ABB：开关设备的数字化转型白皮书（2021）（15页）.pdf

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1、白皮书开关设备的数字化转型 您是否知道，如果采用传统开关设备，企业的总花费可能比您想象的要更高。在本白皮书中，我们将会帮您了解：数字化开关设备如何帮助用户提高对来自设备及现场数据的收集、获取、分析和实施措施的能力，从而解决传统开关设备的隐性成本问题，进而帮助用户节省多达30%的费用。阅读时间：约15分钟040506070810121415数字化开关设备转型传统开关设备技术的隐性成本发掘您的数据数字化开关设备的优势数字化开关设备应用案例数字化开关设备的状态监测数字化与状态监测的好处兼顾边缘技术您的数字化开关设备转型备忘录目录 4开关设备的数字化转型 白皮书从工业制造和加工设备到数据中心服务器群组

2、及照明和空调等支持系统，现代世界的每一个角落都需要稳定可靠的电力供应。作为电气设备的基础组件，开关设备在电能的可靠输配方面起着至关重要的作用。开关设备，主要应用于安全有效地电能配送，将7.2-40.5 kV的高压电从发电厂和电网分配到最高690 V的低压配电网。开关设备的技术中通常由许多电气元件的技术有机组成，如断路器、电能表、电机和馈线控制及保护装置等。在评估这些技术时，设备用户可以有一系列的选择。传统开关设备的设计初衷是为了在发生故障时能将回路断开，因此应用在可以承受突然断电的工艺流程中是可以被接受的。另一方面，任务关键型作业流程可能使得设备用户选择可远程监控的智能设备，同时还可以在预设阈

3、值下报警，从而让用户能防止或减少断电带来的损失。除控制功能外，智能设备还可以采集大量与断路器、电机或馈线运行状态相关的数据。不过，仍有各种原因导致许多用户选择传统的、更简单的开关设备。首先，人们认为智能设备的复杂程度更高且可靠性较低。设备运行人员有时担心警报发送太早或发送的是无用信息，从而造成信任度低。为避免不必要的警报，必须花时间对智能设备进行配置修改，使其运行更符合习惯。此外，在配置过程控制或电气监测的通信接口时，一般只会关注实现控制所需的少数数据点，从而浪费了很多可用的数据，无法充分利用起来。造成这种情况的原因，可能是由于不了解智能设备可提供数据的价值，也可能是由于无法证明收集数据的额外

4、费用的合理性。但在设备的整个生命周期，没有数据或不使用数据的成本通常比您预期的要高很多。数字化开关设备转型01 低压开关设备传统开关设备技术的隐性成本传统开关设备技术的隐性成本5传统开关设备可以采用常规设计，也可以采用智能装置，但无法有效使用它们提供的所有数据。传统开关设备有许多隐性成本，这些成本会在开关设备的整个生命周期积少成多。这些成本包括：设备安装调试以及正确配置参数的初始成本，由于缺少必要信息，这可能会非常耗时 工程和调试团队之间的协调成本，通常需要大量的工作来协调设计参数信息以及现场实际负载与额定值的调整 开关设备测试，包括运行数据的人工采集和报告的编写，这可能需要与业主、运行人员和

5、制造商进行协调，成本高昂且十分耗时 运营成本，包括定期巡检、功能检查和进一步的维护保养，有时是基于定期预防性的，而不是基于状态需求的 由于开关设备很复杂且长期运行，开关设备计划性维护的难度大、花费高。譬如，制造商可能建议每两年进行一次检查和维护，而设备停机可能安排为每五年一次，这在制定计划时会造成冲突。由于无法了解设备发生了什么情况，用户被迫进行被动维护，这意味着要库存一批昂贵的备件，同时有训练有素的维护团队随时待命，以在设备发生故障时及时出动。因此尽管成本更高、损失更大，但被动维护仍比预防性维护更常见，即使预防性维护可以使开关设备保持更佳状态运行，且更大限度缩短停机时间。但预防性维护不仅仅意

6、味着对开关设备进行年度检查。还需要确定较前期的故障隐患并采取行动，避免发展成更严重的问题，而这可能需要进一步的数据。例如，温度升高可能表明连接松动而导致的电气插接头损坏，从而导致主回路的电阻增大。如果并未检测到，可能会导致发生危险情况，如电弧故障或火灾。就算在预防性的年度维护中，也不一定能检测出来。实时监测和应对温度缓步上升的能力在避免灾难方面将起到至关重要的作用。还有一点要注意，开关设备的平均使用寿命为30年。虽然采用传统开关设备可能对您的资本支出有利，但这可能是根据购买时的已知需求来进行设计和制造的，并不能满足未来10年或20年的业务需求。如果考虑引入新的设备，则需要对站内进行扩建，或者在

7、制造工艺中用一台大型电机取代小型电机。这时，您会发现，电气装置的电能需求大大增加，而这可能会缩短设备的预期使用寿命或使其面临发生故障的风险。尽管可以利用备用空间增加新断路器，或扩展开关设备，但用户很难计算开关盘柜是否有足够的负载裕度和热容量裕度可供添加新组件，或者是否需要使用更高性能的开关设备来满足要求。而且通过手工计算而不是实际数据，用户有可能做出错误的决策，或者待到拿出正确决策却为时已晚。6开关设备的数字化转型 白皮书发掘您的数据用户的电气装置已经能够产生多到超乎想象的数据。譬如，保护继电器不仅在正常情况下保持断路器正常运行，而且当检测到电网发生紧急情况时，还会使断路器断开负载回路。当这些

8、继电器计算运行和停机周期时，它们也可用于估算触头磨损及其他断路器状态数据。与此同时，从工业作业流程到暖通空调（HVAC）系统，电机控制器无处不在，它不仅可以收集运行和停机数据，还能收集电机负载状态，而这有助于用户检测电机故障或负载设备的问题。不过，设备所产生的数据只有在用户能够收集和获取它时才有用。在许多情况下，由于需要额外的通信网络和处理系统来处理数据的收集，所以，这些数据仍然保留在设备的保护继电器、电机控制器及其他装置中。不过，如果这些数据能够在采集后都导入同一系统，那么就可用于设定正确的阈值，并帮助推动基于实际状态且经济划算的预测性开关设备维护，这较之只能等待发生代价高昂的故障的策略要好

9、得多。当然，如果这么简单，您肯定已经在做了。要获取这些数据，通常需要利用专业知识来对电气设备内部的智能装置、现场总线和以太网通信进行设置和编程。过程和电气控制团队往往不清楚需要进行状态监测，因此他们仅会进行所需数据的配置和读取，为的是将成本降至最低。02 中压开关设备数字化开关设备的优势7数字化开关设备的优势由于许多开关设备现已安装智能装置，或者正作为用户计划内的升级改造措施的一部分而添加进来，所以，智能设备应该成为未来针对新安装设备的战略性需求的一部分。收集和管理正确的数据是实现数字化未来的前提。借助数字开关设备解决方案，用户不仅可以实现自动收集所有数据，还能存储和分析这些数据，以便团队能够

10、在运用生命周期分析时做出数据驱动的决策，从而进一步创造价值。这些数据可用于提供状态监测，从而可以让用户完成如下工作：在工厂验收测试（FAT）前验证开关设备的功能和性能 在工厂验收测试和调试期间，用状态测试报告展示开关设备的状态 识别需要维修的部分，以防止它们在运行期间发生故障 分析性能数据，以确定基于状态的维护需求 提前优化维护计划，从预防性维护转为预测性维护此外，由于现场的数据收集会在设备整个生命周期内持续进行，所以，数字开关设备解决方案将为资产管理解决方案提供依据，可以更好地估计电气设备的剩余使用寿命和故障发生概率。可以考虑利用类似于飞行数据记录器（黑匣子）的装置从开关设备收集数据。与黑匣

11、子一样，开关设备中的智能装置持续收集设备的数据和状态信息，以便用户和维修专家在需要时获取详细信息。一般情况下，黑匣子需要初始硬件成本和安装费，但可以收集到足够多的数据点的数据。而更有效的方法是在用户的工厂为开关设备或全套的电气设备实施全面的状态监测解决方案。该解决方案利用高级数据分析和算法将来自黑匣子的数据自动进行持续的诊断，从而得到可执行的运维建议，维护人员可以通过仪表板轻松获取这些专业建议。与过去的生命周期数据（如调试日期、维护日期和执行的维护类型等）一起，这些数据内含的信息将可以帮助正确决策。开关设备的数字化不仅仅适用于新设备。无论是计划购买并安装在新的站点还是现有的开关设备，都可以根据

12、需要添加智能装置和传感器，实现数字化。8开关设备的数字化转型 白皮书数字化开关设备应用案例数字中压（MV）和低压（LV）开关设备解决方案不仅能安全可靠地实现电能的分配，而且还能够监测开关设备中的装置及其他电气元件的状态。这些装置通过基于以太网的数字通信进行连接，包括广泛应用于中压设备的IEC 61850和更加通用的Modbus TCP或OPC UA等。如今，这些通信协议在工业物联网（IoT）平台中很通用。智能电子设备（IED），如ABB的Relion继电器或带有Ekip控制和保护单元的ABB低压断路器Emax 2，不仅能执行控制和保护功能，而且可选择包括断路器状态的监测功能，为用户提供可供分析

13、并用于规划断路器维护或功能测试计划的数据，而累计运行时间可以为连接的电机或变压器规划基于时间的维护计划。可收集的数据包括：电流、电压、功率等电气参数 带有时间戳的报警和事件 断路器状态监测，提供实时累计的操作次数和状态参数值 负载等级此外，还可以收集和监测成套中压开关设备中其他组件的数据，如接地开关、隔离开关和高压室门的正确闭锁位置等，这样可以进一步了解成套开关设备的电气和机械状态，而无需进入配电室，从而提高运维团队的整体安全性。通过中压和低压开关设备状态监测，可以从配电室内和开关设备内部采集温湿度数据。这使我们能够深入了解开关设备整个生命周期的运行状况及其对设备的潜在影响。通过全天候监测关键

14、的电气连接位置状态，用户无需手工操作，同时确保了对数据的连续记录和分析。在中压开关设备中，监测绝缘和局部放电事件甚至能提供更多信息。03 中压开关设备部分内部视图温度监测断路器局部放电监测手车监测接地开关监测电流和电压测量IED综合保护继电器电缆头温度监测数字化开关设备应用案例9低压开关设备主要用于将电能分配给数百个负载，如电机或分配电盘等。低压开关设备一般位于建筑或工厂的不同区域，往往会受到温度和湿度变化的影响。尽管开关设备就是要设计成为可以适应开关设备内部发热引起的一定程度的温度升高，但在其运行期间进行扩容将进一步增加温升水平。按照传统经验，用户必须进行相关计算，以确定增加负载的可能性，避

15、免超过开关设备的热容量和电气容量。而如今，数字开关设备可以提供实时的及历史的数据，作为运行人员和决策人员在进行扩容规划时做出正确决策的依据。低压开关设备还包括各种类型的模块、馈线电机或外部负载。这是另一个虽然经常需要维护但有时却被忽视的方面。可拆卸模块通过专门设计的插接系统进行连接，可进行多次操作（按照IEC 61439标准，至少200次操作）。这些插接系统是需要维护的，例如像润滑这样的措施，这种维护习惯上是在维护周期内进行的，但是可能与部件的实际维护需要并不一致。04 低压开关成套设备的内部视图电流和电压测量 断路器监测温度监测温度监测开关负载水平及能耗监测触头监测断路器或熔断器监测进/出接

16、头温度监测操作，负载水平监测借助数字开关设备，可以通过电能表和马达保护等智能设备提供模块的数据，用来监视模块的插入及温度，从而使用户可以更好地了解情况，得出正确的维护周期，并通过仅对相关的模块进行操作来最大限度减少维护工作量，避免将整个开关设备停机。智能低压马达保护器是另一组设备，其数字化功能往往未得到充分利用。尽管其主要功能是电机控制和保护，但也能够收集其他有价值的数据，如：电机电流和三相不平衡 热负载水平 操作次数和插入次数计数器数据 状态监测数据 温度、湿度及其他传感器的数据最后，电机电流和三相不平衡状态可以清楚表明电机或所连接设备的问题。通过这些数据，您不仅可以监测开关设备，还能监测整

17、个动力系统。10开关设备的数字化转型 白皮书数字化开关设备的状态监测状态监测解决方案作为开关设备黑匣子或基于边缘的解决方案部署在本地，可以收集和存储一个或多个开关设备中连接的装置及其传感器的实时数据，并使这些数据可用于进一步分析，从而支持用户在对的时间做出正确决策。此外，最重要的是要有专业的诊断算法，能够在无需用户手工录入的情况下提供详细见解和建议，如确定温度升高是由于连接松动而导致的紧急情况，还是由于负载需求增加而导致的正常情况。借助现场状态监测解决方案，开关设备操作员和设备维护经理能够在需要时轻触指尖即可实现配电系统、电机控制中心和负载的实时监控和管理。05 通信架构中压温度及局放传感器继

18、保及断路器监测空气开关框架断路器电能表变速传动器软启动电机启动器低压温度传感器其它设备集成电气控制EDGE以太网流程控制ABB Ability CMESIEC 6185006 ABB Ability CMES仪表板的示例 数字开关设备的状态监测11无论是使用智能手机或平板电脑上的APP，还是使用功能更强大的工作站，状态监测解决方案都可以用于防止故障，状态预测并管理能耗，从而降低维护和运营成本。该解决方案在成套开关设备生产时就可以作为不可或缺的组件进行安装，可监测开关设备从工厂验收测试（FAT）到现场调试和使用期等各环节的整个生命周期的状况。传统的过程控制和数据采集与监控系统（SCADA）只读取

19、控制功能所需的必要的数据点，而状态监测解决方案则会读取开关设备中装置和传感器提供的所有数据点。交互式用户仪表盘可以基于整个工厂、变电站或开关设备，为客户提供所有开关设备及其组件的运行状态指数的实时总览。架构具体项目的解决方案不需要任何编程知识。此外，为提高设备可用性并加快故障排除效率，状态监测解决方案提供了一个“知识库”，可以指导用户处理每宗警报或事件，同时详细说明相关问题、可能的原因及建议措施。12开关设备的数字化转型 白皮书数字化与状态监测的好处简单 传统硬接线被串行总线或以太网连接所取代 无需可编程逻辑控制器（PLC）综保设备（IED）和传感器提供的所有数据都可以通过预先定义的仪表盘和用

20、户界面进行收集、分析和呈现 可以与供应商和第三方设备集成安全 可以在需要时进行维护，最大限度降低意外故障的风险 增加在线温度监测和电弧故障检测等能力，以消除进一步的风险 当检测到超标的情况时，立即通知运行和维护人员 通过安装在配电室或控制室中的操作面板或移动设备访问仪表盘，以便进行最终状态检查，然后再开始任何维护工作灵活性 根据需求的变化，例如给开关设备增加负载，数字开关设备可以轻松进行调整和定制 加装传感器或智能元件，以升级常规馈线或电机起动器，而无需对断路器、电缆或母线等带电部分进行操作 升级软件即可获得新功能，而无需更改设备 通过数字化服务和工具进行远程工厂验收测试、调试支持、远程服务和

21、故障排除12定制 可以一次性或分步骤添加开关设备面板、设备或功能 轻松适配固定式、移开式开关设备技术 轻松更换和升级开关设备中的部件和装置，而无需升级整个系统 通过软件更新为现有装置添加新功能 接入分布式控制系统（DCS）、SCADA及其他平台，彼此互不干扰分析 针对设备整个生命周期的数据监测 由于收集了更多细节，并可以通过更新和订阅添加新功能，分析能力将随时间推移不断改进提高 因为所有数据都是分布式存储的，所以，即使在开关设备出现故障的情况下，也可以访问您的数据数字化与状态监测的好处13优化 从计划性维护转变为基于状态的预测性维护 通过更快的故障分析，减小意外停机对成本的影响 提前规划维修日

22、期和状态报告 利用连接的每个电机或负载提供的能耗数据，优化能源的管理 通过识别效率较低的设备，统筹考虑投资和优化步骤 避免计划外停机，实现连续运行，同时优化运行成本，可节省高达30%的费用经济划算 根据具体情况，可以只更换特定部件而不是整个设备 升级设备的成本比后期完全更换开关设备要低30%降低基础设施需求，因为与硬接线连接相比，以太网络供电基础设施的购置、安装和维护成本更低 无PLC设计将基础设施投资进一步减少最高达到20%通过使用ABB数字开关设备解决方案，您可以获得做出数据驱动的维护决策所需的信息和知识，从而识别和解决这些前期问题，避免前期问题变成大问题。这样，可以助您延长设备的正常运行

23、时间，降低维护成本，并可以把更多时间花在高价值的核心任务上，而不是用于手工监测和收集数据。进一步了解ABB Ability CMES。14开关设备的数字化转型 白皮书电气系统的数字化和工业物联网（IIoT）的应用情况需要仔细分析。请记住，从电气系统收集的数据反映的是现场运行和维护状况。在本地进行的任何分析都限于从本地获得的信息，而不会考虑其他站点的情况和经验。这对于当前的运行和维护计划来说已经足够了，但将来可能就会有欠缺。那么，是否应该将所有数据发送到一个更大的数据中心做进一步的分析、机器学习和人工智能的应用？不一定。在这里，边缘计算起着至关重要的作用。您的数据可以在本地计算机、服务器甚至收集

24、数据的设备上实时处理，而不必传输到遥远的数据中心。ABB Ability可以两者兼得。因为ABB Ability解决方案也可以部署在边缘设备上，所以，您可以选择接入就地系统或云端解决方案来进行维护管理。兼顾边缘技术边缘设备的安装和运行成本相对低廉，同时仍能提供适当水平的现场计算能力和数据存储，无论是仅在本地使用还是接入云端，它都是一种有效的解决方案。数字开关设备的许多用户采用边缘计算作为其混合数据架构的重要组成部分，这是因为它能够极大地降低延迟，减小对数据中心的需求，并降低昂贵的带宽需求。通过接入ABB Ability云端解决方案，您可以扩展预测功能，它们有助于您了解多个工厂和开关设备的故障概

25、率，使您能够进一步降低运营成本，同时使开关设备能够满足未来的工业4.0的需求。进一步了解ABB电气化与ABB Ability。您的数字化开关设备转型备忘录15您的数字化开关设备转型备忘录将数字化融入您的战略数字化必须正确结合您的业务战略以及从电气系统到整个企业的整体方案。重点是确定状态监测在哪些方面有潜力加速达成并增强业务目标。打造强有力的数据架构建立结合了运营和信息技术的安全、综合数据架构。开关设备数据只是一个基础。这个架构的建立过程将需要在工业设施方面具有丰富经验的工程师。数据质量很关键。如果您对自己的数据缺乏信心，您将很难在处理工厂车间的疑似故障和错误警报时，转变运营和企业文化的处理模式。管理预期确保您所在企业在初期就能够接受数字开关设备。如果没有足够的数据开始，又或者您采用该技术的时间太晚，那么并非每种算法或模型都能按预期发挥应有作用。这需要所有相关方的认可和理解。利用现有的专业知识数字开关设备进行的数据分析需要验证和合格的用户输入，以便每次都能得到更好的结果。能将不断累计的经验、知识和专长保留在公司内部。培育合作及伙伴关系建立起达成业务目标所需的外部伙伴关系。确保外部合作伙伴会保护您的数据和知识产权，并了解工业领域所涉及的复杂性和风险。