ABB：開關設備的數字化轉型白皮書（2021）（15頁）.pdf

1、白皮書開關設備的數字化轉型 您是否知道，如果采用傳統開關設備，企業的總花費可能比您想象的要更高。在本白皮書中，我們將會幫您了解：數字化開關設備如何幫助用戶提高對來自設備及現場數據的收集、獲取、分析和實施措施的能力，從而解決傳統開關設備的隱性成本問題，進而幫助用戶節省多達30%的費用。閱讀時間：約15分鐘040506070810121415數字化開關設備轉型傳統開關設備技術的隱性成本發掘您的數據數字化開關設備的優勢數字化開關設備應用案例數字化開關設備的狀態監測數字化與狀態監測的好處兼顧邊緣技術您的數字化開關設備轉型備忘錄目錄 4開關設備的數字化轉型 白皮書從工業制造和加工設備到數據中心服務器群組

2、及照明和空調等支持系統，現代世界的每一個角落都需要穩定可靠的電力供應。作為電氣設備的基礎組件，開關設備在電能的可靠輸配方面起著至關重要的作用。開關設備，主要應用于安全有效地電能配送，將7.2-40.5 kV的高壓電從發電廠和電網分配到最高690 V的低壓配電網。開關設備的技術中通常由許多電氣元件的技術有機組成，如斷路器、電能表、電機和饋線控制及保護裝置等。在評估這些技術時，設備用戶可以有一系列的選擇。傳統開關設備的設計初衷是為了在發生故障時能將回路斷開，因此應用在可以承受突然斷電的工藝流程中是可以被接受的。另一方面，任務關鍵型作業流程可能使得設備用戶選擇可遠程監控的智能設備，同時還可以在預設閾

3、值下報警，從而讓用戶能防止或減少斷電帶來的損失。除控制功能外，智能設備還可以采集大量與斷路器、電機或饋線運行狀態相關的數據。不過，仍有各種原因導致許多用戶選擇傳統的、更簡單的開關設備。首先，人們認為智能設備的復雜程度更高且可靠性較低。設備運行人員有時擔心警報發送太早或發送的是無用信息，從而造成信任度低。為避免不必要的警報，必須花時間對智能設備進行配置修改，使其運行更符合習慣。此外，在配置過程控制或電氣監測的通信接口時，一般只會關注實現控制所需的少數數據點，從而浪費了很多可用的數據，無法充分利用起來。造成這種情況的原因，可能是由于不了解智能設備可提供數據的價值，也可能是由于無法證明收集數據的額外

4、費用的合理性。但在設備的整個生命周期，沒有數據或不使用數據的成本通常比您預期的要高很多。數字化開關設備轉型01 低壓開關設備傳統開關設備技術的隱性成本傳統開關設備技術的隱性成本5傳統開關設備可以采用常規設計，也可以采用智能裝置，但無法有效使用它們提供的所有數據。傳統開關設備有許多隱性成本，這些成本會在開關設備的整個生命周期積少成多。這些成本包括：設備安裝調試以及正確配置參數的初始成本，由于缺少必要信息，這可能會非常耗時 工程和調試團隊之間的協調成本，通常需要大量的工作來協調設計參數信息以及現場實際負載與額定值的調整 開關設備測試，包括運行數據的人工采集和報告的編寫，這可能需要與業主、運行人員和

5、制造商進行協調，成本高昂且十分耗時 運營成本，包括定期巡檢、功能檢查和進一步的維護保養，有時是基于定期預防性的，而不是基于狀態需求的 由于開關設備很復雜且長期運行，開關設備計劃性維護的難度大、花費高。譬如，制造商可能建議每兩年進行一次檢查和維護，而設備停機可能安排為每五年一次，這在制定計劃時會造成沖突。由于無法了解設備發生了什么情況，用戶被迫進行被動維護，這意味著要庫存一批昂貴的備件，同時有訓練有素的維護團隊隨時待命，以在設備發生故障時及時出動。因此盡管成本更高、損失更大，但被動維護仍比預防性維護更常見，即使預防性維護可以使開關設備保持更佳狀態運行，且更大限度縮短停機時間。但預防性維護不僅僅意

6、味著對開關設備進行年度檢查。還需要確定較前期的故障隱患并采取行動，避免發展成更嚴重的問題，而這可能需要進一步的數據。例如，溫度升高可能表明連接松動而導致的電氣插接頭損壞，從而導致主回路的電阻增大。如果并未檢測到，可能會導致發生危險情況，如電弧故障或火災。就算在預防性的年度維護中，也不一定能檢測出來。實時監測和應對溫度緩步上升的能力在避免災難方面將起到至關重要的作用。還有一點要注意，開關設備的平均使用壽命為30年。雖然采用傳統開關設備可能對您的資本支出有利，但這可能是根據購買時的已知需求來進行設計和制造的，并不能滿足未來10年或20年的業務需求。如果考慮引入新的設備，則需要對站內進行擴建，或者在

7、制造工藝中用一臺大型電機取代小型電機。這時，您會發現，電氣裝置的電能需求大大增加，而這可能會縮短設備的預期使用壽命或使其面臨發生故障的風險。盡管可以利用備用空間增加新斷路器，或擴展開關設備，但用戶很難計算開關盤柜是否有足夠的負載裕度和熱容量裕度可供添加新組件，或者是否需要使用更高性能的開關設備來滿足要求。而且通過手工計算而不是實際數據，用戶有可能做出錯誤的決策，或者待到拿出正確決策卻為時已晚。6開關設備的數字化轉型 白皮書發掘您的數據用戶的電氣裝置已經能夠產生多到超乎想象的數據。譬如，保護繼電器不僅在正常情況下保持斷路器正常運行，而且當檢測到電網發生緊急情況時，還會使斷路器斷開負載回路。當這些

8、繼電器計算運行和停機周期時，它們也可用于估算觸頭磨損及其他斷路器狀態數據。與此同時，從工業作業流程到暖通空調（HVAC）系統，電機控制器無處不在，它不僅可以收集運行和停機數據，還能收集電機負載狀態，而這有助于用戶檢測電機故障或負載設備的問題。不過，設備所產生的數據只有在用戶能夠收集和獲取它時才有用。在許多情況下，由于需要額外的通信網絡和處理系統來處理數據的收集，所以，這些數據仍然保留在設備的保護繼電器、電機控制器及其他裝置中。不過，如果這些數據能夠在采集后都導入同一系統，那么就可用于設定正確的閾值，并幫助推動基于實際狀態且經濟劃算的預測性開關設備維護，這較之只能等待發生代價高昂的故障的策略要好

9、得多。當然，如果這么簡單，您肯定已經在做了。要獲取這些數據，通常需要利用專業知識來對電氣設備內部的智能裝置、現場總線和以太網通信進行設置和編程。過程和電氣控制團隊往往不清楚需要進行狀態監測，因此他們僅會進行所需數據的配置和讀取，為的是將成本降至最低。02 中壓開關設備數字化開關設備的優勢7數字化開關設備的優勢由于許多開關設備現已安裝智能裝置，或者正作為用戶計劃內的升級改造措施的一部分而添加進來，所以，智能設備應該成為未來針對新安裝設備的戰略性需求的一部分。收集和管理正確的數據是實現數字化未來的前提。借助數字開關設備解決方案，用戶不僅可以實現自動收集所有數據，還能存儲和分析這些數據，以便團隊能夠

10、在運用生命周期分析時做出數據驅動的決策，從而進一步創造價值。這些數據可用于提供狀態監測，從而可以讓用戶完成如下工作：在工廠驗收測試（FAT）前驗證開關設備的功能和性能 在工廠驗收測試和調試期間，用狀態測試報告展示開關設備的狀態 識別需要維修的部分，以防止它們在運行期間發生故障 分析性能數據，以確定基于狀態的維護需求 提前優化維護計劃，從預防性維護轉為預測性維護此外，由于現場的數據收集會在設備整個生命周期內持續進行，所以，數字開關設備解決方案將為資產管理解決方案提供依據，可以更好地估計電氣設備的剩余使用壽命和故障發生概率?？梢钥紤]利用類似于飛行數據記錄器（黑匣子）的裝置從開關設備收集數據。與黑匣

11、子一樣，開關設備中的智能裝置持續收集設備的數據和狀態信息，以便用戶和維修專家在需要時獲取詳細信息。一般情況下，黑匣子需要初始硬件成本和安裝費，但可以收集到足夠多的數據點的數據。而更有效的方法是在用戶的工廠為開關設備或全套的電氣設備實施全面的狀態監測解決方案。該解決方案利用高級數據分析和算法將來自黑匣子的數據自動進行持續的診斷，從而得到可執行的運維建議，維護人員可以通過儀表板輕松獲取這些專業建議。與過去的生命周期數據（如調試日期、維護日期和執行的維護類型等）一起，這些數據內含的信息將可以幫助正確決策。開關設備的數字化不僅僅適用于新設備。無論是計劃購買并安裝在新的站點還是現有的開關設備，都可以根據

12、需要添加智能裝置和傳感器，實現數字化。8開關設備的數字化轉型 白皮書數字化開關設備應用案例數字中壓（MV）和低壓（LV）開關設備解決方案不僅能安全可靠地實現電能的分配，而且還能夠監測開關設備中的裝置及其他電氣元件的狀態。這些裝置通過基于以太網的數字通信進行連接，包括廣泛應用于中壓設備的IEC 61850和更加通用的Modbus TCP或OPC UA等。如今，這些通信協議在工業物聯網（IoT）平臺中很通用。智能電子設備（IED），如ABB的Relion繼電器或帶有Ekip控制和保護單元的ABB低壓斷路器Emax 2，不僅能執行控制和保護功能，而且可選擇包括斷路器狀態的監測功能，為用戶提供可供分析

13、并用于規劃斷路器維護或功能測試計劃的數據，而累計運行時間可以為連接的電機或變壓器規劃基于時間的維護計劃?？墒占臄祿ǎ弘娏?、電壓、功率等電氣參數 帶有時間戳的報警和事件 斷路器狀態監測，提供實時累計的操作次數和狀態參數值 負載等級此外，還可以收集和監測成套中壓開關設備中其他組件的數據，如接地開關、隔離開關和高壓室門的正確閉鎖位置等，這樣可以進一步了解成套開關設備的電氣和機械狀態，而無需進入配電室，從而提高運維團隊的整體安全性。通過中壓和低壓開關設備狀態監測，可以從配電室內和開關設備內部采集溫濕度數據。這使我們能夠深入了解開關設備整個生命周期的運行狀況及其對設備的潛在影響。通過全天候監測關鍵

14、的電氣連接位置狀態，用戶無需手工操作，同時確保了對數據的連續記錄和分析。在中壓開關設備中，監測絕緣和局部放電事件甚至能提供更多信息。03 中壓開關設備部分內部視圖溫度監測斷路器局部放電監測手車監測接地開關監測電流和電壓測量IED綜合保護繼電器電纜頭溫度監測數字化開關設備應用案例9低壓開關設備主要用于將電能分配給數百個負載，如電機或分配電盤等。低壓開關設備一般位于建筑或工廠的不同區域，往往會受到溫度和濕度變化的影響。盡管開關設備就是要設計成為可以適應開關設備內部發熱引起的一定程度的溫度升高，但在其運行期間進行擴容將進一步增加溫升水平。按照傳統經驗，用戶必須進行相關計算，以確定增加負載的可能性，避

15、免超過開關設備的熱容量和電氣容量。而如今，數字開關設備可以提供實時的及歷史的數據，作為運行人員和決策人員在進行擴容規劃時做出正確決策的依據。低壓開關設備還包括各種類型的模塊、饋線電機或外部負載。這是另一個雖然經常需要維護但有時卻被忽視的方面?？刹鹦赌K通過專門設計的插接系統進行連接，可進行多次操作（按照IEC 61439標準，至少200次操作）。這些插接系統是需要維護的，例如像潤滑這樣的措施，這種維護習慣上是在維護周期內進行的，但是可能與部件的實際維護需要并不一致。04 低壓開關成套設備的內部視圖電流和電壓測量 斷路器監測溫度監測溫度監測開關負載水平及能耗監測觸頭監測斷路器或熔斷器監測進/出接

16、頭溫度監測操作，負載水平監測借助數字開關設備，可以通過電能表和馬達保護等智能設備提供模塊的數據，用來監視模塊的插入及溫度，從而使用戶可以更好地了解情況，得出正確的維護周期，并通過僅對相關的模塊進行操作來最大限度減少維護工作量，避免將整個開關設備停機。智能低壓馬達保護器是另一組設備，其數字化功能往往未得到充分利用。盡管其主要功能是電機控制和保護，但也能夠收集其他有價值的數據，如：電機電流和三相不平衡 熱負載水平 操作次數和插入次數計數器數據 狀態監測數據 溫度、濕度及其他傳感器的數據最后，電機電流和三相不平衡狀態可以清楚表明電機或所連接設備的問題。通過這些數據，您不僅可以監測開關設備，還能監測整

17、個動力系統。10開關設備的數字化轉型 白皮書數字化開關設備的狀態監測狀態監測解決方案作為開關設備黑匣子或基于邊緣的解決方案部署在本地，可以收集和存儲一個或多個開關設備中連接的裝置及其傳感器的實時數據，并使這些數據可用于進一步分析，從而支持用戶在對的時間做出正確決策。此外，最重要的是要有專業的診斷算法，能夠在無需用戶手工錄入的情況下提供詳細見解和建議，如確定溫度升高是由于連接松動而導致的緊急情況，還是由于負載需求增加而導致的正常情況。借助現場狀態監測解決方案，開關設備操作員和設備維護經理能夠在需要時輕觸指尖即可實現配電系統、電機控制中心和負載的實時監控和管理。05 通信架構中壓溫度及局放傳感器繼

18、保及斷路器監測空氣開關框架斷路器電能表變速傳動器軟啟動電機啟動器低壓溫度傳感器其它設備集成電氣控制EDGE以太網流程控制ABB Ability CMESIEC 6185006 ABB Ability CMES儀表板的示例 數字開關設備的狀態監測11無論是使用智能手機或平板電腦上的APP，還是使用功能更強大的工作站，狀態監測解決方案都可以用于防止故障，狀態預測并管理能耗，從而降低維護和運營成本。該解決方案在成套開關設備生產時就可以作為不可或缺的組件進行安裝，可監測開關設備從工廠驗收測試（FAT）到現場調試和使用期等各環節的整個生命周期的狀況。傳統的過程控制和數據采集與監控系統（SCADA）只讀取

19、控制功能所需的必要的數據點，而狀態監測解決方案則會讀取開關設備中裝置和傳感器提供的所有數據點。交互式用戶儀表盤可以基于整個工廠、變電站或開關設備，為客戶提供所有開關設備及其組件的運行狀態指數的實時總覽。架構具體項目的解決方案不需要任何編程知識。此外，為提高設備可用性并加快故障排除效率，狀態監測解決方案提供了一個“知識庫”，可以指導用戶處理每宗警報或事件，同時詳細說明相關問題、可能的原因及建議措施。12開關設備的數字化轉型 白皮書數字化與狀態監測的好處簡單 傳統硬接線被串行總線或以太網連接所取代 無需可編程邏輯控制器（PLC）綜保設備（IED）和傳感器提供的所有數據都可以通過預先定義的儀表盤和用

20、戶界面進行收集、分析和呈現 可以與供應商和第三方設備集成安全 可以在需要時進行維護，最大限度降低意外故障的風險 增加在線溫度監測和電弧故障檢測等能力，以消除進一步的風險 當檢測到超標的情況時，立即通知運行和維護人員 通過安裝在配電室或控制室中的操作面板或移動設備訪問儀表盤，以便進行最終狀態檢查，然后再開始任何維護工作靈活性 根據需求的變化，例如給開關設備增加負載，數字開關設備可以輕松進行調整和定制 加裝傳感器或智能元件，以升級常規饋線或電機起動器，而無需對斷路器、電纜或母線等帶電部分進行操作 升級軟件即可獲得新功能，而無需更改設備 通過數字化服務和工具進行遠程工廠驗收測試、調試支持、遠程服務和

21、故障排除12定制 可以一次性或分步驟添加開關設備面板、設備或功能 輕松適配固定式、移開式開關設備技術 輕松更換和升級開關設備中的部件和裝置，而無需升級整個系統 通過軟件更新為現有裝置添加新功能 接入分布式控制系統（DCS）、SCADA及其他平臺，彼此互不干擾分析 針對設備整個生命周期的數據監測 由于收集了更多細節，并可以通過更新和訂閱添加新功能，分析能力將隨時間推移不斷改進提高 因為所有數據都是分布式存儲的，所以，即使在開關設備出現故障的情況下，也可以訪問您的數據數字化與狀態監測的好處13優化 從計劃性維護轉變為基于狀態的預測性維護 通過更快的故障分析，減小意外停機對成本的影響 提前規劃維修日

22、期和狀態報告 利用連接的每個電機或負載提供的能耗數據，優化能源的管理 通過識別效率較低的設備，統籌考慮投資和優化步驟 避免計劃外停機，實現連續運行，同時優化運行成本，可節省高達30%的費用經濟劃算 根據具體情況，可以只更換特定部件而不是整個設備 升級設備的成本比后期完全更換開關設備要低30%降低基礎設施需求，因為與硬接線連接相比，以太網絡供電基礎設施的購置、安裝和維護成本更低 無PLC設計將基礎設施投資進一步減少最高達到20%通過使用ABB數字開關設備解決方案，您可以獲得做出數據驅動的維護決策所需的信息和知識，從而識別和解決這些前期問題，避免前期問題變成大問題。這樣，可以助您延長設備的正常運行

23、時間，降低維護成本，并可以把更多時間花在高價值的核心任務上，而不是用于手工監測和收集數據。進一步了解ABB Ability CMES。14開關設備的數字化轉型 白皮書電氣系統的數字化和工業物聯網（IIoT）的應用情況需要仔細分析。請記住，從電氣系統收集的數據反映的是現場運行和維護狀況。在本地進行的任何分析都限于從本地獲得的信息，而不會考慮其他站點的情況和經驗。這對于當前的運行和維護計劃來說已經足夠了，但將來可能就會有欠缺。那么，是否應該將所有數據發送到一個更大的數據中心做進一步的分析、機器學習和人工智能的應用？不一定。在這里，邊緣計算起著至關重要的作用。您的數據可以在本地計算機、服務器甚至收集

24、數據的設備上實時處理，而不必傳輸到遙遠的數據中心。ABB Ability可以兩者兼得。因為ABB Ability解決方案也可以部署在邊緣設備上，所以，您可以選擇接入就地系統或云端解決方案來進行維護管理。兼顧邊緣技術邊緣設備的安裝和運行成本相對低廉，同時仍能提供適當水平的現場計算能力和數據存儲，無論是僅在本地使用還是接入云端，它都是一種有效的解決方案。數字開關設備的許多用戶采用邊緣計算作為其混合數據架構的重要組成部分，這是因為它能夠極大地降低延遲，減小對數據中心的需求，并降低昂貴的帶寬需求。通過接入ABB Ability云端解決方案，您可以擴展預測功能，它們有助于您了解多個工廠和開關設備的故障概

25、率，使您能夠進一步降低運營成本，同時使開關設備能夠滿足未來的工業4.0的需求。進一步了解ABB電氣化與ABB Ability。您的數字化開關設備轉型備忘錄15您的數字化開關設備轉型備忘錄將數字化融入您的戰略數字化必須正確結合您的業務戰略以及從電氣系統到整個企業的整體方案。重點是確定狀態監測在哪些方面有潛力加速達成并增強業務目標。打造強有力的數據架構建立結合了運營和信息技術的安全、綜合數據架構。開關設備數據只是一個基礎。這個架構的建立過程將需要在工業設施方面具有豐富經驗的工程師。數據質量很關鍵。如果您對自己的數據缺乏信心，您將很難在處理工廠車間的疑似故障和錯誤警報時，轉變運營和企業文化的處理模式。管理預期確保您所在企業在初期就能夠接受數字開關設備。如果沒有足夠的數據開始，又或者您采用該技術的時間太晚，那么并非每種算法或模型都能按預期發揮應有作用。這需要所有相關方的認可和理解。利用現有的專業知識數字開關設備進行的數據分析需要驗證和合格的用戶輸入，以便每次都能得到更好的結果。能將不斷累計的經驗、知識和專長保留在公司內部。培育合作及伙伴關系建立起達成業務目標所需的外部伙伴關系。確保外部合作伙伴會保護您的數據和知識產權，并了解工業領域所涉及的復雜性和風險。