某選煤廠低壓配電管理系統的設計與實現

劉 建 白雪梅 于大偉

某選煤廠低壓配電管理系統的設計與實現

劉 建1白雪梅2于大偉1

（1. 國電建投內蒙古能源有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017200； 2. 鄂爾多斯應用技術學院，內蒙古 鄂爾多斯 017200）

在智慧選煤廠建設加速推進的背景下，建設基于工業以太網的數字化配電管理系統勢在必行。本文選用支持Modbus/TCP協議的智能電氣設備，搭建從智能電氣設備到配電管理系統的一體化工業以太網平臺，實現數據高速傳輸。低壓配電管理系統不僅具有“遙測、遙控、遙信、遙調”功能，還具有停送電審批、能耗統計、設備維護、報警與事件、操作記錄等管理功能。

工業以太網；配電管理系統；Modbus/TCP；配電柜測溫；智能斷路器

0 引言

選煤廠生產設備以皮帶機、刮板機、破碎機、泵類等重負荷設備為主，設備需頻繁帶載起停；生產與輸送環節較多，各低壓配電系統隨車間分散布置；加工與運送高硬度物料，大量設備因磨損須每日停電檢修。

配電系統中斷路器、接觸器、電動機綜合保護器等通過硬接線與可編程控制器（programmable logic controller, PLC）模塊連接，僅將電動機起停、故障、運行及電源通斷信號采集至PLC系統中。原有低壓配電系統存在的問題主要有：①大量電氣參數未采集至上位機系統，無法集中監測各配電系統運行狀況，主要依靠人員定期巡檢，無法及時發現并消除隱患；②日常停送電需要電工去往各個配電室就地手動操作完成，時間成本高，工作效率極低，且存在人工誤操作風險；③塑殼斷路器保護功能配置不豐富，無法靈活調整定值，設備重載起車或嚴重卡堵時易發生誤動作、越級跳閘等故障；④PLC模塊和配電柜之間通過控制電纜連接，二次接線繁雜，故障率較高。

本文以選煤廠末煤低壓配電系統改造項目為背景，論述采用智能電氣設備和工業以太網搭建數字化低壓配電管理系統的實現方法，數字化低壓配電管理系統可以有效解決原有系統存在的問題，并為實現與智慧工廠管理平臺的無縫集成奠定基礎。

1 項目背景

末煤低壓配電系統由一臺10kV/0.69kV干式變壓器負責供電，變壓器容量800kV·A，采用IT供電方式，中性點經高電阻接地。系統母線電壓為690V，單母線段獨立運行，由一面進線柜、一面電容補償柜和三面饋線柜組成，主要負荷有4臺皮帶機和2臺刮板機，單臺設備最大功率不超過132kW，采用直接起動方式。配電柜采用MNS2.0柜型，進線柜安裝CW1框架斷路器，饋線抽屜內安裝CM1塑殼斷路器、電動機綜合保護器、接觸器等電氣設備，低壓配電系統與工藝控制共用一套PLC和上位機監控系統。

2 低壓配電系統架構設計

為兼顧原有低壓配電系統和生產集控系統，在此次系統改造升級中，繼續沿用原有上位機監控系統，并在此基礎上開發數字化配電管理系統；PLC控制系統由西門子S7—300升級至S7—1500，饋線柜全部更換為支持工業以太網的MNS3.0數字開關柜，進線柜、補償柜、變壓器繼續保留，柜內電氣設備全部更換為智能設備。

智能電氣設備選擇采用微處理器技術開發的具有標準工業以太網接口的設備，以斷路器、電動機綜合保護器等智能設備為通信節點構建工業以太環網。通過以太網把現場電氣設備采集的大量數據實時傳送至PLC控制系統和配電管理系統中，搭建“智能電氣設備-數字開關柜-配電管理系統”從下至上的三位一體工業以太網結構[1-2]。

工業以太網是以太網技術和通用工業協議的結合，為滿足高實時性的工業應用需求，著名自動化公司和標準化組織紛紛提出了各種工業以太網技術標準，受到廣泛支持的有Modbus/TCP、ProfiNet、Ethernet/IP等。該項目選用支持Modbus/TCP協議的智能電氣設備，對于支持Modbus/RTU協議的設備，可經過通信模塊轉換為Modbus/TCP協議后接入工業以太網中。

數字開關柜選用集成以太網口的柜型，柜內電氣設備通過柜體與柜外交換機實現以太網直連，PLC與配電管理系統之間采用原有以太網通信，各節點交換機和智能電氣設備均選用具有以太網冗余功能的設備，基于工業以太網搭建的低壓配電系統結構示意圖如圖1所示。

圖1 低壓配電系統結構示意圖

3 系統主要設備選型及其功能配置

3.1 配電柜

配電柜選用ABB公司MNS3.0數字開關柜，與原有配電柜相比，柜體最顯著的特點是每個饋線抽屜集成了以太網接口，具有強大的以太網通信功能。接口由插頭和插座兩部分組成，其中插頭安裝在抽屜內右側板上，負責與抽屜內電氣設備連接，插座安裝在電纜室，負責與外部交換機連接。當插頭與插座接通后，配電柜內部和外部設備直接實現以太網連接，當抽屜需要拉出時，斷開插頭與插座的連接即可。

抽屜抽出時，網口接插件分開，此時為了防止抽屜抽出后導致整個系統以太網通信中斷，在抽屜外部電纜室內安裝ABB公司MS571以太網環路開關，通過該環路開關把柜內各抽屜組成冗余環形拓撲結構。MS571環路開關有四個以太網口，標有MCU的兩個接口用于連接抽屜，標有BUS的兩個接口用于組網。正常情況下，抽屜內電氣設備通過BUS接口同其他設備通信；當抽屜拉出后，原有環網通信被中斷，MS571自動旁路該抽屜，直接經過兩個BUS接口組成新的環網繼續維持通信。MS571的電源由其BUS接口提供，首尾兩臺MS571必須通過配件TA60與外部設備連接。饋線抽屜間環網結構如圖2所示[3]。

圖2 饋線抽屜間環網結構

3.2 配電柜與變壓器測溫

配電柜內母排搭接處、抽屜一次插頭處、接觸器觸頭等部位易產生高溫，對系統安全運行極為不利，所以要選擇合適的測溫方式實現溫度在線監測。

以非接觸方式在抽屜內一次插頭和接觸器觸頭上方安裝IR51紅外測溫傳感器，通過檢測測點發射出的紅外能量實現安全可靠測溫，IR51通過專用電纜直接接入MT561熱點監控模塊[4]。

在配電柜母排搭接處、干式變壓器高壓電纜連接處與低壓母排連接處安裝WT01無線測溫傳感器，用不銹鋼卡簧將WT01安裝在母排搭接處，采用電磁感應自供電方式，采集溫度通過ZigBee無線連接方式傳送至MT564無線測溫模塊。ZigBee是一種近距離、低功耗、短時延、雙向無線通信技術，傳輸速率最高可達250kbit/s[5]。

MT561模塊和MT564模塊均安裝在饋線抽屜內部，可以通過串行通信接口IO-BUS與電動機綜合保護器MC510進行通信，由MC510負責供電，測溫傳感器采集的數據通過MC510實時傳送至配電管理系統中。

對原有干式變壓器溫控器進行更換，實現對變壓器配置的6臺散熱風機進行單獨狀態監測與控制，對變壓器繞組溫度和鐵心溫度進行實時在線監測，可以靈活設定變壓器溫度控制策略。

升級后的溫控器配置了RS 485通信接口，支持Modbus-RTU協議，通過以太網通信模塊MS572接入工業以太網中，實現與配電管理系統之間的通信。MS572包含一個嵌入式二端口以太網交換機，可以實現從基于RS485接口的Modbus-RTU協議到基于RJ45接口的Modbus/TCP協議的轉換，MS572是Modbus-RTU主站，溫控器作為總線結構的從設備與主站連接。

當配電柜和變壓器的測點處溫度值和溫升速率超過設定值時，系統可以進行報警或自動斷開相應電源，以保障系統安全運行。

3.3 塑殼斷路器

塑殼斷路器選用常熟開關廠CM5Z型產品，配置iPN26T智能型脫扣器。斷路器集成RS 485通信接口，采用Modbus-RTU協議，通過以太網模塊MS572接入工業以太網中。

塑殼斷路器安裝配套FDC1電動操作機構，可以實現在配電管理系統中進行遠程分合閘操作。塑殼斷路器遠程分合閘示意圖如圖3所示。

圖3 塑殼斷路器遠程分合閘示意圖

3.4 框架斷路器

框架斷路器選用常熟開關廠CW6型產品，配置TY66型智能控制器，控制器通過加裝附件模塊可以進行功能擴展，在斷路器本體頂部快裝盒內安裝FBT/W6—T以太網通信模塊，可以實現框架斷路器對Modbus/TCP協議的支持。

3.5 電動機綜合保護器

接觸器選用常熟開關廠CK3系列產品，配套電動機綜合保護器選用ABB公司MC510型產品，該保護器提供兩個互為冗余的以太網接口，支持Modbus/ TCP協議。

3.6 主要電氣設備功能配置

配電回路中框架斷路器、塑殼斷路器、電動機綜合保護器的功能配置見表1。

表1 配電回路中主要設備功能配置

上述功能配置有效解決了原系統中存在的幾個突出問題。

在系統維護方面，智能電氣設備與PLC之間直接采用工業以太網連接，代替了原系統所有控制電纜，解決了因電纜二次接線繁雜導致故障率較高的問題。

在上下級開關保護匹配方面，由于智能塑殼斷路器保護定值可以靈活設定，與上級框架斷路器保護定值合理匹配后，可以實現上下級開關之間良好的選擇性極差保護。在原系統中，當刮板機發生卡堵或重載起車時，設備短時電流通?？蛇_5～6倍額定電流并持續15s以上，有時會達到觸發進線框架斷路器短延時保護動作條件，而原系統所用CM1塑殼斷路器過載保護按照額定電流固定反時限特性整定，在上述情況下會存在一定觸發滯后現象，從而導致越級跳閘現象發生；選用CM5Z智能斷路器后，由于可以采用定時限方式對定值進行靈活設定，保護動作值和動作延時具有明顯極差，有效杜絕了越級跳閘現象的發生。

3.7 控制系統

控制系統由原有西門子S7—300升級至S7—1500，配置支持Modbus/TCP協議的以太網通信模塊CP1543，PLC通過該模塊與配電管理系統、現場智能電氣設備之間進行通信。

4 系統主要通信實現方式

4.1 Modbus/TCP通信實現

系統內各智能設備之間主要采用Modbus/TCP協議進行通信，標準Modbus采用主站（Master）/從站（Slave）方式通信，主站向各從站發送請求幀，從站予以響應。在使用TCP通信時，主站為Client端并主動建立連接，從站為Server端等待連接。

現以PLC和電動機控制器MC510之間通信為例，打開PLC編程軟件TIA Portal并新建一個項目，在項目中添加CPU1511—1PN及CP1543—1模塊，其中CP1543—1和MC510模塊的IP地址需在同一網段下。

在CPU1511—1PN模塊的OB1組織塊中添加Modbus TCP Client功能塊“MB_CLIENT”[6]，用于Modbus/TCP客戶端通過TCP連接與服務器之間建立通信。功能塊連接參數CONNECT采用TCON_ IP_v4結構創建，添加一個全局數據塊“MB_ connect”，在該數據塊中設置MC510的IP地址及其連接參數，之后與功能塊連接參數CONNECT進行匹配，完成PLC與MC510之間通信的建立[7-8]。

利用Modbus通信規約功能碼03H（讀取單個或多個寄存器數據）、16H（預置多個寄存器）可實現對MC510寄存器中數據的讀取和設置，MC510具有工作狀態及測量數據、故障信息、整定保護定值、遠程控制參數等不同寄存器區。PLC從MC510的1200H～121AH寄存器中讀取電動機工作狀態和測量數據并存儲到“MC510_data”數據塊中，PLC程序可以從該數據塊中獲取數據并進行相應邏輯運算。當需要給MC510發出執行指令時，先把程序邏輯運算結果存儲至“MC510_write”數據塊，調用“MB_CLIENT”功能塊把“MC510_write”數據塊的值寫入MC510遠程控制參數寄存器中，進而完成對MC510的遠程控制。PLC與MC510之間Modbus/TCP通信程序塊如圖4所示。

4.2 系統通信故障時的應急處置

系統循環檢測每個MC510電動機保護器的通信狀態，當檢測到網絡通信中斷超過預設時間后，MC510將自動啟用其“MODBUS/TCP失效”模式。進入該模式后，MC510無需經過PLC可以直接根據其預先設定停止設備運行，確保了網絡發生異常時生產系統能夠安全停車。

圖4 PLC與MC510之間Modbus/TCP通信程序塊

4.3 配電管理系統與PLC通信

配電管理系統由原有組態軟件Intouch開發而來，現場電氣設備參數通過工業以太網采集至PLC數據塊中，PLC數據塊通過驅動程序完成與Intouch數據庫之間的信息交換，并建立起雙向信息鏈。組態軟件將PLC讀取的電氣設備運行參數與運行狀態在監控畫面上進行實時顯示，將操作指令和保護定值通過PLC寫入電氣設備中并完成相關操作與定值設定，進而實現系統“遙測、遙控、遙信、遙調”功能[9]。

5 系統主要功能

5.1 人機界面顯示

配電系統運行狀態和運行參數實時顯示，全面監測變壓器和配電柜各測點溫度，實現對配電系統運行的全面集中監控。

5.2 停送電管理

實現停送電業務流程審批和人員權限與身份核驗，執行分合閘合規性判斷及遠程分合閘操作，完成電子操作票生成、電子停電牌摘掛與上鎖等任務。

5.3 報警與事件管理

對操作事件、故障事件、動作事件等進行準確記錄與存儲，根據故障內容發出相應報警信號，對報警信息進行遠程復位，根據報警信息初步確定故障位置，記錄故障點、故障類型，對部分故障進行故障錄波[10]。

5.4 操作記錄、報表與曲線管理

可對操作員的各項操作進行詳細信息記錄，用于事故追溯分析；對各回路電流、電壓、功率和負荷等電氣參數進行實時記錄，并生成運行報表和歷史與實時曲線。

5.5 保護定值管理

在線完成保護投退設定、定值修改、定值審批管理等任務。

5.6 能耗管理

實現以回路為單位進行能耗統計，可按生產區域、設備類型、時段分別進行能耗統計，分析生產電耗指標變化情況等。

5.7 維護管理

通過統計與分析設備運行時間、負荷電流分布、機械特性等參數，推送維護管理提醒信息，指導設備維護工作。

6 效益分析

末煤低壓配電系統改造升級后，系統的智能化程度大幅提升，可以全方位、多維度集中監測系統運行狀況，日常巡檢實現了由人工現場巡檢為主到以在線巡檢為主的轉變，現場巡檢頻次由原來的每班一次壓縮至每周一次。

全面的電氣設備測溫配置確保了能夠及早發現并預防熱隱患，投運半年以來，未發生設備觸頭或電纜連接處過熱燒損故障，故障頻次同比減少兩次。

智能型電氣設備的保護配置齊全完備，顯著降低了保護誤動作頻次，基本杜絕了越級跳閘現象的發生。投運半年以來，與同期相比，各種故障引發的用電設備損壞降低了80%，因電氣故障引起系統停運的時間顯著降低。

遠程分合閘和操作票自動生成功能的投用促使停送電作業效率大幅提升。以末煤系統6臺主設備送電作業為例，送電操作時間由原來的30min壓縮至8min，并節省了全部手工填寫操作票時間。

停送電分合閘合規性判斷有效杜絕了誤操作發生，保證了電氣作業安全；停送電權限審批與身份核驗功能確保了檢修工作負責人對設備停送電的掌控，保障了檢修作業安全。

系統精細化能耗管理強化了車間的節電管理，末煤外運噸煤電耗降低0.135kW·h/t，具有較大的經濟效益。

7 結論

本文對智能電氣設備功能和配電系統工業以太網構建進行了詳細論述，依托選煤廠末煤低壓配電系統改造項目的設計與實施，探索出基于智能電氣設備和工業以太網開發數字化低壓配電管理系統的實現方法。經過現場實際運行測試，系統性能穩定，切實解決了原有系統存在的問題，保障了系統安全高效運行，具有一定推廣價值。

[1] 楊孟超, 王鵬, 盧慧強. 淺談智能低壓控制系統[J]. 電氣技術, 2019, 20(10): 89-91.

[2] 陳代金, 趙建峰. 基于以太網技術的電力監控系統分析[J]. 電氣技術, 2015, 16(3): 115-117.

[3] MC510電動機控制單元用戶手冊[Z]. ABB(中國)有限公司, 2020.

[4] 低壓系統數字化方案擴展模塊用戶手冊[Z]. ABB(中國)有限公司, 2020.

[5] 姜萬東, 王野, 沈克明, 等. 一種新型自供電無線測溫傳感器控制系統[J]. 電氣技術, 2017, 18(6): 77-80.

[6] 鄭國軍, 金儒衡. 西門子PLC與ABB變頻器在軟起動器改造系統中的應用[J]. 電氣技術, 2016, 17(8): 119-121, 129.

[7] 許金紅. 基于PLC的光纖通信技術在變壓器遠程監控中的應用[J]. 電氣技術, 2021, 22(1): 90-92.

[8] 向曉漢. 西門子S7—1500 PLC完全精通教程[M]. 北京: 化學工業出版社, 2018.

[9] 王明松, 馬鴻雁. 基于組態王的變電站運行狀態在線監控系統設計與應用[J]. 電工技術學報, 2015, 30(增刊1): 484-489.

[10] 馮永, 陳傳海. 選煤廠低壓配電系統智能化改造的研究應用[C]//全國選煤廠節能降耗、挖潛提效技術研討會, 2013: 230-236.

Design and implementation of low voltage power distribution management system in a coal preparation plant

LIU Jian1BAI Xuemei2YU Dawei1

(1. Guodian Construction Investment Inner Mongolia Energy Co., Ltd, Ordos, Inner Mongolia 017200; 2. Ordos Institute of Technology, Ordos, Inner Mongolia 017200)

In the background of accelerating the construction of intelligent coal preparation plant , it is imperative to build a digital power distribution management system based on industrial Ethernet. Intelligent electrical equipment that supports Modbus/TCP protocol is selected to build an integrated industrial Ethernet platform from intelligent electrical equipment to power distribution management system, which realizes high-speed transmission of data. The low voltage distribution management system not only has the functions of “telemetering, remote control, remote signaling, remote regulating”, but also has the management functions of power shutdown and transmission approval, energy consumption statistics, equipment maintenance, alarm and event, operation record.

industrial Ethernet; power distribution management system; Modbus/TCP; temperature measurement of distribution cabinet; intelligent circuit breaker

2021-07-13

2021-07-26

劉 建（1981—），男，內蒙古自治區鄂爾多斯市人，高級工程師，主要從事工廠供配電、工業控制、新能源等方面技術工作。