智能低压配电系统

一、绪论
（一）智能低压配电系统的概述、特点及应用
     智能型低压开关柜简单的说就是采用了智能型元器件的低压开关柜，其主要特点是在传统低压开关柜和元器件基础上充分应用了微电子技术、电力电子技术、计算机控制技术以及网络通讯等新技术，具有较高的性能和可靠性。若干个智能型低压开关柜经数字通信与计算机系统网络连接，组成智能低压配电系统，具有遥测、遥控、遥信、遥调功能，可以实现变电所低压开关设备运行管理的自动化、智能化。
     智能低压配电系统可实现数据的实时采集、数字通信、远程操作与程序控制、保护定值管理、事件记录与告警、故障分析、各类报表及设备维护信息管理等功能。针对低压电气系统直接面向控制终端，设备多、分布广，而且现场条件复杂，系统本身及设备频繁操作、故障脱扣等产生的强电磁及谐波干扰等特点，智能化监控系统能实现面向对象的操作模式，具有强抗干扰能力，主要控制功能由设备层智能型元器件完成，形成网络集成式全分布控制系统，以满足系统运行的实时、快速及可靠性的要求。系统中的低压智能型元件就其功能而言总体上可分为：电量参数测量、电能质量监测、开关保护与控制及电动机控制等。由于现场总线技术的应用，系统中智能型元件可不依赖计算机网络而独立运行，极大地提高系统运行的实时性和可靠性，满足低压电器设备运行管理的需要及工厂生产过程控制的要求。
智能型低压配电系统应用非常广泛，但鉴于目前其价格较高，因此现主要应用于：
（1）电厂、变电站等发配电系统；
（2）汽车制造、钢铁、石油化工和矿山等重要的工业领域；
（3）码头、机场、地铁等基础设施
（4）高层建筑、超级商场、智能大厦等商业建筑和住宅。
     上述领域新上项目基本上都应用了智能型低压配电系统，用量较大，特别是近几年需求量迅速增加。随着经济的飞速发展，其用量会越来越大，智能型开关柜的时代已经到来。
（二）智能低压配电系统的国内外发展概况
       智能型开关柜的发展可分为三个阶段。在70年代末、80年代初，随着电子技术的发展，低压成套装置的发展步入控制电子化、保护综合化的的时代，出现了各种运行电量控制器、电动机综合保护器、无功功率补偿控制器等产品，其结构多为继电器型的小型装置。
      进入80年代中期，采用了PLC技术，利用I/O方式通过可编程控制器实现配电装置的控制与操作，后期出现了微机集中检测与控制，可对主保护断路器进行远距离操作，对回路电压、电流、有功电量和无功电量、功率因数等电量参数进行检测。
       从80年代末至90年代，随着计算机技术、微电子技术、电力电子技术、抗干扰技术、特别是网络通讯技术的飞速发展，使得自动化技术得到了空前的发展。现场总线(Field bus)技术的诞生引发了传统的工业自动化仪表与控制系统的革命。基于现场总线技术的工业过程智能自动化仪表和开放的自动化系统引起了广泛的注意和高度的重视，已成为国内外自动化技术发展的一个热点。各大公司也把这些技术应用于配电系统，也就是把强电控制与微电子技术、计算机技术、网络通讯技术相结合，形成了第三代产品，出现了智能型断路器、多功能电力仪表等智能元器件和智能型开关柜。比如施耐德公司MT系列断路器和PRISMA系列智能开关柜；ABB公司的E系列断路器和MNS系列智能开关柜；这些智能元器件都是以微处理器为核心，具有测量、变换、保护、控制等功能，同时具有通信接口可连接通信网络与上位机通信形成智能低压配电系统。

二、智能化低压配电系统设计
      智能化低压配电系统是用通信网络把众多的带有通信接口的低压配电和控制设备与主计算机连接起来，由计算机进行智能化管理，来实现集中数据处理、集中监控、集中分析及集中调度的低压配电系统。
      此类产品国内外电气公司有很多，国外公司的如：施耐德公司的Powerlogic电力监控系统，ABB公司的ESD 2000变电站监控系统等；国内公司的如：上海安科瑞电气有限公司的Acrel-3000型变配电监控系统，珠海派诺电子有限公司的西格玛监控系统等。下面以上海安科瑞电气有限公司的Acrel-3000型变配电监控系统为例介绍一下智能化低压配电系统。
（一）系统的组成结构
      Acrel-3000电力监控系统是将现场总线技术应用于低压配电综合系统，实现配电系统智能化，提高了控制系统的信息处理能力和运行可靠性，同时节省了系统的硬件和布线费用，方便了用户对系统的组态、管理和维护，该系统采用三层的网络分布式结构，是智能型低压配电系统较为常见的三层结构，它包括站控管理层、网络通讯层和现场设备层。如图1所示。
1. 站控管理层
       站控管理层针对配电系统的管理人员，是人机交互的直接窗口，用来实现对配电和监控设备以及智能型元器件的监控、保护和控制通信，也是系统的最上层部分。主要由系统软件和必要的硬件设备，如工业级计算机、打印机、UPS电源等组成。系统软件具有良好的人机交互界面，对采集的现场各类数据信息自动经过计算处理，并以图形、数显、声音等方式反映现场的运行状况。
图1：Acrel-3000电力监控系统网络分布式结构

2. 通讯控制层
      通讯控制层主要是由通讯服务器、通讯前置机、HMI及总线网络组成。该层是数据信息交换的桥梁，负责对现场设备回送的数据信息进行采集、分类和存储等工作的同时，转达上位机对现场设备的各种控制命令。
      该层是智能化低压配电系统的关键部分，它就像整个监控系统的神经网一样，把各现场配电和控制设备与主计算机连接起来。在通信网络的通信介质方面，应用较多的有光纤、同轴电缆及屏蔽双绞线。目前应用的基本上屏蔽双绞线，硬件接口为RS-485通信接口。
3. 现场设备层
      现场设备层是连接于网络中用于电量参数采集测量的各类型的带通信接口的智能型元器件、多功能电力仪表和保护装置等，也是构建该配电系统必不可少的基本组成元素。不仅肩负着采集数据的重任，同时也是执行后台控制命令的终端元件。
      设备层的元器件安装在低压开关柜中，按照它们对系统的重要性不同，对元器件的选择可以采用不同的方式。
① 重要回路
      重要回路如低压开关柜中的进线断路器、联络断路器、重要的大电流馈电回路，宜选择智能型框架断路器，如施耐德公司的Masterpact MT系列框架断路器，ABB公司的New Emax系列框架断路器，常熟开关制造有限公司的CW2系列框架断路器等。该类型的断路器配置带通信接口的控制单元，主要功能包括：具有长延时、短延时、瞬时过流、接地故障、欠压的保护等；在断路器上可显示电流、电压、功率、有功电能、无功电能、功率因数、频率等电量参数的运行状态，故障信息等；通过通信接口与上位计算机进行数据交换，并可接受上位机的命令；实现远程电量参数的测量、断路器运行状态（合、分、故障、报警等）的监控、由上位机对断路器进行遥控分合闸操作，由上位机对断路器的设备参数和保护值进行遥调的四遥功能。
② 普通回路
       普通回路常亦可以选用智能型断路器，鉴于智能型断路器价格不菲，为了降低工程成本，常采用普通断路器配置智能型多功能电力监控仪表的组合方式，使配电柜中的普通回路具有智能功能，并能使各配电回路连接到智能监控网络中。 

 
图2：ACR220EFL智能型多功能电力仪表与塑壳断路器接线图

       智能型多功能电力监控仪表是一种由计算机控制，具有通信接口，可对配电回路的状态及电参量进行监视，并能控制配电回路的通断状态的一种智能型元件。这类仪表目前国内外有许多品牌，如施耐德公司PM800系列，上海安科瑞公司的ACR系列，江阴斯菲尔公司的PD194系列。上海安科瑞公司ACR220EFL智能型多功能电力仪表与塑壳断路器具体接线见图2。这种回路取代了常规传统回路的很多元件，如电流表、电压表、功率表、电能表、电力变送器等，大量减少了柜内的二次接线，而实现了更多的功能。
主要有功能有：
测量和显示功能：能够测量并显示配电回路的相电压、线电压、线电流、有功功率、无功功率、功率因数、四象限（复费率）电能、频率等参数及运行状态、故障报警信息及各参数值；
存储功能：可记录并查询近期12个月电能、最大需量及SOE事件记<