规模的基础建设、技术改造和新兴产业的发展，我国的低压配电技术与产品同样得到了飞速发展。“九五” 期间，我国电力发展快速，电力供需已达到总量平
2、衡。到去年年底，全国发电装机容量已达到 3.19 亿千瓦，发电量 13685 亿千瓦时，均居世界第二位，成为电力生产和消费大国。几十年来特别是近 10 年来，低压成套开关设备产品的产量和产值也因此提高很快。众所周知，我国电力工业已开始从大电网、大机组、超高压、高自动化阶段，进入了优化资源配置、实施全国联网的新阶段，因此对低压配电的技术发展也提出了新的要求和思路。一 低压电控配电产业现状电力系统的发展对输配电的可靠性提出了更高的要求，如对配电线路的故障进行快速诊断、自动隔离，以减少故障停电范围，提高供电可靠性，由此逐步形成了系统的输配电自动化技术。从初期的柱上开关设备的自动化、远程终端装置(RT
3、U)，到现阶段的计算机配电自动化，将远程控制主机与调度和变电所计算机自动化系统在线连接，实现配电系统以“四遥”为特征的计算机实时监控。电力系统可靠性要求的发展对低压配电可靠性也提出了更高的要求，同时随着工业中生产手段的复杂化和功能要求的不断提高，特别是现场设备控制方式的复杂化和精确度要求的提高，对配电系统的要求也越来越高，除了传统的容量不断提高外，对可靠性、数据传递量、远程控制、故障检测等也提出了要求，这就是我们所说的智能化开关设备或配电自动化技术。配电自动化技术涉及到从低压电器到成套配电系统的各个方面。在低压电器方面，由于电子、计算机、通信技术与传统的低压电器相结合，从而形成了：(1)可通信
4、的低压电器。它是低压电器与现场总线的结合，国外如Siemens、ABB、Moeller 等公司都有该方面的产品。通信数据包括模拟量检测、事故信息、远程控制和参数设定等。国内在这方面也做了许多工作，并且有了较大的进展，采用的总线有 DeviceNet、Profibus-DP、Modbus 等，同时在一些工程中初步得到应用。(2)接触器的智能化技术。如 Moeller 公司的 DIL-M 系列智能控制型接触器，它采用电子线路来控制电磁系统并具有智能化通断功能；其他如日本富士电机公司、美国 Westinghouse 公司的智能化接触器，主要针对电磁系统对通断过程进行改进。国内也对接触器的智能化控制进
5、行了研究，但未有成熟产品问世。低压成套设备的自动化自然离不开低压元器件的发展。从配电系统的角度看，电控配电的2自动化集中体现在以下几个方面：(1) 系统能够实现远程测量，即可在控制终端查看各回路或各控制单元(子站)的电量参数；(2)远程调节，即可对各子站远距离上传、下载各种保护设定值、特性曲线；(3)远程控制，即可对各子站远程储能( 框架断路器)、合闸、分闸、启动、停车(电动机控制回路)等进行操作；(4)还可进行信息查询，即可对系统的各种信息资源进行查询，如故障记录、日记报表，以及电网管理、成本分析、电网质量与负荷分析等。实际上这也可以说是电子、自动化与配电技术相结合的产物，而当今自动化技术已
6、发展成以现场总线为核心的现场总线控制技术，因此说配电自动化技术又都是通过现场总线技术来实现的。目前，我国自行开发的配电设备品种有十几种，如固定面板式、固定分隔式、抽出式、混装式、智能型等。电流等级大多为 3200A，有一些厂家自己开发的品种可达到 5000(6300)A，这从产品的设计讲，已达到了国际上 20 世纪 90 年代中期的水平；但生产工艺、制造总体水平却还比较落后，只有个别厂家具有较先进的生产设备和良好的管理水平。同时由于厂家多，规模不大，技术人员少，竞争比较激烈，价格就大幅度下降，竞争是基于低水平的价格竞争，生产厂家的利润压得很低，很少通过资金和技术来提高产品水平；虽然有一些厂家也
7、进行了产品开发，并将现场总线技术逐步应用到配电系统之中，形成了自己的市场，但总体技术上仍无法与国际主流产品相提并论；甚至有些生产厂和用户对概念和具体办法还比较混乱，没有形成统一的系统和占领较大份额的市场。我国配电产品的品种及性能方面都还不能满足市场的需求，特别是技术要求比较高的场合已被越来越多的进口产品所占领。从目前国际上低压配电的发展来看，各主要公司如 Siemens、Moeller，Schneider 等都已开发或使用了基于各种现场总线技术的配电系统，并已采用技术合作、合资等手段介绍到我国并得到应用。加入 WTO 后，我国面临的配电市场将是十分激烈的，如何发展我国的低压配电技术，促进技术的
8、发展，是我们必须思考的问题。二 现场总线技术的由来根据工厂管理、生产过程及功能要求，CIMS 体系结构可分为 5 层，即工厂级、车间级、单元级、工作站和现场级，一般可简化为 3 层，即工厂级、车间级和现场级，如图 1 所示。传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统(包括基于 PC、PLC、DCS 产品的分布式控制系统)，其主要特点之一是现场层设备与控制器之间的连接是一对一( 一个 I/O 点对设备的一个测控点)的。所谓 I/O 连接方式，是指传递 420mA(模拟量信息)或 24V DC(开关量信息)信号。这些系统的缺点为：(1)信息集成能力不强。控制器获取信息量有限，大量的数据如设备参数
9、、故障诊断及故障记录等很难得到。(2)系统不开放，可集成性差。现场设备均靠标准的 420mA/24V DC 连接，系统的软、硬件通常只能使用某一家产品，不同厂家的产品之间缺乏互操作性、互换性。3(3)可靠性不易保证。对于大范围的分布式系统，大量的 I/O 电缆敷设施工，不仅增加成本，也增加了系统的不可靠性。(4)可维护性不高。由于现场设备信息不全，在线故障诊断、报警、记录功能不强；另一方面也很难完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化功能，影响了系统的可维护性。由于微电子技术和计算机技术、大规模集成电路的发展，许多传感器、执行机构、传动装置等现场设备均可实现智能化，即内置 CPU 控制器，对于
10、这些智能现场设备增加一个串行数据接口(如 RS-232/485)是非常方便的。有了这样的接口，控制器就可以按其规定的协议，通过串行通信方式(而不是 I/O 点) 来完成对现场设备的监控，如果设想全部或大部分现场设备都具有串行通信接口和统一的通信协议，只需一根通信电缆就可将分散的现场设备连接起来，实施监控，这就是现场总线技术的初始想法。现场总线是安装在制造或生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/ 系统之间的一种串行通信的数据总线，是实现现场级设备数字化通信的一种工业现场层网络通信技术。现场总线位于生产控制和网络结构的底层，与工厂现场设备直接连接，一方面将现场测量控制设备互连为通信
11、网络，实现不同网段、不同现场通信设备之间的信息共享；另一方面又将现场运行的各种信息传到远离现场的控制室，以进一步与上层管理控制网络连接和信息共享。它既可将一个现场设备的运行参数、状态以及故障信息等送往控制室，又可将各种控制、维护、组态命令甚至现场设备的工作电源等送往相关的现场设备，从而沟通了生产过程现场级控制设备之间及其与控制管理层之间的联系。现场总线是工业自动化技术的革命，采用现场总线技术可以迅速、简单、低成本地实现自动化。现场总线技术的发展十分迅速，传统的模拟、数字分散型的 DCS 已被更可靠、更方便的 FCS 所代替，并已广泛用于制造业、流程工业、冶金、电力、交通、楼宇等自动化领域。三
12、国际上几种主要的现场总线由于现场总线是目前自动化技术的一个热点，各种现场总线、设备总线与传感器总线风起云涌，在各种特定场合都得到一定的应用，同时也在广泛宣传推广，努力使自己的总线成为国际标准。但由于各种因素，特别是市场的原因，使得现场总线国际标准难以统一。1. 现场总线目前国际上有数十种现场总线，它们各具特色，应用的范围、场合也不尽相同。融多种总线于一体的 IEC 61158 的国际标准，由 IEC/TC65 技术委员会中的 SC65C 分技术委员会制定。IEC 61158 规定了以下 8 种类型的总线。(1)TYPE 1 IEC61158 技术规范该现场总线协议是按照 ISO/OSI 参考模
13、型建立的，它由物理层、数据链路层、应用层以及用户层组成，分为 H1 低速总线和 H2 高速总线。H1 主要用于现场，其速率为431.25kb/s，负责两线制向现场仪表供电。H2 总线主要面向过程控制级、远程 I/O 和高速工厂自动化的应用。(2)TYPE 2 ControlNet由 Allen-Bralley 公司于 1997 年推向市场，主要应用包括汽车、化工、发电等领域，同时也建立了会员组织 CI (ControlNet International)，由 CI 提供技术支持。该现场总线系统将从工厂到设备的 5 层结构简化为信息层(Ethernet)、控制层(ControlNet)和现场层(
14、DeviceNet) 3 层结构。(3)TYPE 3 Profibus Profibus 是由 Siemens 等 13 家科研开发商联合起来于 1989 年开发出的现场总线通信规范，其中 Profibus-FMS (现场总线信息规范)是针对车间级管理任务的通用解决方案，Profibus-DP 主要用于工业自动化系统的高速数据传送，Profibus-PA 用于过程自动化。它在 1996 年 3 月 15 日被批准为欧洲标准 EN 50170V2。1985 年组建了 Profibus 国际支持中心(Profibus International)，1989 年 12 月建立了Profibus 用户
15、组织(PNO)，1997 年在中国也成立了 Profibus 用户组织(CPO)。它的应用领域为制造业自动化、过程控制自动化、电力(发电、输配电) 、楼宇、铁路交通等。(4)TYPE 4 P-Net由丹麦 Process-Data Sikeborg Aps 从 1983 年开始开发，主要用于啤酒、食品、农业和饲养业，现已成为 EN 50170V1。其通信采用虚拟令牌传递方式，物理层基于 RS-485 标准，使用屏蔽双绞线电缆，传递距离为 1.2km。(5)TYPE 5 FF HSE由 FF(Fieldbus Foundation)负责组织开发，并于 1998 年决定全面采用已应用于 IT 产业
16、的高速以太网(High Speed Ethernet, HSE)作为 H2，它完全支持 Type 1 现场总线的各项功能。(6)TYPE 6 SwiftNet由美国 Ship Star 协会制定，得到 Boeing 公司的支持，主要用于航空和航天等领域。该总线是一种结构简单、实时性高的总线，协议仅包括物理层和数据层。(7)TYPE 7 WorldFIP成立于 1987 年的 WorldFIP 协会制定并大力推广该总线。1996 年成为欧洲标准 EN 50170V3，不同的应用领域采用不同的总线速率，物理层采用 IEC 61158.2 标准。World 5FIP 广泛应用于发电与输配电、加工、过
17、程自动化、运输等领域。(8)TYPE 8 Interbus由 Phoenix Contact 公司开发，广泛应用于汽车、烟草、造纸、包装与食品工业等。由Interbus Club 提供技术支持。 1996 年成为欧洲标准 EN 50254。2. 低压开关设备和控制设备控制器设备接口(CDI)IEC 62026 标准由 IEC 第十七技术委员会“开关设备和控制设备 ”的 17B 分委员会“低压开关设备和控制设备”制定，总标题为 “低压开关设备和控制设备 控制器电器设备接口(CDI)”，该标准共分为 6 个部分。(1)第一部分：总则主要规定了 CDI 的定义、术语以及要求等。(2)第二部分：执行器
18、传感器接口 (Actuator Sensor interface, AS-i)AS-i 于 1993 年推向欧洲市场，1996 年进入美国。作为最底层的现场总线，AS-i 将两值传感器、执行器经总线与主要控制层如 PLC、PC 连接，新型的简单连接技术，带电源、数据的无屏蔽两线电缆是 AS-i 总线的特点。(3)第三部分：设备网络(DeviceNet)DeviceNet 是由 Rockwell 公司在 CAN 基础上推出的一种低成本的通信总线，是一种低端网络系统，它可将一些基本的工业设备如限位开关、光电传感器、阀、电动机、起动器、显示器、操作员接口等连接到网络，从而避免了昂贵和繁琐的硬接线。其
19、主要特点是：每个 DeviceNet 网络最多可连接 64 个节点；数据传输波特率为125kb/s、250kb/s、500kb/s；点对点、多主或主/ 从通信方式；采用 CAN 的物理和数据链路层规约；在应用层即第七层为 DeviceNet 协议。DeviceNet 总线技术具有网络化、系统化、开放式的特点，由 ODVA(Open DeviceNet Vender Association)管理技术规范，促进 DeviceNet 在全球的推广与应用。(4)第四部分：正在编制(5)第五部分：智能配电系统 (Smart Distributed Syetem, SDS)SDS 是由 Honeywell
20、 在 1994 年推出的，是以 CAN 为基础的设备级网络。为了提高速度和可靠性，应用层协议提供了针对设备级控制的网络，它支持传感器、执行器、I/O、 PC、PLC 和 DCS 等，最大网络节点为 64 个。(6)第六部分：正在编制6四 我国低压配电自动化发展对策当今经济的发展已进入了技术经济的时代，信息技术(IT)的不断发展已深入到生产、生活的许多方面。随着网络技术的发展，在工业领域，高速 Ethernet 也逐步得到开发应用，这样信息技术也越来越多地融合了工业自动化领域的信息。过程控制及自动化系统作为 IT 的一个构成方面，其应用可以提高生产率、降低成本、缩短交货期、控制质量、掌握生产进程
21、。现场总线技术使现场级设备的信息作为整个企业信息网的基础，使企业信息的采集控制直接延伸到生产现场。Siemens、Schneider 公司都开发出了以 Industrial Ethernet 为基础的控制系统，可以像使用电子邮件、浏览器一样方便地获得现场信息或控制现场设备，如图 2 所示。从国际配电行业的发展来看，由于对配电系统提出了更高的要求，如智能化(遥控、遥测、遥调、遥信)、可靠性、更多的参数、故障检测、运行报表等，这方面的技术和应用由于现场总线技术的发展而在 20 世纪 90 年代末同样得到了很快的发展，一些主要输配电领域的公司都有了自己的相应产品并在国内直接销售，或合作生产及开发市场
22、。国内的低压配电市场也提出了这样的要求。这是因为过程控制、生产自动化及智能化楼宇等领域都已使用现场总线技术，对中低压配电产品提出了可通信的要求，国内低压电器元件也已开发出智能化的产品，但这些智能化电器在传统的配电控制系统中是很难发挥优越性的，只有采用现场总线后，将分散的智能元器件构成系统并结合配电系统的特点才能充分发挥智能电器的功能；另一方面，提高配电的技术含量，增强产品的市场竞争能力，也是我国低压配电行业主导企业摆脱目前低水平重复、价格竞争造成的困境的有效途径之一。那么面对众多的现场总线，我国低压配电产品或系统该采用哪种总线呢？可从以下几方面分析。(1)标准：目前国际上已经有了一个多种总线兼
23、容的标准，我们应当依靠国际标准。根据我国的实际情况，若单独制订一套自己的标准，开发自己的总线技术，局限于自己的市场是不可行的。因为，一方面资金技术投入较大，这在现在的市场形势下是比较困难的；另一方面，没有足够的市场份额的支持，难于参与市场的竞争。(2)总线：从实际出发进行选择。目前没有一种适合所有应用领域的现场总线技术，因为制造自动化、电力自动化及过程控制自动化对数据实时响应的要求各不相同。我们应从电控配电产品及应用的特点和范围出发，选择合适的总线来满足本行业的要求。低压配电柜或系统都是直接连接的现场设备，直接对现场设备供电或进行控制，对实时性有一定要求。配电柜的发展已不仅局限于供电，而且已逐
24、步地将控制器等产品纳入进来，如软起动器、变频器等，同时，一些其他现场设备的简单控制也希望由配电系统来完成。从目前国内市场来看，要完全用一种统一的总线技术来实现配电系统的自动化有一定的困难。现在已经开发并形成一定产品的有采用 Profibus-DP 协议的总线，它可以满足以上提出的多样性的要求，而且在传动领域已经得到广泛的应用，事实证明这一总线技术可靠，应用方便。其他还有正在开发的基于低压电器的 DeviceNet，它在现场层的自动化方面也有较好的应用。7(3)产品：依靠国际知名度大、用户多、产品应用好的公司，这些公司的总线技术已被国际标准所采纳；同时由其开发的相关产品也可与国际市场接轨，更有利于实际中的运用。总之，现场总线技术在配电自动化领域的应用是一个综合性的工程，从元器件到系统，从低压配电自动化到配网自动化，涉及多方面的专业领域，要在短期内全面完成低压配电自动化系统的工作，必须借助科研院所并与生产企业联合，走产、学、研、用相结合的道路，集中综合力量共同攻关，才能达到预期的目标。相信，智能化产品和现场总线化技术的应用，必将给我国低压配电行业带来新的发展、新的飞跃。
