选煤厂低压配电管理系统的设计与实现
选煤厂低压配电管理系统的设计与实现
在智慧选煤厂建设加速推进的背景下，建设基于工业以太网的数字化配电管理系统势在必行。国电建投内蒙古能源有限公司、鄂尔多斯应用技术学院的研究人员刘建、白雪梅、于大伟，在2021年第12期《电气技术》上撰文，选用支持Modbus/TCP协议的智能电气设备，搭建从智能电气设备到配电管理系统的一体化工业以太网平台，实现数据高速传输。低压配电管理系统不仅具有“遥测、遥控、遥信、遥调”功能，还具有停送电审批、能耗统计、设备维护、报警与事件、操作记录等管理功能。
选煤厂生产设备以皮带机、刮板机、破碎机、泵类等重负荷设备为主，设备需频繁带载起停；生产与输送环节较多，各低压配电系统随车间分散布置；加工与运送高硬度物料，大量设备因磨损须每日停电检修。
配电系统中断路器、接触器、电动机综合保护器等通过硬接线与可编程控制器（programmable logic controller, PLC）模块连接，仅将电动机起停、故障、运行及电源通断信号采集至PLC系统中。
原有低压配电系统存在的问题主要有：①大量电气参数未采集至上位机系统，无法集中监测各配电系统运行状况，主要依靠人员定期巡检，无法及时发现并消除隐患；②日常停送电需要电工去往各个配电室就地手动操作完成，时间成本高，工作效率极低，且存在人工误操作风险；③塑壳断路器保护功能配置不丰富，无法灵活调整定值，设备重载起车或严重卡堵时易发生误动作、越级跳闸等故障；④PLC模块和配电柜之间通过控制电缆连接，二次接线繁杂，故障率较高。
本文以选煤厂末煤低压配电系统改造项目为背景，论述采用智能电气设备和工业以太网搭建数字化低压配电管理系统的实现方法，数字化低压配电管理系统可以有效解决原有系统存在的问题，并为实现与智慧工厂管理平台的无缝集成奠定基础。
1 项目背景
末煤低压配电系统由一台10kV/0.69kV干式变压器负责供电，变压器容量800kV•A，采用IT供电方式，中性点经高电阻接地。系统母线电压为690V，单母线段独立运行，由一面进线柜、一面电容补偿柜和三面馈线柜组成，主要负荷有4台皮带机和2台刮板机，单台设备最大功率不超过132kW，采用直接起动方式。配电柜采用MNS2.0柜型，进线柜安装CW1框架断路器，馈线抽屉内安装CM1塑壳断路器、电动机综合保护器、接触器等电气设备，低压配电系统与工艺控制共用一套PLC和上位机监控系统。
2 低压配电系统架构设计
为兼顾原有低压配电系统和生产集控系统，在此次系统改造升级中，继续沿用原有上位机监控系统，并在此基础上开发数字化配电管理系统；PLC控制系统由西门子S7—300升级至S7—1500，馈线柜全部更换为支持工业以太网的MNS3.0数字开关柜，进线柜、补偿柜、变压器继续保留，柜内电气设备全部更换为智能设备。
智能电气设备选择采用微处理器技术开发的具有标准工业以太网接口的设备，以断路器、电动机综合保护器等智能设备为通信节点构建工业以太环网。通过以太网把现场电气设备采集的大量数据实时传送至PLC控制系统和配电管理系统中，搭建“智能电气设备-数字开关柜-配电管理系统”从下至上的三位一体工业以太网结构。
工业以太网是以太网技术和通用工业协议的结合，为满足高实时性的工业应用需求，著名自动化公司和标准化组织纷纷提出了各种工业以太网技术标准，受到广泛支持的有Modbus/TCP、ProfiNet、Ethernet/IP等。该项目选用支持Modbus/TCP协议的智能电气设备，对于支持Modbus/RTU协议的设备，可经过通信模块转换为Modbus/TCP协议后接入工业以太网中。
数字开关柜选用集成以太网口的柜型，柜内电气设备通过柜体与柜外交换机实现以太网直连，PLC与配电管理系统之间采用原有以太网通信，各节点交换机和智能电气设备均选用具有以太网冗余功能的设备，基于工业以太网搭建的低压配电系统结构示意图如图1所示。
图1 低压配电系统结构示意图
3 系统主要设备选型及其功能配置
3.1 配电柜
配电柜选用ABB公司MNS3.0数字开关柜，与原有配电柜相比，柜体最显著的特点是每个馈线抽屉集成了以太网接口，具有强大的以太网通信功能。接口由插头和插座两部分组成，其中插头安装在抽屉内右侧板上，负责与抽屉内电气设备连接，插座安装在电缆室，负责与外部交换机连接。当插头与插座接通后，配电柜内部和外部设备直接实现以太网连接，当抽屉需要拉出时，断开插头与插座的连接即可。
抽屉抽出时，网口接插件分开，此时为了防止抽屉抽出后导致整个系统以太网通信中断，在抽屉外部电缆室内安装ABB公司MS571以太网环路开关，通过该环路开关把柜内各抽屉组成冗余环形拓扑结构。MS571环路开关有四个以太网口，标有MCU的两个接口用于连接抽屉，标有BUS的两个接口用于组网。
正常情况下，抽屉内电气设备通过BUS接口同其他设备通信；当抽屉拉出后，原有环网通信被中断，MS571自动旁路该抽屉，直接经过两个BUS接口组成新的环网继续维持通信。MS571的电源由其BUS接口提供，首尾两台MS571必须通过配件TA60与外部设备连接。馈线抽屉间环网结构如图2所示。
图2 馈线抽屉间环网结构
3.2 配电柜与变压器测温
配电柜内母排搭接处、抽屉一次插头处、接触器触头等部位易产生高温，对系统安全运行极为不利，所以要选择合适的测温方式实现温度在线监测。
以非接触方式在抽屉内一次插头和接触器触头上方安装IR51红外测温传感器，通过检测测点发射出的红外能量实现安全可靠测温，IR51通过专用电缆直接接入MT561热点监控模块。
在配电柜母排搭接处、干式变压器高压电缆连接处与低压母排连接处安装WT01无线测温传感器，用不锈钢卡簧将WT01安装在母排搭接处，采用电磁感应自供电方式，采集温度通过ZigBee无线连接方式传送至MT564无线测温模块。ZigBee是一种近距离、低功耗、短时延、双向无线通信技术，传输速率最高可达250kbit/s。
MT561模块和MT564模块均安装在馈线抽屉内部，可以通过串行通信接口IO-BUS与电动机综合保护器MC510进行通信，由MC510负责供电，测温传感器采集的数据通过MC510实时传送至配电管理系统中。
对原有干式变压器温控器进行更换，实现对变压器配置的6台散热风机进行单独状态监测与控制，对变压器绕组温度和铁心温度进行实时在线监测，可以灵活设定变压器温度控制策略。
升级后的温控器配置了RS 485通信接口，支持Modbus-RTU协议，通过以太网通信模块MS572接入工业以太网中，实现与配电管理系统之间的通信。MS572包含一个嵌入式二端口以太网交换机，可以实现从基于RS485接口的Modbus-RTU协议到基于RJ45接口的Modbus/TCP协议的转换，MS572是Modbus-RTU主站，温控器作为总线结构的从设备与主站连接。
当配电柜和变压器的测点处温度值和温升速率超过设定值时，系统可以进行报警或自动断开相应电源，以保障系统安全运行。
3.3 塑壳断路器
塑壳断路器选用常熟开关厂CM5Z型产品，配置iPN26T智能型脱扣器。断路器集成RS 485通信接口，采用Modbus-RTU协议，通过以太网模块MS572接入工业以太网中。
塑壳断路器安装配套FDC1电动操作机构，可以实现在配电管理系统中进行远程分合闸操作。塑壳断路器远程分合闸示意图如图3所示。
图3 塑壳断路器远程分合闸示意图
3.4 框架断路器
框架断路器选用常熟开关厂CW6型产品，配置TY66型智能控制器，控制器通过加装附件模块可以进行功能扩展，在断路器本体顶部快装盒内安装FBT/W6—T以太网通信模块，可以实现框架断路器对Modbus/TCP协议的支持。
接触器选用常熟开关厂CK3系列产品，配套电动机综合保护器选用ABB公司MC510型产品，该保护器提供两个互为冗余的以太网接口，支持Modbus/ TCP协议。
3.6 主要电气设备功能配置
配电回路中框架断路器、塑壳断路器、电动机综合保护器的功能配置见表1。
表1 配电回路中主要设备功能配置
上述功能配置有效解决了原系统中存在的几个突出问题。
在系统维护方面，智能电气设备与PLC之间直接采用工业以太网连接，代替了原系统所有控制电缆，解决了因电缆二次接线繁杂导致故障率较高的问题。
在上下级开关保护匹配方面，由于智能塑壳断路器保护定值可以灵活设定，与上级框架断路器保护定值合理匹配后，可以实现上下级开关之间良好的选择性极差保护。
在原系统中，当刮板机发生卡堵或重载起车时，设备短时电流通常可达5～6倍额定电流并持续15s以上，有时会达到触发进线框架断路器短延时保护动作条件，而原系统所用CM1塑壳断路器过载保护按照额定电流固定反时限特性整定，在上述情况下会存在一定触发滞后现象，从而导致越级跳闸现象发生；选用CM5Z智能断路器后，由于可以采用定时限方式对定值进行灵活设定，保护动作值和动作延时具有明显极差，有效杜绝了越级跳闸现象的发生。
3.7 控制系统
控制系统由原有西门子S7—300升级至S7—1500，配置支持Modbus/TCP协议的以太网通信模块CP1543，PLC通过该模块与配电管理系统、现场智能电气设备之间进行通信。
4 系统主要通信实现方式
4.1 Modbus/TCP通信实现
系统内各智能设备之间主要采用Modbus/TCP协议进行通信，标准Modbus采用主站（Master）/从站（Slave）方式通信，主站向各从站发送请求帧，从站予以响应。在使用TCP通信时，主站为Client端并主动建立连接，从站为Server端等待连接。
现以PLC和电动机控制器MC510之间通信为例，打开PLC编程软件TIA Portal并新建一个项目，在项目中添加CPU1511—1PN及CP1543—1模块，其中CP1543—1和MC510模块的IP地址需在同一网段下。
在CPU1511—1PN模块的OB1组织块中添加Modbus TCP Client功能块“MB_CLIENT”，用于Modbus/TCP客户端通过TCP连接与服务器之间建立通信。功能块连接参数CONNECT采用TCON_ IP_v4结构创建，添加一个全局数据块“MB_ connect”，在该数据块中设置MC510的IP地址及其连接参数，之后与功能块连接参数CONNECT进行匹配，完成PLC与MC510之间通信的建立。
利用Modbus通信规约功能码03H（读取单个或多个寄存器数据）、16H（预置多个寄存器）可实现对MC510寄存器中数据的读取和设置，MC510具有工作状态及测量数据、故障信息、整定保护定值、远程控制参数等不同寄存器区。
PLC从MC510的1200H～121AH寄存器中读取电动机工作状态和测量数据并存储到“MC510_data”数据块中，PLC程序可以从该数据块中获取数据并进行相应逻辑运算。当需要给MC510发出执行指令时，先把程序逻辑运算结果存储至“MC510_write”数据块，调用“MB_CLIENT”功能块把“MC510_write”数据块的值写入MC510远程控制参数寄存器中，进而完成对MC510的远程控制。PLC与MC510之间Modbus/TCP通信程序块如图4所示。
4.2 系统通信故障时的应急处置
系统循环检测每个MC510电动机保护器的通信状态，当检测到网络通信中断超过预设时间后，MC510将自动启用其“MODBUS/TCP失效”模式。进入该模式后，MC510无需经过PLC可以直接根据其预先设定停止设备运行，确保了网络发生异常时生产系统能够安全停车。
图4 PLC与MC510之间Modbus/TCP通信程序块
4.3 配电管理系统与PLC通信
配电管理系统由原有组态软件Intouch开发而来，现场电气设备参数通过工业以太网采集至PLC数据块中，PLC数据块通过驱动程序完成与Intouch数据库之间的信息交换，并建立起双向信息链。组态软件将PLC读取的电气设备运行参数与运行状态在监控画面上进行实时显示，将操作指令和保护定值通过PLC写入电气设备中并完成相关操作与定值设定，进而实现系统“遥测、遥控、遥信、遥调”功能。
5 系统主要功能
5.1 人机界面显示
配电系统运行状态和运行参数实时显示，全面监测变压器和配电柜各测点温度，实现对配电系统运行的全面集中监控。
5.2 停送电管理
实现停送电业务流程审批和人员权限与身份核验，执行分合闸合规性判断及远程分合闸操作，完成电子操作票生成、电子停电牌摘挂与上锁等任务。
5.3 报警与事件管理
对操作事件、故障事件、动作事件等进行准确记录与存储，根据故障内容发出相应报警信号，对报警信息进行远程复位，根据报警信息初步确定故障位置，记录故障点、故障类型，对部分故障进行故障录波。
5.4 操作记录、报表与曲线管理
可对操作员的各项操作进行详细信息记录，用于事故追溯分析；对各回路电流、电压、功率和负荷等电气参数进行实时记录，并生成运行报表和历史与实时曲线。
5.5 保护定值管理
在线完成保护投退设定、定值修改、定值审批管理等任务。
5.6 能耗管理
实现以回路为单位进行能耗统计，可按生产区域、设备类型、时段分别进行能耗统计，分析生产电耗指标变化情况等。
5.7 维护管理
通过统计与分析设备运行时间、负荷电流分布、机械特性等参数，推送维护管理提醒信息，指导设备维护工作。
6 效益分析
末煤低压配电系统改造升级后，系统的智能化程度大幅提升，可以全方位、多维度集中监测系统运行状况，日常巡检实现了由人工现场巡检为主到以在线巡检为主的转变，现场巡检频次由原来的每班一次压缩至每周一次。
全面的电气设备测温配置确保了能够及早发现并预防热隐患，投运半年以来，未发生设备触头或电缆连接处过热烧损故障，故障频次同比减少两次。
智能型电气设备的保护配置齐全完备，显著降低了保护误动作频次，基本杜绝了越级跳闸现象的发生。投运半年以来，与同期相比，各种故障引发的用电设备损坏降低了80%，因电气故障引起系统停运的时间显著降低。
远程分合闸和操作票自动生成功能的投用促使停送电作业效率大幅提升。以末煤系统6台主设备送电作业为例，送电操作时间由原来的30min压缩至8min，并节省了全部手工填写操作票时间。
停送电分合闸合规性判断有效杜绝了误操作发生，保证了电气作业安全；停送电权限审批与身份核验功能确保了检修工作负责人对设备停送电的掌控，保障了检修作业安全。
系统精细化能耗管理强化了车间的节电管理，末煤外运吨煤电耗降低0.135kW•h/t，具有较大的经济效益。
7 结论
本文对智能电气设备功能和配电系统工业以太网构建进行了详细论述，依托选煤厂末煤低压配电系统改造项目的设计与实施，探索出基于智能电气设备和工业以太网开发数字化低压配电管理系统的实现方法。经过现场实际运行测试，系统性能稳定，切实解决了原有系统存在的问题，保障了系统安全高效运行，具有一定推广价值。
本文编自2021年第12期《电气技术》，论文标题为“某选煤厂低压配电管理系统的设计与实现”，作者为刘建、白雪梅 等。
