智能仪表在建筑电气中的发展

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改革开放以来，我国的社会主义现代化建设事业取得了丰硕的成果，世界为之惊叹，这些成果不仅体现在人民物质生活水平上的提高，也体现在各行业生产力的大幅提高，而这些成果的取得与科学技术的发展和应用是密不可分的。

电力工业是国民经济的先行工业，在国民经济建设中发挥了巨大作用〃筑电气作为电气工程的领域之-，随着社会经济的繁荣取得了长足的发展，-大批科技含量高、大型的公共建筑竣工建成，不仅体现了我国综合国力的提高，也使得新技作者简介韩强(1975)，男，河北永年人，工程师，从事电气工程研究，(电子信箱)hanqianglO00###126.oomo术、新产品得到广泛应用，为建筑电气工程带来革命性的变化，为智能建筑、大型标志性建筑的智能化实现提供了可行性的保障。本文主要介绍电工仪表在建筑电气中的发展，因为仪表的智能化最能体现-个行业的水平，是科学进步的-个缩影，是生产力提高的-个明显表现。

2电工仪表的分类电工仪表，人们常称谓为电表，其标准的定义是实现电磁测量所需技术装置的总称，按功能应用可分为：电能表、电压表、电流表、功率表等等，是反馈电路里各种信息的主要途径，以便于运行人员进行运行状况分析和管理。现在的电工仪表按其工作原理大致分为数字式和模拟式两大类。

模拟式仪表，采用的是模拟技术，按工作原理可分：有电磁式、磁电式、电动式、感应式、整流式、热电式、静电式、电子式等；但生活中人们常见的是指针表，为机械电磁式，也称为机械式指示电表，主要用于直读测量，可直接读出被测量的量值，因此又称为直读电表，其工作时，被测电量在电表测量机构中产生电磁力，机构可动部分受到电磁力作用，并带动指针或光标在表盘 匕移动。静止时，指针或光标即指出所测数值。

数字式仪表，利用各种模拟-数字转换方式将被测的模拟量转换为数字量，最后以十进制数字显示测量结果。在2O世纪 8O年代，随着计算机技术的发展及其在仪器仪表中的应用，以微处理器为核心器件的微机化仪表应运而生，产生了各种数字式变送器、数字仪表、可编程控制器等。数字化仪表与模拟式仪表相比，其功能、性能、可靠性、通信功能等均有了质的飞跃。主要的特点是采用数字技术、计算机技术用于仪器仪表和控制领域，计算机控制系统在工业控制中得到应用与推广，使得数字式仪表的使用迅速普及，也带来巨大的社会效益。而数字式仪表随着功能的逐渐增强被人们习惯称为智能仪表。从信息技术发展的几个层次看，数字化”是低层次，智能化”是高层次。它具有测量、控制、判断、统计和通讯的功能，智能化”是未来电工仪表发展的主流及标准。其中智能化仪表以国外施耐德的PM系列仪表和国产丹东华通的 PDM系列仪表为代表，在市场有良好的声誉，在多个标志性建筑有良好应用，包括青岛会展中心、奥运丰台垒球尝北京欢乐谷等。

3建筑电气中仪表的发展建筑电气中的电力仪表主要应用在建筑电气的强电系统，包括：10kV及以下配变电系统、动力系统、照明系统、控制系统，即 10kV-220V电压等级配电系统。最初和工业-样，采用模拟仪表，多数以指针表为主，简单进行测量，其广泛应用的主要原因有几点，第-，性能稳定；第二，选择范围小，无其它先进产品可供使用；第三，由于功能简单所以较为经济；第四，构造坚固，使用方便。

但随着 2O世纪7O年代 DCS的问世与快速发展，模拟仪表自身的特性和缺点凸显出来。主要有：1)模拟式仪表测量与控制精度较低，-般精度等级在O.51.5之间，很难实现国际电工委员会(也c)规定的高精度等级的要求，如 0.1、0.2等级要求；2)模拟式仪表的功能比较单-，测量参数、输出变量可选性不强，当需全面了解电量参数，必须安装多个仪表，接线繁公用工程设计1- 琐；3)采用电磁学理论，受物理特性影响，需定期校表，仪表调试维护量较大，当仪表有故障时不易及时发现；4)由于模拟仪表的产品特性的局限，决定了无法实现全面的配电调度管理自动化系统。

为了解决以上种种问题，仪表厂商积极研发更适合生产需求的新型仪表，产生了以微处理器为核心器件的各种数字式变送器、数字式仪表等。

但数字式变送器每路模拟信号的传输必须使用-对信号线，并且存在传输过程信号衰减、精度降低、干扰信号的窜入等长期难以解决的问题，严重影响了其计算机网络的可靠，而且随着FCS现场总线系统的出现，DCS分散式控制系统最终将被取代，模拟信号将被数字信号替换，而功能强大的数字仪表也会占据主导地位。

随着节能设备如节能灯、变频器的使用，对供电系统带来- 些干扰，人们对建筑的供电质量的要求也越来越高，对仪表功能也有了新的要求，如电气系统中谐波测量、需量统计等参数，双向计量、电能分时段计费等；另外，建筑电气的配电智能化系统也需要支持现场总线的数字仪表，于是就产生了功能强大的、具备通讯功能，能与智能设备配合的智能仪表。智能仪表的功能不仅是完成测量功能，而是本质上发生了质的飞跃，所以说智能型仪表是高层次的数字式仪表，不但表现出单表本身卓越的性能，更因其可与计算机进行数字通讯进-步拓展了其应用范围。

4智能型仪表相比常规仪表的优点1)先进的微处理技术，高性能的集成芯片，功能强大，不但使仪表具备-表多用，增加仪表的可塑性，而且有报警、调节、多点巡检功能，精度高、性能稳定、显示清晰直观，性能优越。

2)可靠性与精度较高，稳定性好，长期工作维护量校3)具有双向通讯能力，可根据现场总线要求。

4)适用范围广，可在线修改参数，具有内部计算、数据存储、自诊断、自校验等各种功能。

5智能仪表最早的智能仪表，是为了实现模拟信号的远距离传送，67l工程建设与设计IConJtruedon&Des ForProjec[并将多个现场变送器的模拟信号通过-对信号线传送到控制中心，由美国Rosement(罗斯蒙特公司)于 1986年开发出-种将模拟信号调制成数字调频信号，并用数字调频信号实现传输的HART(HighwayAddressable Remote Transducer)协议，在现巢装的仪表是-种被称为”SmartFieldInstrument”的智能型仪表，Smart仪表可以用-对传输线同时送出420mA和FSK频移键控两种信号，实现控制中心与仪表之间的双向通信。但目前标准的智能仪表更多地采用Modicon的公开的ModbUS规约，RS-485或232接口。

在这里需要指出的是，并不是所有的数码管LED或液晶显示的就是智能化仪表，带有微处理器的仪表同样也不-定是智能仪表，常有-些产品不恰当地使用智能化”，其实它们也只能称为数显表和数字式仪表。新型的智能仪表通过其网络通讯接口可与中央控制室的计算机系统或可与 Modicon、Siemens、GE、AB、MoeUer等主流PLC联网，取代开关柜现有的以模拟仪表、继电器为监测、控制设备的普通开关柜基础上，从而可以实现在实现对各供配电回路的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率、谐波，正反向电度量等电参数进行监测，以及对断路器的分合状态、故障信息进行监视，配合各种完善的远程监控软件，实现四遥”功能。

1)遥测：通过计算机实时对系统进行电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率等进行不断的采集、分析、处理、记录，显示曲线、棒图，自动生成报表。

2)遥信：可以实时对开关的运行状态、保护动作等开关量进行监视，计算机实时显示和自动报警，并对各柜内开关的状态、事故跳闸、过流、速断、温度等动作实时记录、打樱3)邑：通过计算机屏幕选择相应的站号、开关号、合分闸等信息，并在屏幕上将要选择的开关的状态反镭来，确认后执行，实时记录操作的时间、类型和开关号等。

4)遥调：用于设定各种智能拈的运行参数，即计算机根据屏幕操作指令或计算机根据对系统分析判断结果，对智能拈的设定值和故障保护值进行远程调整。

从20世纪 80年代末到90年代初，随着计算机技术、微电子技术、电力电子技术、抗干扰技术等新技术的迅速发展，特别是网络通讯技术的发展使得电力自动化技术得到了空前发展。各大公司开始把这些技术应用于配电系统，开发了基于多种现场总线的自动化系统，也就是所谓的把强电控制与微电68子技术、计算机技术、网络通讯技术相结合。

现场总线智能仪表是个特定的概念，是把遵循国际现场总线协议设计制造的智能仪表称为现场总线智能仪表，它是随着现场总线控制系统的出现应运而生的。和现场总线-样，它得到了迅速发展。所谓现场总线，按照国际电工委员会的定义，安装在制造或过程区域现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线称为现场总线。我们也可以从不同的角度来描述现场总线的涵义：从通信的角度，现场总线可以定义为用于生产现场的测量控制设备之间实现双向、串行的数字通信系统，或定义为开放式、数字化、多点通信技术；从技术的角度可以认为，现场总线技术将专用的微处理器用于传统的测量控制仪表，使它们各自都具有数字通信能力，成为网络的-个节点，独立完成测量控制或通信任务，并把分散的多个测控仪表或测控装置变成网络节点，构成网络与控制系统，完成自动测量与控制任务；从信息网络角度来看，则现场总线使生产过程自动测控系统与其仪表装置设备进入了信息网络，构成企业底层信息网络。现场总线控制系统将控制功能下放到现场，由智能现场仪表承担，实现真正全分布式系统结构。

在现场总线控制系统下，智能现场仪表替代了传统集散控制系统中的模拟现场仪表，先进的交流采样及数字式谐波滤过技术，替代所有常规电量变送器，网络通讯变送，宽范围交直流通用电源，适用多种复杂环境及恶劣场所，标准化的外型尺寸，布线、安装极为方便，无需经过 A/D采样，还具有控制功能，如 PID等运算控制功能；还具有自诊断功能。也就是说在现场总线控制系统卞，现场仪表设备具有判断功能，它把计算、工程量处理与控制等功能分散到现场仪表中完成。

现场总线智能仪表与现场总线控制系统有着不可分割的密切关系。采用现场总线控制系统必须有现场总线智能仪表与之相匹配O因此，研究现场总线智能仪表的实现与发展技术具有十分重要的意义∝制仪表装置是实现控制效果的技术工具，它包括各种现场仪表及计算机、软件等，它们不仅是技术工具，而且是信息的源头，更是信息工业的组成部分。在控制自动化的进程中，它代替人们对控制过程进行侧量、监视、控制和保护，起到了非常重要的作用。现场仪表和控制仪表装置的发展经历了机械式、电子式、 .化数字式几个阶段。从仪表的功能上也经历了几个层次：单-功能仪表、组合式仪表、数字化智能化网络化仪表。在技术上，目前已走出了模拟技术的时代，正跨入数字化、智能化和网络化的新阶段。

6智能仪表在建筑电气中的系统应用目前，智能仪表及智能配电系统在我国的应用已经由起步阶段进入到成熟阶段，尤其是2001年 8月颁布的”低压智能配电标准草案 ”更起到了推波助澜的作用，智能型仪表革命性地改变了传统配电模式的概念；具有多功能、数字化、网络化、智能化、结构紧凑、易于维护等特点，它可以满足电力工业未来的需求，具有预防/避免事故发生、强化企业内部能源考核 ERP企业资源计划、减少设备维护和检修时间、实现数据资源共享等诸多优点，为企事业单位的现代化管理提供了坚实、可靠的基础，-次投资，终身受益”，真正保证用户的投资利益不受损害。在这里我们举-个丹东华通智能仪表在建筑电气中应用的案例。

丹东华通测控公司从事电力系统自动化产业已有 13a的历史，主要从事PDM系列综合电力监控仪表 /智能电量变送器/低压电动机保护控制器等产品及变电站综合自动化系统、智能变配电系统的设计、生产、安装及调试。现已投运的PDM系列网络电力自动化产品及变电站综合自动化系统覆盖220kV400V各种电压等级，业绩遍及全国二十多个省市。

7案例青岛流亭国际机场青岛流亭国际机场是2008年奥运会在青岛的配套工程之-。由于成功在工程内应用了 32的组网架构 ，实现了近 20 000点的数据监控，成为当时行业内的样板工程。

PDM2000智能配电监控系统(图 1)监控范围内的6个配电室，总计：进线 15回、联络 6回、电容器回路 3O回、馈出回路 725回。间隔层应用PDM智能仪表共近 800台；智能网络通讯控制器 30余台。智能配电监控系统改扩建后系统监控总点数增至近20 000点。原国内航站楼监控系统与新扩建国际航站楼监控系统组成 1套监控系统，通讯组网运用双网双冗余模式确保整个系统工程的可靠性 ，监控系统软件采用PDM2 000变配电智能化综合监控系统的网络版结构(双前置机、双服务器、独立数据存储模式)，系统中拥有监控主机5套，根据其在系统中的功能不同，分工合作完成配电系统的整体监控。主要位置设计：国内航站楼配电监控室设置 1台前公用工程设计lA 如 n触 J I置机和 1台服务器；国际航站楼配电监控室设置 1台前置机、1台服务器和数据存储服务器。每台监L-tSJL均采用双网卡配置组成双网模式。国内航站楼监控室与国际航站楼监控中心采用光纤通讯，国内航站楼配电监控室和国际航站楼配电监控室同时监控整个机场的用电负荷情况，与此同时监控系统还与楼宇监控系统联网，实现了信息数据共享。2个监控室中都装有电力调度模拟屏。

监控平台采用变配电智能化综合监控组态软件，监控中心设置在c区配电室内，所有通讯线采用A类屏蔽双绞线，监控系统完成对中、低压各回路完整的”四遥 ”功能及对变压器、直流屏参数的实时监控，并且与智能楼宇系统(BA)通过相关协议进行数据共享。

变配电智能化综合监控系统的软硬件接口采用国际标准或工业标准，开放性强、实时性高，支持与其他计算机网络或不同厂商设备及 PDM模拟演示屏互联，因此，整个系统形成- 个标准的、维护性高的网络。

1)高压部分保护：四段相、负序过流；独立的零序过流接地保护；过电压、欠电压保护；可外接瓦斯、温度保护；顺序事件记录(SOE)报告和故障录波。

遥测：三相电流、三相电压、有功/无功功率测量、有功/无功电能计量。

2)低压部分三相回路选用丹东华通PDM.803H智能配电综合监控单元，四遥功能：①遥测：三相电流、电压、功率、电度、频率、功率因数等，谐波测量选配；②遥信：4路，开关分合状态/故障等；③邑：2路，远程控制开关分合等；④遥调：通过计算们远方设置仪表参数；⑤通讯：RS-485接口，MODBUSRTU协议；⑥显示：选配分体式小型液晶显示单元。

单相回路选用丹东华通 PDM.801AC智能配电综合监控单元，四遥功能：①遥测：单相电流、电压、功率、电度、频率、功率因数等；②遥信：2路，开关分合状态/故障等；69