工业配电系统现代化经验

M工业配电与自动化系统现代化——经验教训

塔引塔言化学北美公司（TCNA）在怀俄明州格林河运营着全球最大的天然碱开采和加工设施之一。

天然碱是纯碱最常见的来源，纯碱用于制造玻璃、化学品、纸张、洗涤剂和纺织品。美国生产的几乎所有天然纯碱都来自怀俄明州这一地区的天然碱矿层。

TCNA工厂建于1968年，拥有一个庞大的13.8千伏工业配电网络。2015年，TCNA开始研究对其为将天然碱原料转化为各种成品的工艺提供电力的配电网络进行现代化改造。

TCNA地表工厂通过多步骤的连续工艺将天然碱矿石转化为纯碱。首先，天然碱矿石被破碎和筛分以准备加工。破碎后的天然碱在窑炉中加热，将矿石转化为粗碳酸钠。然后加入水溶解碳酸钠，并对浆料进行过滤以去除杂质。接着从净化后的溶液中蒸发水分，形成纯碱晶体浆料。浆料中剩余的水分通过离心机从纯碱晶体中分离出来。纯碱晶体随后在旋转干燥机中干燥并筛分，形成最终产品。由于这一连续工艺的特点，设施中任一区域的电力故障都可能导致整个工艺中断。除了造成产量损失外，断电后清理设备并重新启动生产的过程也非常耗时。因此，电力可靠性对TCNA的成功至关重要。

TCNA设施处于恶劣环境中。温度极端，通常风力较大，且纯碱溶于水后具有很强的腐蚀性。这些因素共同作用，加速了配电设备、电缆和电子元件的老化和故障率。

现有设计

现有的工厂配电网络由两个主13.8千伏开关设备组成，由一个公用电源和两台现场发电机供电。

原始网络设计采用从主开关柜到各负荷中心的双辐射馈电，通过手动切换。馈线电缆敷设在开放式电缆桥架或导管中。运行过程中，当一路电源发生停电时，工厂操作员需前往各个负荷中心，将其切换至另一路电源。（图1）

现有设计中的负荷断开式配电点开关位于距地面约80英尺的高处，操作人员需借助升降平台进行设备操作。此外，纯碱积聚使得连接部位难以打开。由于这一安全问题，开关只能在断电状态下操作，这需要关闭工厂更大范围区域的供电。

设计目标

13.8千伏配电网络的现代化改造旨在降低向工艺负荷中心供电时发生电力中断的可能性和持续时间。简而言之，TCNA希望构建一个弹性配电系统。新的配电网络具有四个主要设计目标：冗余、自动化、设备高效利用以及与工艺运行集成。

随着时间的推移，设备将会发生故障。由于无法避免设备故障，因此新配电网络的冗余成为主要目标。每个负荷中心都需要能够接入多个电源，并在停电事件发生时安全、快速地进行切换。此外，任何单台设备的故障应仅影响一条馈线。

手动切换负荷中心所需的时间通常意味着在恢复完成之前工艺过程就会中断。因此，实现故障识别和负荷恢复自动化被确定为一个目标。简而言之，配电网络应尽可能实现自愈。

通过无限资金来实现弹性配电网络相对简单。本项目面临的挑战是通过最大限度地减少设备、电缆、人力和未来维护的需求，实现高效的设计。这一目标意味着要使所使用的每台设备具备更多功能。

最终目标是将配电信息集成到工厂过程控制系统中，但不会使已十分复杂的控制系统负担过重。这意味着需要确定对操作人员有帮助的信息，并以与其余工艺控制相集成的方式提供这些信息。

所有目标均以安全为指导。每个设计目标和实施策略都以安全为首要目标。这意味着在做出选择时，会客观地评估这些选择对提升TCNA人员安全的作用。

安全性设计和四项设计目标推动了设计决策。设计本身被划分为三个 distinct 领域：物理、保护和通信。每个领域的设计选择通过矩阵分析，以确定最符合设计目标的配置。

物理设计

物理设计以从主开关柜到每个负荷中心的13.8千伏连接为核心。现有设计由多条辐射馈线组成，分别连接至各个负荷中心。本次升级项目提出了两种设计方案：改进型辐射设计和环网设计。改进型辐射设计与现有安装的设计类似，但在每个开关处增加了可选的自动化功能。环网设计（图3）由两个主开关柜之间的一条主13.8千伏环网构成，并通过环网供电的配电中心（PDC）以辐射方式向各个负荷中心供电。请注意，下图显示了这两种不同的设计，但并未展示全部24个负荷中心或三个PDCs。

最初的方案是采用切换式径向设计，因为该设计与现有设计相似，在工程建设和设施空间利用方面具有一定的简便性。但这种设计的缺点是使自动化更加困难，限制了可提供给运行操作的信息量，并且冗余程度较低。此外，还希望将设备安置在气候控制建筑内，以创造更优的设备运行环境。这些因素促使TCNA选择了环网方案。

系统保护

保护功能和方案的选择旨在有效检测故障，隔离相关设备，并恢复对网络其余部分的供电。环网在每个配电中心使用开关设备来控制并向各个负荷中心分配电力。这种集式设计使得多种保护和监控技术能够以经济的方式应用，包括方向过电流、差动和电弧闪光保护。此外，继电器及相关简单的SCADA计算机实现了对每个负荷中心的全面电力监控和控制。这些措施共同最大限度地提高了人员安全，并简化了从设施内任何位置对系统的控制。

继电器配合

保护继电器均通过以太网使用IEC61850标准相互连接。IEC61850‐8‐1提供了一种称为GOOSE的功能，即不涉及SCADA的继电器间通信。GOOSE是通用面向对象系统事件的缩写，是一种用于在智能继电器之间快速传输时间关键信息（如状态变化、闭锁、释放或跳闸）的服务。

IEC61850 通信根据 ISO/OSI 层采用分层结构，包括以太网（第1和第2层）、TCP/IP（第3和第4层）以及制造报文规范 MMS（第5至第7层）。对象模型及其服务被映射到 MMS 应用层（第7层）。只有时间关键型服务，如采样值（SV）和 GOOSE，才直接映射到以太网链路层（第2层）。

该设计通过在主环路中使用方向继电保护，并结合简单的故障检测、隔离与恢复（FDIR）逻辑，实现了更高水平的选择性。具体而言，继电器监控SCADA利用继电器的故障数据，自动隔离损坏的电缆，并在不到一秒钟的时间内恢复环路供电。

该继电器方案还实现了利用母线闭锁技术的零成本快速母线保护方案。每个继电器共享其高速方向性（正向和反向）的状态

通过GOOSE传输过电流元件信息。

主断路器上的继电器利用该信息判断故障位于开关设备内部还是外部。如果故障在内部，则无延时地跳闸所有断路器；否则，允许各个继电器根据其时间‐电流曲线进行跳闸。

工作原理是：当检测到至少一个反向（REV）元件且没有任何正向（FWD）元件处于待命状态时，使所有相关的断路器跳闸。

如果发生穿越性故障（例如馈线故障），相关继电器的独立 FWD仅动作跳开其自身的断路器。

高速母线闭锁方案通过专用的光纤弧光检测系统得到增强。该系统检测到弧光闪络事件后，可在 <2.5毫秒（ms）内使主断路器跳闸。主断路器上的继电器随后通过GOOSE信号跳开所有馈线。结合三周波断路器，最终实现所有电源在约52毫秒内切断。该系统的速度几乎消除了对开关设备的连带损坏，并确保人员无电弧闪光风险。

上述继电器设计要求每个配电中心都具备电压感知功能。电压信号的可用性使得利用馈线继电器对各个负荷中心进行完整的电力监控成为可能，且无需额外成本。结合继电器的断路器状态监测和潜伏性电缆故障检测监测功能，使TCNA能够分析配电系统在其整个生命周期内的性能表现。

通信与控制

通信网络由主电源之间以及三个PDC之间的专用冗余光纤环网组成。与其他网络的唯一物理连接是通过SCADA计算机与电厂控制系统之间的独立连接实现的。该设计最大限度地提高了安全性和避免了潜在的带宽冲突。

用于FDIR实施的SCADA计算机带来了多个其他机遇。该SCADA计算机汇集了来自继电器的信息，通过其基于网页的人机界面实现了对断路器的远程控制，并作为与TCNA过程控制系统的通信网关。

SCADA计算机接收来自继电器的所有状态、事件和报警信号。它利用这些信息创建基于网页的人机界面，可通过网络上的任何位置进行访问。这使得在PDCs中安装运行网页浏览器的简单面板安装式触摸屏成为可能，从而实现对系统的控制和监控。此功能使操作人员无需靠近断路器即可进行分合闸操作，从而提升了操作员安全。

向工厂操作员提供信息是一个主要的设计目标。SCADA计算机使用数据表，将各个继电器的信息提供给工厂控制器。简单来说，IEC61850 数据表中的数据点被映射到Modbus寄存器表中，供电厂控制系统轮询。可用的数据取决于哪些值被进行了映射。

基于通信的控制与保护系统的应用为TCNA带来了诸多优势。它减少了布线和设备数量，简化了安装，并实现了对所有信号的监控，而无需额外的编程或设备。然而，这种方案增加了继电器编程及相关测试的复杂性。从有线连接转向数据连接从根本上改变了项目的实施方式。

基于IEC61850的通信实施有其优缺点。与其他通信方式（如Modbus或DNP）不同，在 IEC61850中，您无需在设备中输入寄存器地址并在连接后进行测试。在IEC61850中，设备之间共享配置文件。其优点是您无需查找或手动输入寄存器地址，只需选择可用的信号即可。这大大降低了人为出错的可能性。

这种工程方法的缺点是需要大量的规划、协调和工艺流程。在对各个继电器进行逻辑编程之前，应先完成协调设计工作，包括新变量的命名规范、逻辑的确定，以及在开始编程过程之前明确所有通信变量（例如IP地址、应用ID）。

在完成所有继电器和SCADA的配置程序并下载到设备后，即可开始测试。就本项目而言，我们在四个不同位置共有29台设备，因此在安装前无法进行全系统测试。然而，我们能够在每个配电中心对继电器进行测试，从而在发货前全面测试母线闭锁和电弧闪络传输跳闸方案。

SCADA集成和FDIR测试直到PDCs及PDCs之间的光纤连接安装完成后才开始。这给继电器与SCADA通信以及SCADA与工厂控制系统的集成带来了一些小挑战。这些问题主要是由于我们无法安装前未连接所有继电器，也未了解工厂控制的详细信息。

经验教训

该项目在实施期间以及调试完成后，获得了若干经验教训。

在实施过程中，出现了一些IEC61850配置错误，这些错误在对PDCs单独测试时未被发现。第一个问题是，在编程期间创建了重叠的继电器App ID（类似于IP地址）。由于每个PDC的继电器配置文件是分别完成的，因此未能及时发现该问题。当所有继电器连接后，我们注意到出现了不可预测的GOOSE错误。经过大量时间排查，我们最终确定了问题的根源。重要的是，每次更改App ID等通信变量时，都必须重启继电器。这不仅耗费时间，而且如果系统已通电，则操作困难，因为在重启期间将失去保护功能。

实施经验教训有两点：第一，将此变量包含在您的网络地址表中。我们最终决定将应用ID映射到IP地址的最后两位数字。第二，在测试期间让IEC61850 GOOSE分析仪在计算机上运行。如果我们当时使用了该工具，就能立即知道问题所在。

关于IEC61850的另一个经验教训涉及通过IEC61850 MMS向SCADA计算机提供的数值。该数据点中存储的值可以是原始值（标幺值）或标度值（一次值）。此选择在每个继电器中进行设置，并且更改时需要重启。由于我们在通电后才开始调试SCADA系统，因此无法立即进行此项更改。客户不得不在其下一次停电期间对每个继电器逐一进行更改。

在这两种情况下，如果我们能够在通电前对完整的系统进行测试，就将在调试期间及之后节省大量时间。

实现的效益

调试完成后，系统移交至TCNA运行人员，他们开始实现设计目标中列出的一些效益。这些效益大多集中在能够更好地了解其工艺状态，并立即确定事件原因。

还有一个并非设计目标的好处，即能够在不停电的情况下使任一主开关柜退出运行。在一次非计划性维护过程中，TCNA需要将其中一个主开关柜退出运行。他们只需前往一个人机界面面板，闭合正常情况下处于打开状态的联络断路器，并打开主开关设备断路器即可。由于能够短暂地将两个主开关设备并联运行，从而实现了负荷的无扰动切换。在升级之前，每个负荷中心在切换到备用电源时都必须短暂断电，这需要大量的协调工作，并可能导致部分生产中断。