基于現(xiàn)場總線技術(shù)的箱式變電站智能配電系統(tǒng)建設(shè)Yong HU1, a, Qing-kuan MENG2, b, Yin-long ZHANG1, c, Jing-an SONG1, d1College of Mechanical Science and Engineering, Jilin University, Changchun, China2Changchun Power Generation Equipment Plant, Changchun, China摘要：基于現(xiàn)場總線技術(shù)并結(jié)合工業(yè)控制產(chǎn)品對箱式變電站智能配電系統(tǒng)進(jìn)行研究。該計劃關(guān)于智能模式配電系統(tǒng)的構(gòu)建采用的是現(xiàn)場總線技術(shù)。智能功率配電系統(tǒng)提出了改進(jìn)在箱式變電站的設(shè)備技術(shù)。該箱式變電站產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性顯著增強(qiáng)，滿足用戶要求。關(guān)鍵詞：箱式變電站，智能電力配送，現(xiàn)場總線，硬件結(jié)構(gòu)1 引言箱式變電站終端產(chǎn)品電源分布是在 20 世紀(jì) 70 年代開發(fā)的。與科技的發(fā)展，配電系統(tǒng)產(chǎn)品得到改善。然而，電源的自動化分配系統(tǒng)并沒有顯著進(jìn)展，所以箱式變電站的配電系統(tǒng)應(yīng)改革 [1,2]。在 20 世紀(jì) 90 年代隨著微電子技術(shù)和無線通信技術(shù)的發(fā)展，國外的智能箱式變電站的配電系統(tǒng)迅速發(fā)展，實現(xiàn)鍵盤操作背景監(jiān)督系統(tǒng)或調(diào)度遠(yuǎn)程終端 [3]。在 21 世紀(jì)，我們的國家投資配電產(chǎn)品很多，技術(shù)也有很大提高 [4]。結(jié)合長春高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)的項目，并根據(jù)現(xiàn)場總線技術(shù)，對智能化箱式變電站進(jìn)行研究，對智能功率分布系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計與開發(fā)2 智能功率分布箱式變電站在箱型智能配電變電站采用現(xiàn)場總線技術(shù)的智能綜合保護(hù)裝置，數(shù)字化開關(guān)與模擬信號，分析數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)模型，并將保護(hù)數(shù)據(jù)連接到執(zhí)行保護(hù)的箱式變電站的機(jī)構(gòu)，確保箱式變電站安全穩(wěn)定運行。2.1 建立配電計劃模型箱式變電站系統(tǒng)根據(jù)用戶要求，該計劃采用兩套高壓配電系統(tǒng)變壓器系統(tǒng)進(jìn)入線兩套，變壓器系統(tǒng)的兩套需要低壓配電系統(tǒng)和無功功補償系統(tǒng)。這樣的計劃模式如圖 1中所示。當(dāng)變壓器的兩組系統(tǒng)單獨運行，主電路斷路器兩套低壓系統(tǒng)（-1DL，2DL）的運行獨立地與他們的低電壓系統(tǒng);套低電壓系統(tǒng)的方式互相聯(lián)系接觸主斷路器 3DL。當(dāng)兩套變壓器系統(tǒng)獨立運行，接觸斷路器 3DL 保持?jǐn)嚅_，而且不會參與低電壓系統(tǒng)的兩套操作;當(dāng)任何一組變壓器系統(tǒng)故障或維修，接觸斷路器 3DL 可以充當(dāng)自動或手動方式，確保低電壓故障系統(tǒng)運行安全，穩(wěn)定。圖 1 箱式變電站配電系統(tǒng)的主要模型2.2 高低壓配電系統(tǒng)設(shè)計箱式變電站型號根據(jù)該計劃模型，高電壓的配電系統(tǒng)在的高電壓室，采用雙電源供電。根據(jù)用戶的整體需求經(jīng)濟(jì)分配系統(tǒng)的設(shè)計，高壓配電系統(tǒng)采用進(jìn)線保護(hù)模式通常在家中使用；采用負(fù)荷開關(guān),熔斷器和避雷器組合保護(hù)方案，并加強(qiáng)和擴(kuò)大的部分基本功能。高電壓的配電系統(tǒng)的進(jìn)線 “負(fù)荷開關(guān)選擇國產(chǎn)負(fù)荷開關(guān)熔斷器組合電器設(shè)備，其中有高品質(zhì)和緊湊的安裝。近年來，添加了互鎖電動操作功能,保險絲過載和短路保護(hù)功能，并可以完全實現(xiàn)無人值守箱式變電站。在高電壓保護(hù)數(shù)據(jù)收購配電系統(tǒng)是通過高壓電流變壓器和高壓變壓器，這在高電壓配電系統(tǒng)中是必不可少的電氣元件。對于高電壓電源的電壓保護(hù),配電系統(tǒng)采用避雷器 10kV 的閥型氧化鋅避雷器保護(hù)同時對變壓器系統(tǒng)進(jìn)行有效地保護(hù)。2.3 設(shè)計箱式變電站的變壓器系統(tǒng)模型根據(jù)方案模型，變壓器在箱式變電站系統(tǒng)是一個降壓變壓器將 10kV 電壓下降到380V/220V，實現(xiàn)配電電壓的轉(zhuǎn)換。在模型中，每一組變壓器容量為 800KVA，所以S11 系列配電變壓器是最佳選擇。變壓器選擇干式變壓器。其優(yōu)點是體積小，空載損耗小，并通過最新的技術(shù)，變壓器制造商提供保護(hù)的傳感器，例如溫度。由數(shù)據(jù)采集傳感器收集的數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)從模擬到數(shù)字的 A / D 轉(zhuǎn)換，雖然成本增加，但變壓器系統(tǒng)可以通過現(xiàn)場總線實現(xiàn)整個變壓器的溫度控制保護(hù)，并有效地保護(hù)變壓器系統(tǒng)的安全工作。2.4 箱式變電站中低壓配電系統(tǒng)設(shè)計低壓配電系統(tǒng)在箱式變電站低壓室，方案采用兩套變壓器進(jìn)線的兩套高壓配電系統(tǒng)，并且變壓器的兩套系統(tǒng)采用低電壓配電系統(tǒng)和無功功率補償系統(tǒng)。當(dāng)他們單獨運行時，兩臺低壓變壓器組它們各自的運行負(fù)載，通過接觸斷路器觸點，通常斷開，而不參與低壓的兩套操作；當(dāng)任何一套變壓器系統(tǒng)有故障或維修，接觸斷路器自動或手動動作，這就保證了低電壓系統(tǒng)運行安全，穩(wěn)定，所以這種低電壓配電系統(tǒng)相對復(fù)雜，但能實現(xiàn)更多的功能。箱式變電站的模型方案采用雙高壓電源輸入線，低電壓系統(tǒng)中也采用了雙系統(tǒng)的設(shè)計。每個低壓接觸斷路器的低電壓系統(tǒng)不僅可以單獨運行，但也接觸，通過在低電壓系統(tǒng)中相互接觸的電路運行斷路器，保證了系統(tǒng)的安全。2.5箱式變電站中無功補償系統(tǒng)設(shè)計在計劃模式，無功功率補償系統(tǒng)采用低壓無功補償?shù)挠媱?。因為有大量的感性加載上的低電壓側(cè)的配電系統(tǒng)，負(fù)載將消耗大量的無功功率，大大降低了系統(tǒng)的功率因數(shù)，從而導(dǎo)致的線電壓和電能的損失增加 [5]。因此，在配電系統(tǒng)需要使用無功補償系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)。在模型中，無功補償系統(tǒng)選擇可控硅無觸點控制和并聯(lián)電容裝置，補償點最多補償無功功率，改進(jìn)的低電壓電源的功率因數(shù)配電系統(tǒng)。并聯(lián)電容器運行提高功率因數(shù)，無功功率降低，使得系統(tǒng)的總功率因數(shù)改善和提高。3 現(xiàn)場總線技術(shù)在智能配電系統(tǒng)箱式變電站中的應(yīng)用3.1 現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線是數(shù)字化，雙向，多站通信系統(tǒng)之間的輸入和現(xiàn)場儀表和數(shù)字控制系統(tǒng)的輸出。它具有數(shù)字通信，開放溝通，分散性和互操作性 [6,8]。由于采用現(xiàn)場總線技術(shù)，智能電源配電系統(tǒng)，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程遙測，遙感，遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程監(jiān)管，并可以完成統(tǒng)計和分析，情報經(jīng)營和保護(hù)，緊急和擴(kuò)大該行報警。它可以實現(xiàn)測量，控制，顯示和保護(hù)配電系統(tǒng)。3.2 基于技術(shù)的智能配電系統(tǒng)現(xiàn)場總線的總體方案設(shè)計根據(jù)該計劃的智能模型箱式變電站配電系統(tǒng)在圖 1 中，和智能配電系統(tǒng)的功能要求，提出了現(xiàn)場總線配電系統(tǒng)實施方案，如圖 2 所示。配電子系統(tǒng)，，如，低電壓數(shù)據(jù)顯示，智能低電壓邏輯控制，智能無功補償控制，饋線故障反饋和變壓器溫度控制數(shù)據(jù)采集在箱式變電站分析通過這些子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)和過程數(shù)據(jù)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。同時，箱式變電站的局部控制中心站和遠(yuǎn)程后臺計算機(jī)之間的現(xiàn)場總線通道被保留。圖 2 箱式變電站配電系統(tǒng)方案基于現(xiàn)場總線技術(shù)該通道可通過光纖和無線網(wǎng)絡(luò)訪問電源箱式變電站配電系統(tǒng)。提高功率分布的安全性和可靠性，管理熟練程度提高，維護(hù)工作量減少，并且實現(xiàn)遙測，遠(yuǎn)程信號，遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程監(jiān)管等功能。根據(jù)該計劃設(shè)計的電源配電系統(tǒng)，采用西門子 PROFIBUS 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。高電壓，低電壓，變壓器和無功功率補償?shù)臄?shù)據(jù)采集是通過現(xiàn)場總線實現(xiàn)的。該智能箱式變電站配電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析和處理通過支持現(xiàn)場總線的 PLC。4 基于現(xiàn)場總線技術(shù)的硬件結(jié)構(gòu)智能配電系統(tǒng)4.1 可編程邏輯控制器（PLC）根據(jù)設(shè)計系統(tǒng)的藍(lán)圖，SIEMENS S7-300 系列 PLC 的工業(yè)產(chǎn)品采用 PLC 控制器的智能中心箱式變電站的配電系統(tǒng)。該配置是：兩個數(shù)字輸入模塊 SM321，32 通道，24V;一個數(shù)字輸出模塊 SM322，16 通道，24V，兩路模擬量輸入模塊 SM331，8 頻道。作為控制器的中心，PLC 實現(xiàn)的功能是遙測，遠(yuǎn)程信號，遠(yuǎn)程控制和遙控調(diào)節(jié)信號采集，通過 PROFIBUS 現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)處理和分析。西門子 SENTRON PAC3200 智能的電力監(jiān)控設(shè)備采用數(shù)字總線電力參數(shù)監(jiān)測裝置的智能箱式變電站的配電系統(tǒng)。它可以檢測高電壓系統(tǒng)的信道 I 和 II 通道，變壓器低壓側(cè)系統(tǒng)的信道 I 和第二通道，約數(shù)百個數(shù)據(jù)。這智能監(jiān)控設(shè)備具有標(biāo)準(zhǔn)的多功能數(shù)字輸入和輸出，輸入可用于脈沖計數(shù)，或在高和低之間轉(zhuǎn)移可用于電價，輸出脈沖，報警切換控制。這種智能監(jiān)控設(shè)備可以檢測到 6 個測量的上限和下限，涉及六個測量通過集成的邏輯功能，和輸出的操作信號或數(shù)字信息，通過數(shù)量。這個智能電力監(jiān)測設(shè)備可以集成到 PROFIBUS 現(xiàn)場總線 SENTRON PACPROFIBUS 模塊。它有一個 12Mbit / s 的傳輸速率為確保該系統(tǒng)符合要求的監(jiān)測和控制數(shù)字量。全圖形顯示可以顯示該系統(tǒng)的電氣參數(shù)，并用中文顯示菜單，所以它有一個良好的互動性能。4.2 總線型低壓主斷路器西門子的框架式斷路器和塑殼斷路器用于保護(hù)智能低壓配電系統(tǒng)，因為其良好的性能。隨著國內(nèi)斷路器的發(fā)展，斷路器將進(jìn)口國內(nèi)的產(chǎn)品取代，從而降低了箱式變電站智能配電系統(tǒng)的成本。4.3 人機(jī)界面（HMI）西門子 TP177A 系列觸摸式液晶顯示器模塊采用為人機(jī)界面（HMI）智能箱式配電系統(tǒng)變電站。它有藍(lán)色 STN，CCFL 背光，人機(jī)界面和觸摸屏 [9]。 。該人機(jī)接口主要具有主回路配線網(wǎng)和運行狀態(tài)顯示，系統(tǒng)控制，系統(tǒng)報警，報警記錄，報警查詢，在線幫助和密碼管理。4.5 現(xiàn)場總線的通信介質(zhì)西門子現(xiàn)場總線通信電纜采用現(xiàn)場總線的通信介質(zhì)的智能箱式配電系統(tǒng)變電站。它是一個屏蔽的雙絞線電纜，由特殊的工藝，它能夠滿足要求高品質(zhì)的通信，確保該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)運行穩(wěn)定。4.6 保留現(xiàn)場總線接口預(yù)留接口，現(xiàn)場總線通過光學(xué)纖維在遠(yuǎn)程管理計算機(jī)系統(tǒng) [10]，它也可以訪問到遠(yuǎn)程管理計算機(jī)系統(tǒng)，通過無線網(wǎng)絡(luò)，使用西門子無線調(diào)制解調(diào)器或無線網(wǎng)絡(luò)智能型電源模塊，并且它是一種箱式變電站配電系統(tǒng)，以進(jìn)一步改善。5 結(jié)論根據(jù)項目的要求長春高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)，在目前工業(yè)自動化領(lǐng)域成熟的現(xiàn)場總線技術(shù)的研究的基礎(chǔ)上，利用工業(yè)現(xiàn)場總線 PROFIBUS 的優(yōu)點，并結(jié)合西門子 PLC 工業(yè)控制產(chǎn)品，智能配電產(chǎn)品和總線型智能配電監(jiān)控設(shè)備，進(jìn)行智能配電在箱式變電站系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)。在本配電系統(tǒng)中，應(yīng)用了兩個進(jìn)線形式雙變壓器。每個變壓器具有低電壓分配和功補償系統(tǒng)。在低電壓側(cè)，設(shè)置好了低電壓接觸斷路器。當(dāng)兩個變壓器單獨運行時，兩個低電壓系統(tǒng)獨立操作并接觸斷路器斷開。當(dāng)任何變壓器故障或維修時，接觸斷路器可以運行自動。智能配電系統(tǒng)可以自動或手動，穩(wěn)定性和可靠性提高。該項目的技術(shù)要求也是完全滿足用戶要求的。參考文獻(xiàn)[1] H. A. Xie, “Function configuration of substation integrated automation”(In Chinese), Automation of Electric Power systems, vol. 5, 1998.[2] G. W. Denardin, R. P. Silveira, R. N. do Prado.“Specifications for a Power Management Fieldbus,” IEEE Communications Magazine, pp. 1272-1277, 2003.[3] Y. X. Li, J. Z. Xu, A. B. Liu, “Application of GPRS technology in automatic meter reading system”(In Chinese), Electric Power Automation Equipment, vol. 12, pp. 52-54, 2003.[4] L. Zhang, “Intelligence distribution system”(In Chinese), Guangxi Journal of light industry, vol. 5, pp. 48-49, 2010.[5] H. B. Zhuang, “Low-voltage Reactive Compensation Technology”(In Chinese), Fujian rchitecture& Construction,vol. 8, pp. 135-137, 2009.[6] X. Zhang, Z. Y. Deng, “The characteristics and development direction of field-bus technique”(In Chinese),Journal of Guangxi University, vol. 3, pp. 229-232, 2001.[7] Y. F. Wei, R. Zeng, “Fieldbus Technology and Its Application”(In Chinese), Auto-Control, vol. 4, pp. 13-17, 2002.[8] B. Scholz, M. Wollschlaeger, “Configuration, implementation and management of heterogeneous industrial communication networks using fieldbus technology,” Electrical Engineering, vol. 81, pp. 253-261, 1998.[9] L. Zhang, “Controllable Soft Start System of Liquid Rheostat Speed Regulation Based on PLC”(In Chinese),Journal of Xiangfan University, vol. 5, pp. 22-26, 2009.[10] H. M. Tang, J. Zhang, “Design of video surveillance system for substation”(In Chinese), Automation of Electric Power systems. Vol. 25, no. 7, 2001. [1] H. A. Xie, “Function configuration of substation integrated automation”(In Chinese), Automation of Electric Power systems,vol. 5, 1998.