物聯(lián)感知技術(shù)在供配電系統(tǒng)中的應(yīng)用

〔摘 要〕以金隆銅業(yè)有限公司為例，為提升供配電系統(tǒng)的安全性與可靠性，探討了物聯(lián)感知技術(shù)在0.4 kV低壓供配電系統(tǒng)中的應(yīng)用。該廠通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成設(shè)計、硬件與軟件配置更新，以及信息集成系統(tǒng)的建立，引入了先進的物聯(lián)感知設(shè)備，實現(xiàn)了實時故障信息的采集，并能上傳至企業(yè)MES系統(tǒng)。研究結(jié)果顯示，該系統(tǒng)能夠確保管理人員迅速獲取故障信息，及時響應(yīng)處理，有效消除火災(zāi)隱患。同時，系統(tǒng)還具備強大的數(shù)據(jù)分析功能，為點檢人員提供了設(shè)備運行狀態(tài)的重要參考。

〔關(guān)鍵詞〕物聯(lián)感知技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)配置；軟硬件更新；信息共享；低壓供配電系統(tǒng)

中圖分類號：TM73；TP393 " 文獻標志碼：B" 文章編號：1004-4345（2024）0６-0054-0４

Application of IoT Sensing Technology in Power Supply and Distribution System

CUI Ping， LU Peng， Ge Zhenxiong

（Jinlong Copper Co.， Ltd.， Tongling， Anhui 244021， China）

Abstract" Taking Jinlong Copper Co.， Ltd. as an example， the paper discusses the application of IoT sensing technology in the 0.4 kV low-voltage power supply and distribution system so as to improve the safety and reliability of the power supply and distribution system. The company has introduced advanced IoT sensing equipment by designing the system network composition， updating the hardware and software configuration and establishing the information integration system to collect the real-time fault information， which can be uploaded to the enterprise MES system. The study results show that the system can ensure that management personnel can quickly obtain and handle fault information in a timely manner to eliminate fire hazards. At the same time， the system also has a powerful data analysis function， providing an important reference for point inspection personnel on the operating status of the equipment.

Keywords" IoT sensing technology; network configuration; hardware and software updates; information sharing; LV power supply and distribution system

金隆銅業(yè)有限公司（以下簡稱“金隆銅業(yè)”）是我國首座自行設(shè)計和施工的閃速煉銅工廠，原設(shè)計規(guī)模為年產(chǎn)陰極銅100 kt、硫酸375 kt，同時產(chǎn)出金、銀等副產(chǎn)品。該企業(yè)經(jīng)過150 kt技改、210 kt擴建改造和350 kt挖潛改造3次重大技術(shù)改造工程后，現(xiàn)已形成年產(chǎn)460 kt陰極銅、1 200 kt 硫酸的生產(chǎn)能力。該公司采用世界領(lǐng)先的閃速煉銅技術(shù)，其核心流程包括閃速爐富氧熔煉、PS轉(zhuǎn)爐吹煉、回轉(zhuǎn)式陽極爐精煉、大極板常規(guī)電解的冶煉工藝，絕熱蒸發(fā)稀硫酸洗滌、二次轉(zhuǎn)化、二次吸收的制酸工藝。公司的技術(shù)裝備達到國際先進水平，重要工藝參數(shù)均實現(xiàn)了計算機在線控制，確保了生產(chǎn)的高效與穩(wěn)定。

工業(yè)生產(chǎn)供配電系統(tǒng)的故障時有發(fā)生，不僅干擾正常的生產(chǎn)秩序，部分故障還可能引發(fā)火災(zāi)，對安全構(gòu)成嚴重威脅。消防部門統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，每年由電氣故障引發(fā)的火災(zāi)占到火災(zāi)總數(shù)的30%～35%，有時甚至還會出現(xiàn)人身傷亡[1]。為了有效提升供配電系統(tǒng)的安全性與可靠性，2021年金隆銅業(yè)公司對渣選車間和稀貴車間的0.4 kV低壓配電系統(tǒng)進行了更新改造。此次改造不僅升級了硬件設(shè)備，還增加了物聯(lián)感知設(shè)備及信息集成系統(tǒng)，實現(xiàn)了將實時故障信息上傳至企業(yè)MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）的功能。這一功能使崗位操作人員、專業(yè)點檢人員以及安全消防人員都能在第一時間內(nèi)獲取到故障信息，從而迅速響應(yīng)處理故障并及時消除火災(zāi)隱患，切實保障生產(chǎn)安全。本文擬結(jié)合此次改造實踐，探討物聯(lián)感知技術(shù)在工業(yè)企業(yè)供配電系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1" "物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論

物聯(lián)網(wǎng)是最新一代信息技術(shù)的重要組成部分。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展基于互聯(lián)網(wǎng)，但在實際應(yīng)用中，它對互聯(lián)網(wǎng)的使用進行了延伸和細化，實現(xiàn)了人與人、人與物、物與物之間的全面互聯(lián)。例如，可以構(gòu)建一種局域性的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，該系統(tǒng)建立在所有設(shè)備共用一個統(tǒng)一協(xié)議的基礎(chǔ)之上，通過這個協(xié)議將所有設(shè)備緊密地聯(lián)系在一起，從而實現(xiàn)設(shè)備間的高效通信與協(xié)作。這樣的局域網(wǎng)不僅優(yōu)化了資源分配，還提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院退俣龋瑸槲锫?lián)網(wǎng)的深入應(yīng)用提供了堅實的基礎(chǔ)。

隨著電力電子技術(shù)的持續(xù)進步，使得設(shè)備能夠借助先進的感知技術(shù)（如傳感器），對所需信息進行精準采樣和收集。這些信息隨后被轉(zhuǎn)換成可通信的“數(shù)據(jù)語言”，從而實現(xiàn)了單個設(shè)備對信息的采集、發(fā)送、傳輸及接收功能。更進一步地，這一技術(shù)還促進了在同一網(wǎng)絡(luò)下，多個設(shè)備之間多種信息的順暢交換，為物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。此外，所有采集到的信息都會存儲在本地或者云平臺中，操作人員通過密鑰進入數(shù)據(jù)中心，即可了解網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有的信息，從而達到信息共享之目的。

因此，物聯(lián)網(wǎng)是信息化技術(shù)與電力電子技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，它構(gòu)建了一個能夠?qū)崿F(xiàn)物物相聯(lián)的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。這個網(wǎng)絡(luò)不受地域和時間的限制，能夠?qū)⒎植荚诓煌攸c、不同時刻的人或物緊密地連接起來，實現(xiàn)信息的全面互通與共享。物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，極大地拓展了信息交流的邊界，為智能化、自動化的生產(chǎn)、生活提供了可能[2]。

2" "硬件配置更新

金隆銅業(yè)利用此次渣選車間和稀貴車間0.4 kV低壓柜整體更新改造的契機，主要從以下幾個方面增加了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的相關(guān)硬件配置。

2.1" 外部硬件配置

外部硬件更新主要指使用新型的組合式用電物聯(lián)感知終端（見圖1）全面采集和分析低配室的相關(guān)配電數(shù)據(jù)。該終端會配套不同的毫安級電流互感器（見圖2），適用于企業(yè)的0.4 kV低壓配電系統(tǒng)。該終端功能強大，集測量、通信于一體，能夠?qū)崟r監(jiān)測三相/單相電壓、電流、頻率、功率因數(shù)、功率以及電度等關(guān)鍵參數(shù)，同時還具備電能質(zhì)量監(jiān)測、泄漏電流監(jiān)測、溫度測量等高級功能，并能發(fā)出故障預警和記錄故障波形，為配電系統(tǒng)的安全運行提供了有力保障。

在硬件設(shè)計方面，該終端采用了導軌式安裝方式，所有單元模塊均適用于35 mm標準平槽導軌，便于快速安裝和更換。在同一個安裝導軌上，電壓單元是唯一的，其他模塊如電流單元，則可以根據(jù)需要靈活組合，支持多個用電設(shè)備的電流單元集成安裝。這一設(shè)計不僅提高了安裝的便捷性，還使配電數(shù)據(jù)的查看更加直觀清晰。

所有在線監(jiān)測終端被直接安置于配電站內(nèi)部，以確保數(shù)據(jù)采集的精確性和穩(wěn)定性。每個低壓出線回路的CT控制電纜會連接到在線監(jiān)測終端的端子上用以采集電流信號。同時，每個配電柜內(nèi)均配置有一個在線監(jiān)測終端，該終端通過從400 V母線取電，來完成電壓信號的采集任務(wù)。

此外，這些在線監(jiān)測終端還具備狀態(tài)量與溫度量的雙重采集能力，能夠精確獲取低配抽屜內(nèi)部的溫度數(shù)據(jù)。為了實現(xiàn)這一目標，每個抽屜內(nèi)的進線電纜接頭處均裝有溫度探頭。這些探頭被巧妙地連接至對應(yīng)抽屜的電流單元，從而順利完成溫度信息的采集工作。此次創(chuàng)新性地增設(shè)抽屜內(nèi)溫度測量與監(jiān)控點，不僅是一項技術(shù)上的突破，更有效解決了以往在日常點檢維護過程中難以準確監(jiān)測抽屜內(nèi)電氣回路溫度的難題，極大地提升了設(shè)備運行的安全性與可靠性。

配電站內(nèi)的外部硬件配置如圖2所示。

2.2" 內(nèi)部硬件工作原理

在線監(jiān)測終端的內(nèi)部硬件工作原理見圖3。設(shè)備硬件可以劃分為4大模件，分別為CPU核心系統(tǒng)模件、開入量模件、開出量模件、交流采樣模件。其中，CPU核心系統(tǒng)模件最為關(guān)鍵，它又包含了RAM、FLASH、A/D、UART、SD卡、WATCHDOG、液晶顯示和鍵盤等部分。

3" "軟件與網(wǎng)絡(luò)配置

3.1" 在線監(jiān)測終端的軟件配置

各個單元模塊通過 RS485 接口接入 HZ17X 系列電力物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測終端后，在線監(jiān)測終端即擁有了該物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的所有信息，并通過設(shè)定好的程序進行比對、判斷、通信、顯示等，最后提供結(jié)果。在線監(jiān)測終端作為電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的核心組件，其軟件配置決定了系統(tǒng)的功能和性能[3]。

在線監(jiān)測終端的軟件分高速采樣模塊、繼電保護模塊、諧波計算模塊、通信接口模塊、人機界面模塊、硬件自檢模塊和軟件監(jiān)視模塊幾大模塊。1）高速采樣模塊：負責完成每周波72點的高速數(shù)據(jù)采樣，包括交流信號的采樣和遙信狀態(tài)的掃描。2）繼電保護模塊：負責完成每周波12點的繼電保護邏輯運算，并在發(fā)生故障時記錄故障波形。3）諧波計算模塊：每周波進行一次諧波分量、功率和電度的計算。4）通信接口模塊：管理兩個通信口的報文組幀、收發(fā)和解析。5）人機界面模塊：處理鍵盤輸入、繪制圖形和菜單，以及液晶顯示屏的更新。6）硬件自檢模塊：實時對硬件各模塊進行自診斷，檢測并報告硬件故障。7）軟件監(jiān)視模塊：監(jiān)視每個軟件模塊的運行狀態(tài)，確保系統(tǒng)的正常運行。

3.2" 在線監(jiān)測終端的網(wǎng)絡(luò)配置

在線監(jiān)測終端不僅具備強大的本地處理能力，還能通過網(wǎng)絡(luò)配置實現(xiàn)與遠程云平臺的無縫連接。此次改造項目構(gòu)建起了企業(yè)電力能效管理平臺、電氣安全智慧平臺、用電運維管理云服務(wù)等系統(tǒng)[4]。

1）數(shù)據(jù)傳輸通道。測量數(shù)據(jù)可以通過現(xiàn)場網(wǎng)關(guān)的 GPRS/WIFI/NB-IOT 通道上傳到云平臺。多種通信方式的選擇，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)撵`活性和可靠性。

2）云平臺構(gòu)建。已建立基于Mysql數(shù)據(jù)庫的云平臺數(shù)據(jù)中心，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)訪問等功能。通過OPC網(wǎng)關(guān)，將稀貴、渣選兩個站房的數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集并存儲到GE IH中，后期可根據(jù)需要在MES和生產(chǎn)信息網(wǎng)中展現(xiàn)出實時及歷史數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析。

3）數(shù)據(jù)訪問與應(yīng)用。與公司現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡(luò)對接，使公司系統(tǒng)能夠訪問遠程數(shù)據(jù)中心存儲的故障數(shù)據(jù)（圖4）。運維人員可以通過終端或網(wǎng)絡(luò)遠程訪問數(shù)據(jù)中心，進行故障定位和故障分析。為快速進行故障處理提供輔助決策，提高運維效率和電力系統(tǒng)的可靠性。

4" "應(yīng)用情況

目前，渣選和稀貴兩個站點基于物聯(lián)感知技術(shù)的供配電系統(tǒng)升級改造硬件施工和軟件通信施工已經(jīng)全部完成。

在升級后的系統(tǒng)中，稀貴車間和渣選車間低配室內(nèi)加裝的感知終端設(shè)備都得到了清晰的展示。通過簡單的顏色標識（綠色代表設(shè)備正在正常運行，紅色表示設(shè)備處于停機狀態(tài)），點檢人員能夠迅速識別設(shè)備的運行狀態(tài)，如圖5所示。此外，點檢人員還能夠直接在現(xiàn)場觸摸屏上查看到各種關(guān)鍵數(shù)據(jù)、運行曲線及報警信息，這使他們能夠迅速掌握現(xiàn)場的第一手資料，對設(shè)備的運行狀態(tài)有更加直觀和全面的了解。同時，這兩個站點的數(shù)據(jù)已經(jīng)成功接入公司的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠程查看功能。這一功能極大地拓寬了點檢人員的工作范圍，即使不在現(xiàn)場，也能便捷地遠程查看站點數(shù)據(jù)，及時掌握設(shè)備的運行狀態(tài)，從而迅速作出反應(yīng)，消除潛在的隱患。

在單體設(shè)備的監(jiān)控畫面中，除了基本的電壓、電流和溫度顯示外，系統(tǒng)還設(shè)置了報警功能。一旦電流超過設(shè)定值或三相溫度出現(xiàn)異常，系統(tǒng)就會在監(jiān)控畫面中及時顯示，并通過右上角的錄波功能自動保存故障時的數(shù)據(jù)波形，為后續(xù)的故障分析提供有力的支持[5]。低配進線監(jiān)控畫面示意見圖6。系統(tǒng)中的溫度曲線和電流曲線功能為點檢人員提供了重要的數(shù)據(jù)參考。通過觀察這些曲線，點檢人員可以清晰地看到設(shè)備在一天內(nèi)的變化趨勢，從而及時發(fā)現(xiàn)異常情況，并作出專業(yè)的判斷。這種預防性的保全工作能夠有效地避免故障的發(fā)生和擴大，確保設(shè)備的穩(wěn)定運行。

5" "結(jié)語

供配電設(shè)備的穩(wěn)定運行直接關(guān)系到生產(chǎn)的穩(wěn)定，因此智慧電網(wǎng)的建設(shè)是工業(yè)企業(yè)向智能工廠轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)生產(chǎn)運行管理精益化的重要步驟。本文通過對金隆銅業(yè)渣選車間和稀貴車間0.4 kV低壓供配電系統(tǒng)的技術(shù)改造進行總結(jié)，詳細介紹了物聯(lián)感知技術(shù)在供配電系統(tǒng)中的應(yīng)用情況。此次改造不僅引入了先進的物聯(lián)感知設(shè)備，還建立了信息集成系統(tǒng)，實現(xiàn)了實時故障信息的上傳與共享。通過現(xiàn)場觸摸屏和對遠程數(shù)據(jù)庫的訪問，點檢人員能夠迅速掌握設(shè)備運行狀態(tài)，及時響應(yīng)并處理故障，有效提升了企業(yè)供配電系統(tǒng)的安全性與可靠性。區(qū)域電氣安全物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的建成不僅優(yōu)化了資源配置，還提高了生產(chǎn)效率，為金隆銅業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型和持續(xù)發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。未來，物聯(lián)感知技術(shù)將在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用，為工業(yè)生產(chǎn)的安全與高效提供更多可能。

參考文獻

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