基于全网络结构的低压智能配电系统

孙宝华

（中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌 330038）

1 低压智能配电系统概述

传统低压配电系统包括低压配电系统和控制系统， 系统中主要电器设备为低压电器以及由低压电器组合而成的低压成套开关设备和成套控制设备[1]。传统低压配电系统存在诸多局限， 在操作性、 便捷性、安全性和可靠性方面仍有待进一步提升：1）普遍存在信息孤立的问题， 不同厂家的监控子系统无法实现互联互通，运维难度大。 监测数据不全面，无法实现实时监控。 2）日常巡检和维护需要投入大量的人力物力，而且事前无预警；事后查找问题及检修处理的速度慢等[2]。 随着智能配电系统技术的不断革新， 高级型智能配电系统关键技术研究已经取得了一定的突破，其中，智能化、网络化作为低压配电系统的未来发展趋势已经具备了成熟的条件， 未来发展空间巨大。

智能配电系统的系统结构主要包括硬件电路、软件系统、网络通信，这三者是提高智能配电系统的关键因素[3]。1）硬件电路。 传统低压配电柜电动机控制中心与电动机机旁控制单元的接线模式仍以控制电缆硬接线的方式为主。 这种接线方式接线工作量大，不利于维护。 2）软件系统。 传统电动机监控需要配套诸多I/O 模块和硬接线端子，系统设计复杂。3）网络通信。目前，国内企业所采用的传统电动机控制中心（MCC）与现场的连接还大都是通过电缆连接的方式进行现场信号的传递， 并没有实现网络一体化。有的产品虽然有带网络通信的现场操作面板，但它是与PLC/DCS 控制器进行通信，而不是与电动机保护器通信, 在控制系统未投入的情况下不能单机调试；有的产品虽然有可扩展的第二通信接口，但现场带通信的元件或设备往往存在价格较高或数据传输不稳定的问题。随着技术的进步，电动机保护器可采用的或可支持的网络协议越来越多， 包括MODBUS、PROFIBUS-DP，或直接采用工业以太网，因此建立一个基于全网络通信的智能配电系统的条件已基本成熟。

为此， 本文设计了一种基于全网络结构的智能电动机控制中心（iMCC），其主回路由断路器、接触器和电动机保护器组成。 该控制中心是以电动机保护器为核心，将设备网络技术、控制网络技术、通信技术融为一体。与传统电动机控制中心（MCC）相比，iMCC 具有接线简便、维护量少、信息化程度高等优点，顺应国家工业信息化战略，具有广阔的应用市场。

2 系统架构

根据生产检修的需求， 对于某台具有负载性质的电动机， 一般需进行两地控制， 即机旁控制和DCS/PLC 集中控制。 本次设计的低压智能配电系统具有全网络结构，为了实现两地控制目的，电动机机旁控制箱与智能电动机控制中心、 智能电动机控制中心与DCS/PLC 控制器均通过通信线缆连接，DCS/PLC 控制器又分别连接工程师站、操作员站和交换机。

电动机机旁控制箱采集现场控制指令和显示电动机工作状态， 智能电动机控制中心独立完成电动机控制，DCS/PLC 控制器接收工程师站和操作员站的控制指令， 并向智能电动机控制中心发送控制指令； 工程师站和操作员站则用于对电动机远程监控和可视化操作，并提供电动机故障预警与诊断。

电动机机旁控制箱设置有网络通信模块， 智能电动机控制中心配置具有至少两个网络通信接口的电动机保护器， 电动机保护器分别与电动机机旁控制箱和DCS/PLC 控制器进行通信。 其低压智能配电系统如图1 所示。

图1 基于全网络结构的低压智能配电系统网络拓补

低压智能配电系统包括：工程师站101、操作员站102、交换机103、DCS/PLC 控制器104、智能电动机控制中心105、电动机机旁控制箱106。 电动机机旁控制箱106 采用通信网络与智能电动机控制中心105 相连，用于电动机现场就地监控，具有采集电动机现场控制指令和显示电动机工作状态的功能，智能电动机控制中心105， 具备逻辑运算功能和可编程功能，能独立完成电动机控制，并通过通信网络与电动机机旁控制箱106、DCS/PLC 控制104 器相连,在数据传输上起到承上启下的作用；DCS/PLC 控制器104， 利用通信网络与智能电动机控制中心105和工作站相连；工作站（包括工程师站101 和操作员站102）采用通信网络与DCS/PLC 控制器104 相连，用于对电动机远程监控和可视化操作， 并提供电动机故障预警与诊断；交换机103，将系统运行的基础数据上传至能源管理系统服务器， 进行数据分析和处理。

由于传统的MCC、PLC/DCS 控制系统、 能源管理系统通常都是独立运作的， 相互的资源无法得到充分地交流或共享，造成资源的浪费或重复投资。通过上述低压智能配电系统， 可将MCC 配电系统、DCS/PLC 控制系统、 企业的能源管理系统相互连接并进行数据信息的共享。 配电开关、接触器、电能计量、故障信息、现场能源的仪表等参数都可进入后台数据库， 从而为企业构建一个整体的网络和信息架构，使电气、现场仪表、通信设备元件得以高效利用和信息共享。 这样建立的企业后台系统才是一个完整、丰富的，可以进行数据分析并得出决策方案的管理平台。

可以看出， 智能电动机控制中心在其中起到了核心作用。 1）智能电动机控制中心配置至少具有两个网络通信接口的电动机保护器， 所有的控制和保护功能都是中央处理单元室微处理器执行， 包括联锁功能、运行计算、诊断和统计数据以及自动控制级与电机回路之间的高性能通信等。 2）系统集成了电流互感器，可以检测电流，过流保护、过流报警、电流限制、On/Off 返回值检测信号，运行次数和时间的计算等参数都是以电流作为参考值。 3）与传统的电机控制回路相比， 智能电动机控制中心简化了电机的控制回路，减少了接线，相应地也减少了故障点。 4）单独的电动机保护器就可以实现控制和监视功能以及信号处理，不需要增加过载继电器、热敏电阻计算电路、电流互感器、模数转换等元器件。 这些功能的实现完全不需要控制电流接线。 起停开关直接接到基本单元的输入， 接触器线圈通过基本单元的输出控制，不需要互锁的辅助触点。DCS/PLC 控制器通过通信总线传送起/停指令至电动机保护器，电动机保护器把运行、停止、过载故障、过热故障、电流、电压、电量等信号通过总线传输至DCS/PLC 控制器。

3 方案实施

根据上述设计思路， 以某铜钴矿实施为例对智能电动机控制中心的具体应用进行分析。

某铜钴矿项目是集采、选、冶工艺于一体的大型铜钴资源综合利用项目，生产原料来自两个尾矿库，库内堆存的是某铜钴选矿厂排出的尾矿。 本项目拟采用水力采矿、两段搅拌浸出、高低品位萃取、电积提铜、沉钴的生产工艺从尾矿中回收铜、钴资源，选冶后的尾渣泵送至新尾渣库堆存。 铜湿法冶炼工艺包括浸取—萃取反萃取—电积3 部分， 构成3 个循环，见图2。

图2 铜湿法冶炼工艺流程示意（单位：g/L）

图3 低压智能配电系统的配电柜外观

由图2 可知，氧化铜矿中铜主要以孔雀石、硅孔雀石等矿物形式存在。 浸取时， 酸与铜矿石发生反应，使铜溶解进入浸取液，富含铜离子的溶液进入萃取作业，萃取过程中铜离子和萃取剂的质子交换，进入负载有机相，质子则进入萃余液，萃余液酸度重新提高后，返回浸出工序继续浸取铜矿石；富含铜离子的负载有机相则进入反萃工序， 将铜离子传送至电积贫液，重新获得铜离子的电积富液进入电积车间。在电积过程中，铜在阴极析出，阳极则析出氧气并产生等摩尔的硫酸。

根据该工艺流程，全厂设置泵站、过滤、洗涤、沉淀、萃取、电积、干燥等17 座车间变电所，分别对各工段的电动机进行配电和控制。 由于工艺介质为矿浆，需要大量的泵来作为输送动力，因此该厂低压电动机超过了1 200 多台。

电动机回路系统的典型功能有起停控制、 保护联锁、实时数据采集、参数设置、事件报警、各类曲线显示、故障报警、故障记录、设备机械信息、报表查询及打印和用户权限管理等功能。结合自动化、智能化的技术特点，低压智能配电系统模型主要由控制层、网络层和主站层三层结构体系组成。

1）控制层负责智能配电系统和配电设备的信息采集和控制，主要由接触器、电动机保护器、控制器组成。在控制室完成对电动机的在线监控，并发出相应的操作指令， 保证全厂生产系统安全可靠地完成起动、联锁、运行、停止等动作，必要时可以切换到手动状态，进行人为干预。

2）网络层为主站和终端之间提供良好的通信支持，应具有强大的通信和数据处理能力，为后台管理系统、 保护装置等各种智能设备提供接口和协议的转换以及数据处理功能， 实现不同系统的数据的透明传输。 网络层支持多通信口， 支持通信链路的冗余，支持光纤通信，并具备在强电磁场干扰、高湿度、高粉尘、腐蚀性气体等环境下正常工作的性能。

3）主站层要求满足稳定、开放、灵活的原则。 为保障整个集中控制监控系统的稳定、可靠运行，主站层根据采集数据和共享信息对智能配电网进行监控、分析决策，并提供人机交互界面。 主站层负责与智能电动机控制中心、 具备通信接口的智能设备的实时通信，对整个厂区的设备运行情况、电能质量情况进行在线监控，并实现相关的分析、统计和诊断功能。

这种以主站为核心、终端为底层、通信网络为神经的控制系统，可实现故障的快速处理，风险和隐患的识别及消除。 该项目低压智能配电及信息管控系统的配电柜外观如图4 所示。 其结构紧凑， 布局合理，采用标准化元件方案，具有独有的二次走线通道，有效保障了智能方案通信的高质量； 没有过多的残余布线，整体简洁明了，易于维护，非常适合智能化低压智能配电系统的现行发展要求。 用户反馈该配电系统数据通信可靠，控制时效性强，故障率很低。

3 结论

综上所述，传统电动机控制中心（MCC）多采用硬接线的模式， 且带通信的元件或设备普遍价格较高。采用基于全网络结构的智能配电系统设计，电动机机旁控制箱与智能电动机控制中心直接采用通信线缆相连接， 不仅可以降低带通信接口的元件或设备的成本造价， 其智能化网络结构采集的数据量是传统硬接线模式难以企及的。 所有数据在此网络中自由交换和分析融合， 有效提高了对全厂用电设备控制的稳定性和性能性， 成为电气控制的一个重要方向。同时，因为对传统电缆连接的方式进行了减量和优化，智能电动机控制中心（iMCC）在后期维护上也具有较大优势。工程应用实践也表明，基于全网络结构的低电压智能化配电系统有效改善了传统低压配电系统的诸多问题，在降低工程造价、减少运营维护成本、提高集成度和兼容性、提高系统稳定性、降低调试维护工作量等方面具有积极意义。