现场总线应用伴随智能化电器发展
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西安高压电器研究所 任稳柱现场总线在高压开关设备中的应用是伴随着智能化高压电器的发展而发展。高压电器智能化是指高压电器能实现人工智能的过程，即高压电器设备应具有灵敏准确地获取周围大量信息的感知功能，其次具有对获取信息的处理及对处理结果判断能力；最后还具有对处理结果的再生信息的实施及有效的操作实施功能。一、智能化高压开关设备优势智能化高压开关设备应具有传统电器难以实现的特点：1)高压断路器等一次元件在线监测·动作次数。记录合、分次数，逾限报警。·开断电流加权累计，即统计∑Iα值。·合、分闸线圈电流波形监测。·合、分闸线圈回路断线监测。·监测行程及合、分速度。·弹簧机构的弹簧压缩状态，电动机工作时间。·气体断路器的内压力。·母线联络处的异常温升报警。2)微处理机控制测量技术a)数字化监测控制技术。传统的电磁式检测、保护技术由于性能差、特性不一致，体积大及成本高，已经无法适应现代配电自动化发展需要，必须将计算机技术引入到监控、测量与保护中。b)功能一体化。以往传统的机电式和模拟集成电路式二次系统所具备的功能，微处理机可以很方便地实现，还可以将计量、保护、控制、通讯与故障记录功能集成一体。c)控制、保护智能化。智能化开关可以根椐电网和被控对象的运行状态进行智能控制。d)网络化。比如将每一个开关柜智能化单元的通讯接口与调度室计算机相连，就可构成变电站综合自动化系统。智能化高压开关设备可实现以下功能： a)“遥信”→可以实现对断路器开关的合闸状态、分闸状态、储能状态、工作位置指示、试验位置指示及接地开关分和状态等； b)“遥控”→可以实现对断路器开关的合闸、分闸、储能等远程控制；
c)“遥测”→可以实现对断路器回路的电流、电压、频率、功率因数、有功功率、无功功率、有功电度、无功电度等电力参数远程测量。近十年来，信息技术领域的飞速发展，带动工业现场总线产品技术极大提高。从工业现场总线的概念来说，其覆盖的领域极广，包括上层的计算机管理系统、控制系统、工业机器人、工业现场执行机构和传感器等。现场总线是连接智能化现场设备和控制室之间全数字化、开放的双向局部通信网络。现场总线种类很多，比较有影响的有：CAN、Lonworks和Profibus等。它们各有特点和优势，在不同领域有不同的应用价值。高压电器设备也不例外，要实现这些智能化的功能就需要现场总线进行通信。二、智能型高压开关设备高压开关设备的智能化不仅可以进行在线检测、运行状态监视、控制和保护以及趋势分析和判断，而且需要进行智能化操作（可控操作）。当前对高压断路器在线检测主要有以下几项内容：1） SF6气体参数（压力，密度，水分）2） 操作机构系统 3） 脱扣器和脱扣回路 4） 控制和辅助回路 5） 动力传动系统。通过这些检测，技术人员可以发现90%以上的故障。高压开关设备主要是气体绝缘金属封闭式组合电器（GIS），对于GIS的诊断，主要以下三项内容：1） 检测电弧放电，用光电检测器确定电弧在气室的确切位置 2） 监视SF6气体，用传感器监视温度、压力和密度，及时掌握气体状态 3） 测量局部放电，检测方法有电磁式和光电式等。在线检测有很大优势。已通过连续检测，确切了解运行情况，可以通过趋势分析，识别存在的故障，从而采取必要的措施，改以往的“定期检修”为“状态检修”，提高设备的利用率和节省维修费用。 一次设备和二次设备一体化的高压开关系统。部分户外插接式智能型组合电器，取消了传统的控制电缆利用插接式的复合光缆传递光信号，同时还配置就地布置的微机保护测控柜，此外还包括一次设备和二次设备一体化的高压开关系统。其布置紧凑，可动元件少，结构简单可靠，大大减小占地面积（50%左右）。采用智能传感器，实现智能化，在线检测，站内微机监控和无人值守，受到用户的欢迎。我国也在积极开发具有智能保护和测控功能的产品，西安西开高压电气股份有限公司与南京南瑞继保电气有限公司合作开发了具有智能综合保护和测控功能的GIS。这就是说在GIS一次设备的基础上，对其二次设备增加了保护功能、测控功能以及检测断路器运行状态的在线检测功能。新型具有智能保护和测控功能的GIS，在保证和提高高压开关设备测控及保护的可靠性、安全性原则下，运用了计算机技术、数字技术、网络技术、微电子技术将变电站中控制室的测控、保护功能置入GIS就地控制柜中，减少了电缆的敷设及传输线路。同时为GIS研发了新型的连锁装置，使用软件编程代替原有的开关接点连锁；用液晶触摸显示系统一次主接线形式可方便地实现就地操作控制，简化了电气回路；且在通讯方面配有高速线现场总线及以太网通信连接，大大简化了开关设备的二次控制回路。三、智能型中压开关设备中压开关设备应有这样几方面的智能功能：1、增加控制和保护功能。使用先进的集成电路技术，将这些功能模块安装在数字式继电器内，应该便于用计算机或直接在柜前对继电器或综合保护装置进行功能设置和查询操作。2、多种测量功能，运行人员可随时从液晶屏上读取各种运行数据或下载，省略了许多传统的仪表。3、具有故障诊断功能，如判断线路侧故障类型，有效的控制断路器或分段器的重合闸操作。在线监测，预先发现故障隐患，使设备得到及时修理，变定期维修为状态维修，节省维修时间和费用。4、继电保护装置的自监视功能，当装置本身出现无法消除的故障时，应立即推出运行并发出警告。5、可存储若干次故障时的电压、电流波形以及断路器动作情况的资料。6、可通过电缆或光缆与SCADA进行通信，实现运动或计算机集控。7、新型真空断路器的电子装置通过三个模块实现所有功能。它们是：主控制模块、I/O模块及通信模块。 主控制模块包括电源部分和对断路器进行操作的电容器储能单元，还包括罗柯夫斯基线圈模拟信号的输入及信号的模数转换单元。主控制模块的心脏部分是控制单元，主要靠微控制器来控制。其功能是：开关柜的控制、电流的测量、保护、监视、信号发出以及系统的自诊断。采用输入与输出和通信方式进行数据交换。 二进制输入/输出模块（I/O）包括16路输出，可与传统的继电器联接。 通信模块完成Modbus/RTU协议，有两种不同的接口（RS485或光纤），供与SCADA系统通信。国内西高所最新研发的XGN46-40.5型充气柜也采用了现代数字技术与软件技术。控制和保护单元具有保护、测量、通信、监测、故障录波和事件记录等功能。通过该单元，监测断路器、三工位隔离开关的工作状态及充气壳体的SF6气体压力；控制断路器和分闸和三工位隔离开关操作，实现断路器、三工位隔离开关的电气连锁；测量线路电流、电压、能量、频率等参数，记录故障信息；取代常规二次侧的继电保护，实现智能化。永磁机构真空断路器和同步开关 真空断路器因其高可靠性、免维护和安全性等特点，多年来在中压开关领域保持领先地位。永磁操动机构是近几年正在发展的一种新型操动机构，它利用永久磁铁产生的磁力将真空断路器保持在分、合闸位置，而无需任何传统机械脱扣、锁扣装置。它具有机构零部件少，结构简单，使断路器动作的可靠性大大提高。二次控制回路采用电子控制模块，动作迅速并可以实现精确时间控制，电源输入范围宽，传感器检测开关位置，输入输出用光耦隔离，功耗低，可靠性高。由于全面提高可靠技术，使 永磁机构真空断路器成为真正意义的免维护智能化断路器。永磁机构的智能控制装置，将保护功能和控制部分综合在一起，减少了传输接口，提高了抗干扰能力，可以通过现场总线检测开关的位置，可以实现速断过流速断保护、定时限保护和欠电压保护等功能，同时还可以通过PC机，对断路器的一些参数进行重新设定和配置，包括通信的设置、输入输出的设置等，提高了系统运行的可靠性和安全性。图1 断路器的电子装置结构图 相控开关技术也称同步开关技术， 1990年代中期后相控开关迅速走向实用化并取得了令人满意的效果。相控开关技术实质上就是通过控制断路器合分闸时电压或电流的初相角，在电压过零时刻关合；控制断路器分断时的燃弧时间，使得在电流过零、电弧熄灭时触头间隙能承受系统恢复电压，从而减小乃至消除相关的电磁效应。目前已成为智能化电器的研究热点之一。断路器合分闸时所产生的涌流和过电压等暂态冲击不仅对断路器本身与用户设备产生危害，还会引起继电保护装置误动，甚至危及电力系统稳定。上述暂态特性与分合闸时系统的初相角密切相关，通过控制断路器合分闸时参考电压或电流的初相角，不仅能够有效地削弱相关电磁效应，而且可以省掉合闸电阻、合闸电感或避雷器等辅助设备，降低系统成本。 同步开关中的信号采集及智能控制都离不开现场总线技术。 煤矿井下智能电器 目前我国煤矿井下中央变电所一般都装设有智能综保装置及通讯处理机，具备实现自动监控的前提。为实现井下中央变电所的自动化，要求既要实现地面远方集中监控，又要实现在井下进行就地集中监控。通讯处理机通过CAN总线与井下中央变电所各高压柜中的微机保护装置通信，收集各高压柜的遥测、遥信信息，并下发遥控命令。系统的硬件组成如图2所示。图2 系统结构图四、智能化箱式变电站箱式变电站是一种由高压开关设备、电力变压器、低压开关设备、功率因数补偿装置、电能计量装置组合为一体的成套配电装置。智能化箱式变电站是以智能化设备为基础，以现场总线为核心的智能化系统。该系统及遥测、遥控、遥信、遥调、故障识别、隔离、恢复为一体，与前段设备实现一体化分层设计，实现箱变无人值守功能。智能化箱变作为配网系统的一个节点，通过以太网络与上级主站构成环网，可实现城区配网智能化，是箱变智能化功能得到更有效延伸。箱变智能化系统由分布式智能化总线设备组成，是配网智能化系统中的一个子系统。智能箱变为采用现场总线技术将具有通讯能力的元器件(从站)与之连接，从而实现主站通过总线对开关、电网的远程测量、调节、控制、通讯；或采用智能控制仪对高低压侧进行本地或远程的测量、调节、控制、通讯。智能化箱变系统如图（3）所示。 图3 智能化箱式变电站流程图五、高压开关设备在线监测系统高压开关设备在线监测与故障诊断系统是集传感、微电子、光电、计算机、通讯、网络和信息等高新技术与传统的高压开关技术结合的综合性、跨多学科的—项新技术。电气设备的在线监测和故障诊断是其智能化的基本手段，起源于20世纪70年代。经过几十年的发展，现代高压开关设备的监测功能正日趋完善，它由信号变送系统、数据采集系统以及处理和诊断系统构成。高压开关设备常见的监测内容可归纳为绝缘性能监测、机械性能监测和电气性能监测三部分，具体包括：通过检测开断电流和燃弧时间这两个影响触头磨损量的主要参数来判断触头的电寿命，通过检测关键部件的机械振动、合／分闸线圈电流和电压的波形变化、控制回路通断状态以及操动机构储能完成状况等信号来判断断路器的机械故障，近年来发展起来的采用UHF电磁波来监测绝缘状态，应用感温元件或红外线技术来监控载流导体及接触部位温度等。这些监测与诊断技术的实际应用可实现高压开关设备的状态检修及智能化控制。 下面介绍一种基于现场总线端子及总线耦合器的高压开关设备在线监测与故障诊断系统。 系统结构在间隔层就地设置控制子站，由现场总线端子和总线耦合器构成故障检测与监控模块，取代现行的通信管理机。总线耦合器不仅具有处理站级与间隔级各控制设备之间的通信功能，而且具有逻辑控制功能，可以适配任何目前使用的总线协议，如Profibus 、Canbus、 Modbus、以太网、电话拨号等。在每个子站上配置相应的数据采集端子，并将间隔层的设备控制信号，如开关的分、合，储能机构的各种信号、刀闸的分合操作、变压器及其冷却系统的各种信号等连接至相应的采集端子上，用于现场信息的采集。对每个子站所需要控制的逻辑功能进行编程（包括刀闸与开关之间、刀闸与刀闸之间的各种复杂的闭锁功能），并下载至耦合控制器。每个子站通过总线 连接起来并连接至控制主机，并通过MIS系统或因特网实现远程监控。 CAN总线在电力设备在线检测中的应用。CAN总线是国际上应用最广泛的现场总线之一，虽然CAN协议迄今已有15年，但是它仍然在发展完善，即使是保守的估计也表明在今后的10～15年这种总线系统有更大的增长。CAN总线已经形成国际标准，并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。1）CAN总线在电力系统自动化技术中得到广泛的应用。CAN总线通讯单元为通用的通讯模块，嵌入到检测系统中可以完成变电站各种不同电力设备检测系统的通信任务。下面以变电站电力设备综合检测系统为例介绍CAN总线的应用。本系统中，检测对象为一回母线上的2个避雷器、2个高压断路器、2个互感器、1个变压器以及1根电力电缆，这8个检测节点组成的CAN总线通讯拓扑结构图3所示。图4 CAN总线拓扑结构图2）现有高压开关柜监测单元的核心一般采用单片机（MCU），其处理能力有限、存贮空间很小，只能对数据进行简单的处理和存放少量的历史数据。为了存放大量的历史数据以便对已有的数据进行复杂的处理（如寿命评估、故障诊断等），也为了对电力系统运行状态进行远程检测和诊断，有必要使监测单元具有通讯能力，把需要的数据上传给PC机。同时为了对分散的监测单元进行维护（如单元是否正常工作，阈值下载等），监测单元也有必要具有通讯能力以使PC机能够实时监控监测单元的工作情况以及对它们进行阈值的下载。
CAN作为一种有效支持分布式通信的现场总线，能够完成现场监测单元与管理设备之间的数字通信，沟通现场监测单元和更高管理层网络之间的联系，真正做到“分散处理，集中管理”。监测单元监测的主要内容有：①母线温升：测量断路器三相进线和三相出线的电连接处温升；②泄漏电流：测量三相环氧套管的泄漏电流；③机械数据：通过对断路器分、合闸线圈电流和动触头行程的测量并进行数据处理，得到动触头行程、分合闸时间、分合闸速度、平均分合闸时间和平均分合闸电流。通讯模块的主要功能就是当测量的这些数据异常时，主动上传异常的数据，当测量的数据正常时就等待PC机有请求时上传这些数据。同时监测单元还通过通讯模块接收PC机的参数下载（如阈值等），并对PC机的下载进行响应!回答下载成功与否信息。一个完整的接收发送流程见图5。图5 接受发送流程图整个系统使用CAN总线将每个故障检测单元模块和监控计算机连成分布式结构的现场控制网络。由现场总线端和总线耦合器构成的故障检测单元模块采集开关柜的信号数据，通过现场总线送至监控计算机单元，建立高压开关柜运行数据库。监控计算机单元采用工业控制机配CAN总线通信接口卡组成，它接收故障检测单元模块发来的数据,经计算机数字信号处理得出高压开关柜的各个参数,显示各种参数和波形,打印报告,分析和诊断得出高压开关柜的工作状态。CAN总线通信接口卡完成ISO/OSI参考模型中的物理层和数据链路层两层功能,如数据打包、拆包、发送、接收、校验、编码、解码等,用户只需开发应用层和用户层的相应软件即可, 它使工控机能方便地连接到CAN总线上。CAN作为一种有效支持分布式通信的现场总线，具有高的可靠性和实时性，同时又有简单、易用以及性价比高的优点，因此选择CAN作为监测单元通讯模块的解决方案。采用CAN总线作为高压开关柜监测单元通讯模块的解决方案取得了良好的效果。CAN总线也有其自身的缺点。因为针对电力设备在线监测参量而言，存在很多种数据量非常大的监测参量，如绝缘局部放电的监测。在进行电力设备绝缘局部放电在线监测时，因要求其采样率非常高，这就决定了采集到的数据量非常大（多达几兆字节或几十兆字节），并且监测系统又希望把采集到的原始数据特别是故障波形数据上传给上位机以便能够实现更为复杂的算法和诊断。但是CAN总线在一次的报文发送中，只能传输8个字节的有效数据，这对于大量数据的传输就显得力不从心。另外，CAN总线随着传输距离的加大，带宽迅速下降。六、容性设备与避雷器在线监测系统 该系统适用于35kV及以上各电压等级高压电气容性设备与避雷器的绝缘在线监测 。系统框图：图6 系统框图系统特点
☆ 与电力设备一次及二次系统完全隔离，不影响系统运行接线方式，绝对保证系统设备及运行的安全；
☆ 现场数据采集装置按照设备的分布位置进行分布式就近安装，采用高抗干扰性能的现场总线进行数字化通信，安装方便，测量稳定、准确，而且工程量小，只需一根信号电缆传送信号；
☆ 严格的同步测量机制，保证所有设备的测量同步时差1微秒，为不同设备间的横向比较提供了基础；
☆ 提供简便的现场校准系统，保证测量系统的稳定性；
☆ 积木式结构，可根据现场实际情况分布实施，扩展方便；
☆ 分布式网络化设计，在办公室即可全面的了解变电站内高压电气设备的状态；
☆ 诊断系统采用趋势判断和相互比较相结合，更准确地反映设备状态 七、高压强电流试验室
高压强电流试验对高压开关的开发至为重要。为了能够加快产品开发，各大公司都在加强和扩大它的强电流试验基地。高压强电流试验室一般配置有最新的测试、控制和监视技术以及最现代化的测量数据处理设备。监测系统中也会用到多种现场总线和其它通信方式。八、结束语现场总线是一种互连现场智能化设备及其控制系统的双向数字通信协议。一个现场总线系统可以看成是一个由数字通信设备组成的安全分布式系统。实际上现场总线设备就是一种计算机网络，这个网络上的每一个节点就是一个智能化设备。现场总线采用的是完全分散体系，他的控制单元全部分散到现场，控制回路由现场设备实现，在现场总线中有同时允许在控制室中用数字通信的方式进行操作与调整。随着智能化高压开关设备的发展，现场总线技术在其中的应用必将会越来越多，越来越完善。[1]