0 引 言
目前,低壓開關柜廣泛使用各種電氣邏輯控制和微機數字設備,實現遠程測控、調節和信息查詢。遠程測控中包括遙測、遙信、遙調和遙控等操作,“四遙”已成為智能型低壓開關柜中基本和必備的功能。
一級配電設備動力配電中心( PC)低壓開關柜和二級配電設備電動機控制中心(MCC)的低壓開關柜,在智能化方面有以下基本要求: ①智能裝置與通信管理中心(CCU)之間建立數字通信連接和信息交換控制管理, CCU與上位監控系統之間也建立數字通信連接和信息交換控制管理; ② 對進線、母聯等重要斷路器按備自投(BZT)的電氣邏輯要求實施投退操作; ③上位系統可通過信息管理通道發布對電動機的起動、變速、停運及重起動等控制命令,還可獲取各種運行參數及狀態信息; ④全系統的工況包括電力系統的實時與歷史運作數據。通過人機界面(HM I)實時地反映給操作者。
在實際運作過程中,由工控設備和開關設備組合實現“四遙”前端操作,邏輯控制和通信管理由PLC實現,人機界面則作為人機對話單元。
本文對如何利用ABB 的工控元件組建智能化低壓開關柜的相關技術進行探討,并對PLC中相關的程序過程進行適當的描述。
1 主要工控元器件
(1) EM-Plus是ABB的電力智能儀表,它一般用于0. 4 kV的進線回路。
(2) EM一般用于低壓母聯和低壓饋電回路的遙測。
(3) RSI32 /RCM32 /RCU16用于低壓饋電回路的遙測、遙信和遙控。
(4) M102-M和M102-P電動機測控綜保單元。用于Modbus總線和Profibus-DP總線。
(5) AC31系列PLC的主機07KR51用于建立邏輯控制和RS-485 /Modbus信息交換。
(6) ABB的AC500系列PLC PM581-ETH用于構建通信管理中心。
2 PC的智能型低壓開關柜
一般低壓開關柜采用繼電器建立電氣邏輯控制關系,它存在繼電器較易損壞、觸點抖動、線路復雜和數據發送困難等問題。利用PLC能夠徹底地解決上述問題。解決的要點為: ①建立總線系統,解決“四遙”前端信號的采集、傳遞的通道問題; ②利用智能儀表采集各種電參量,各種數字信息通過通信總線傳遞給上位電力監控系統;③系統中設置手動和自動操作模式,方便操作控制; ④ 控制程序對所采集各種電參量進行解讀、分析和處理,除供自身使用外,還可將各種信息加上SOE時間標簽后發送給上位系統; ⑤利用PLC可建立冗余的控制邏輯、總線體系和通信管理,提升了系統的智能化及可靠性。
2. 1 三進線兩母聯智能型低壓開關柜固件配置
三進線兩母聯低壓系統(見圖1)各路進線回路和母聯回路采用萬能式斷路器,進線回路的電力儀表采用EM-Plus,母聯回路的電力儀表采用EM。QF4的邏輯控制單元采用07KR51,其余斷路器的邏輯控制單元采用ICMK14F1。
在每段母線中配套安裝了多路塑料外殼式斷路器饋電回路和1套電容補償開關柜。饋電回路的信息采集裝置為RSI 32、RCM 32和RCU 16,電容回路的測控儀表采用RVT。饋電回路監測開關和保護動作狀態及單相輸出電流,執行遙控分閘操作。
系統中配置了發電機進線斷路器。當任兩路市電失壓時起動發電機對系統供電;當兩路以上市電恢復后則由市供電,同時關閉發電機。發電機的起停由備自投程序負責。
在開關柜的母聯回路中安裝了CCU及HMI等設備。其中,邏輯控制單元為07KR51,通信單元為07KP53, CCU為PM5812ETH, HM I為CP450-ETH。上位電力監控系統需要采集開關柜中的所有信息,并通過以太網與CCU交換信息。
開關柜內的總線采用RS-485 /Modbus-RTU接口和規約。
2. 2 系統控制電氣邏輯說明
I段進線接線如圖2所示。QF1 的D I/DO信息接入遠程單元ICMK14F1中, KC和KO為合閘與分閘出口繼電器。
PLC的工作電源由3套市電進線端經繼電器互投構成的WK工作電源。建立WK工作電源的目的是防止因為某段進線出現失壓而使PLC系統掉電。
EM2Plus的通信接口接入COM3 /COM4 環形通信總線,而遠程功能擴展單元ICMK14F1的通信接口則連接到07KR51的CS31總線。
2. 3 現場通信網絡
系統中配置了2套命名為1CCU和2CCU的07KR51和07KP53組合。1CCU的COM2 設置為RS-485 /CS31 總線接口, 速率為187. 5 kb / s。COM2 連接遠程擴展單元ICMK14F1,由此將6臺斷路器的自動操作互相關聯起來。現場通信網絡如圖3所示。
常態下BZT將COM3 設置為主用,而COM4設置為備用,故COM4 處于高阻態,此時的環狀總線實質為起始于COM3 的鏈狀總線;當BZT偵測到COM3 發生通信故障后,立即將COM3 設置為備用,同時將COM4 設置為主用,這樣,環狀通信總線變為起始于COM4的鏈狀總線;當通信回路的中間某處發生斷路時,BZT還可將COM3 和COM4同時設置為主用,形成兩條分別起始于COM3 和COM4 的鏈狀總線與子站交換信息。
07KR51與智能裝置之間的通信速率為19. 2kb / s,而07KR51與PM5812ETH之間的通信速率為0. 96～750 kb / s。
電力監控系統在以太網上用Modbus-TCP從PM5812ETH中獲取數據定義表。
2. 4 BZT軟件功能
BZT的互鎖邏輯是以電力系統狀態的方式隱含的,BZT依據電力系統的狀態進行斷路器的投
退操作。BZT程序流程如圖4所示。
2. 5 PM5812ETH與人機界面CP4502ETH
PM5812ETH 通過COM2 通信接口與HMICP450-ETH連接起來。
在HM I中,操作者可讀取所有被監測的遙信、遙測和遙調參量,并可執行遙控操作。
3 智能型低壓開關柜
MCC與PC相比,有如下不同: ①MCC的重點在電動機綜保單元MCU與CCU的信息處理和信息交換上; ② 在MCC的通信組網中更加注重于MCU與CCU的快速信息傳輸。
利用ABB 的M1022M電動機綜保單元配套PLC和HM I,按Modbus總線方案構建MCC的智能化系統。
3. 1 固件組成
3. 1. 1 M1022M的標準接線
在MCC型低壓開關柜中通常配置了數百套電動機回路。其中M1022M的RS-485通信接口數量為2 套。M1022M采集系統的輸入電壓、輸出電流和零序電流等參量,還采集斷路器、接觸器、外部互鎖接點等遙信參量,M1022M據此獲取了表征電動機運行工況的全部信息資料。DCS系統可經過通信管理中心CCU獲取這些信息資料,還可對電動機實施遙控操作。
3. 1. 2 使用Modbus總線的網絡結構
系統有上位監控系統、通信管理中心和MCC開關柜現場3個工作層面(見圖5) 。
(1) 上位監控系統。包括過程控制系統DCS和變電站電力監控系統SCADA。
(2) CCU。其任務是,將來自現場層面的各種數據打包傳輸給SCADA和DCS,同時,將來自SCADA和DCS的控制信息發送到相關的MCC開關柜現場。CCU的主要部分由PM581-ETH及其附件構成。AC500 的以太網通信模塊CM577-ETH具有1 套RJ45 接口, 通過該接口PM581-ETH與SCADA 和DCS交換數據, 通信協議是Modbus-TCP,傳輸速率為10 Mb / s。上位監控系統在以太網上通過IP地址區分MASTER-CCU和SLAVE-CCU。HMI通過PM581-ETH的本體以太網連接到MASTER-CCU和SLAVE-CCU。
(3) MCC開關柜現場。其任務是,建立冗余的信息訪問通道,通過對MCU單元的循環訪問使CCU獲得所需信息。
3. 2 CCU與MCU之間的訪問機制描述
常態下CCU 與MCU 之間的訪問是通過MASTER2CCU通道進行的。
平時MASTER-CCU與M1CCU進行正常的數據交換,經過交換獲得的數據在MASTER-CCU中打包保存。在常態下,MASTER-CCU中的正常工作標志NORMAL 有效, SLAVE-CCU 檢測到MORMAL有效后,定時從MASTER-CCU 的數據區中獲取數據來更新自己的數據區。
CP450-ETH也不斷檢測MASTER-CCU 的狀態標志NORMAL 是否有效,在NORMAL 有效的狀況下,人機界面從MASTER-CCU中獲取信息并形成各種功能界面供操作者使用。
當MASTER-CCU發生故障時NORMAL = 0,則SLAVE2CCU 啟動相關進程與S1CCU 交換信息,并且從S1CCU獲取M1022M的數據。人機界面的交換信息也發生類似的變更; 若MASTER-CCU死機,則必須由上位系統對SLAVE-CCU 發布啟動命令。
當MASTER-CCU 故障解除后, SLAVE-CCU在偵測到NORMAL = 1 后立即執行更新MASTER-CCU的數據區的操作, 之后MASTER-CCU重新開始執行管理中心工作,系統恢復為原狀態。
在正常工作狀態下,若M1CCU 與某路MCU的通信發生故障,則系統將自動記錄該MCU的地址數據, 然后從SLAVE-CCU /S1CCU 通道與該MCU建立信息交換通道,并將信息傳遞給MASTER-CCU的對應數據區中; 同時MASTER-CCU和M1CCU中都將出現報警信息,DCS/SCADA能根據報警信息得知故障原因及當前通信狀態。
MCC開關柜的Modbus總線方案2程序流程如圖6所示。
4 結 語
本文描述了如何利用ABB 的工控產品構建MCC低壓智能開關柜的智能化系統,簡要地介紹了系統的網絡結構和通信機理。
MCC智能型低壓開關柜與PC智能型低壓開關柜在組建通信系統方面有很大的不同。當PLC應用在MCC智能型低壓開關柜中時,低壓開關柜對PLC組件的要求如下: ①在MCC開關柜中,主要利用PLC強大的通信功能,而對D I/DO等信息幾乎無需求; ②在MCC開關柜中,一般都要求建立冗余的通信網絡和冗余的主從通信控制機制。
：鞏經理
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