日期：2022-09-19
随着电子厂房工艺制程的不断升级，对电能质量的要求也在不断提高。同时随着当下人力资源成本的上升，电子厂房内部对自动化控制、产能及透明化管理的要求也在不断上升，这些都是当下电子工厂需要面临的矛盾与挑战。
解决客户对于能源的需求及供给之间的矛盾，以及应用能效提升的要求，数字化是有效手段，也是行业发展的必由之路。
我们通过对电子行业芯和屏等头部客户相关项目不断探索与实践，发现电子厂房供配电系统在追求安全、稳定、可靠等首要目标的背景下，目前在数字化方面还是比较保守，忽略了实际运营中的一些优化点，例如：
在追求可靠性时，加入暂升骤降的监测和分析，实现电能质量的监测管理；在追求稳定性时，加入数据的集中采集和监视，实现对多厂房、多工艺的集中监控和管理；在追求安全性时，加入全厂保护协同和资产信息，实现信息同步和资产的统一管理；在追求系统性时，加入电力系统运行优化的建议，通过与专家的沟通和改进，以实现系统运行优化的闭环。
那么，在整个系统的建造过程中，从设备侧到数据侧，施耐德电气可以提供哪些改进的意见呢？
本系列文章将从设备、运营、决策、数据侧来解答数字化硬件+软件方案如何帮助电子工厂实现安全，高效及可持续发展的目标。本期我们先来了解一体化的电力监控系统架构和中压智能配电数字化解决方案。
通过多年对电子工厂厂务系统的研究及现场经验，基于施耐德电气数字化产品的性能与特点，我们认为以下功能特点能切实帮助到客户的实际应用。
一体化的电力监控系统架构
在目前电子厂房常用监控系统架构中，往往存在着2个主要问题：
01
服务器的配置相对固化，并且多系统前置服务器嵌套的架构，导致系统可靠性低，时效性差，系统到了一定运行时间出现数据延迟、卡顿、服务器宕机等问题。最主要的是专业性不强，缺乏电力数据关联分析及性能预测，比如软件和硬件规约的匹配问题，导致电力系统故障录波、SOE事件记录、电能质量分析及断路器老化分析等软硬件融合的应用无法满足。
02
目前多数半导体工厂的监控系统相对独立，抛开FMCS系统暂且不提，单单对于电力系统来说，就分为电力监控、抄表系统（或能源管理）、压降监测系统，这些系统部署独立，数据也没有打通，在运维端需要投入大量的人力资源进行值班监视，同时故障发生时，系统无法综合分析，大都是独立显示和报警，运维人员对故障的判断和处理会投入更多的时间和精力。
由此，针对半导体行业，施耐德电气在传统配电的基础上不断进行迭代升级，提出了更加契合电子行业实际应用场景的EcoStruxureTM Power一体化智能配电架构，该架构分为3层，包括互联互通的产品层、边缘控制层和应用分析与服务。
其中，配电系统涵盖了半导体工厂从市电、中压、柴发，到低压末端配电的全覆盖，监控系统通过融合传统的电力监控，还整合了电能质量监测和能效管理，实现电子厂房智能配电监控系统的三合一。
一方面从建设阶段，减少多系统独立部署带来的不必要投资，另一方面整合系统资源有助于减少运维人员的投入和提升系统对电气故障的综合分析。
软件架构层面：
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系统平台架构简洁，部署方式灵活，可集中式部署也可分布式部署。
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冗余方案丰富，支持软件端的双机冗余，N+1冗余以及2N冗余，同时支持单网、环网、双网多种网络冗余部署方案，确保后期工程的灵活扩展。
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多集群负载均衡技术，可快速响应30-50万点海量数据处理，以及报警事件的快速相应和定位。
功能层面：
通过软硬件融合的专业系统，助力运维效率提升，比如告警事件智能分组、半导体工厂压降事件波形捕捉与还原分析、扰动方向判定、合规曲线分析、关键电气设备的性能诊断、能效管理等等，确保我们的一体化电力监控系统是可监、可控、可分析的一体化平台。
综上所述，结合我们对一体化架构的解析，综合考虑适用于不同规模特性的电子工厂应用场景，可提供覆盖全区域、全场景、全周期的半导体工厂供配电数字化解决方案。
中压智能配电数字化解决方案
困扰因素
1、 在供电可靠性有限的情况下，发生停电事故，如何判定责任方？
2、如何简化中压电源负载投切系统的设计复杂度，缩短工程周期，提高运营效率？
3、如何配置母线保护，实现故障快速切除，保障设备与人身安全？
4、有无必要对中压开关柜和断路器采取监测措施？需要监测哪些内容？
扰动方向判定
半导体制程复杂，供电的可靠性直接影响产品的良率和残次品率，甚至产线的停产等，会带来严重的经济损失。用户需了解供用电的品质并通过技术手段准确记录毫秒级的事件发生；做到电网侧和用户侧供电系统界面责任判定，以作为保险公司理赔依据。
当系统出现停电或电能质量事故，用户首先要准确判断事故类型、扰动方向、责任认定。其次，准确记录数据以及波形；最后进行全面分析，给出改进方向。
在以上问题的解决方案中，施耐德电气可提供全球范围内采样精度最高的电能质量仪表结合我们PO电力监控系统的数字化解析，对电能质量事件，骤升、骤降、瞬变、中断等扰动进行高精度波形捕捉，实现扰动方向的判定，并能够提供扰动分析报告，记录事故发生时候的准确事件和波形还原，给出合理化建议，帮助我们的用户解决电网扰动方向监测与责任判定的难题，支撑损失索赔或者改善提升供电可靠性的建议。
中压整站弧光保护
在中压母线、中压柜运行过程中很可能由于操作失误、接头松脱、动物侵入，以及长时间运行后PT绝缘老化、套管老化导致严重短路故障。
对于中压母线未像高压母线那样安装母线差动保护，中压母线短路故障依赖上级进线的后备保护切除，切除时间长，而根据测试结果数据，母线燃弧后0.1s就会燃烧，0.15s后母线损毁，柜体在0.2s后爆炸。
对10kV和6.6kV开关站内部署整站式弧光保护系统，配置单独的弧光保护系统（独立于微机保护，可以不影响现有保护系统），包含主单元、辅助单元和弧光传感器。弧光传感器可装在开关柜的三个隔室内（母线室、断路器室和电缆室），能够全面保护整站内的开关柜。通过检测电弧光信号，整套母线的保护动作时间可达5～7ms，主单元可显示弧光发生点位置，在主断路器拒动时发出跳闸指令跳上一级断路器，提高保护系统的安全性监测数据。
中压多母线段电源投切
为了保障供电连续性，中压市电和柴发之间的电源负载自动切换是半导体工厂必不可少的应用场景，由于半导体工厂的UPS容量和发电机容量都不是满负荷配置，通常配置容量在总容量的15%~30%左右，且半导体工厂中压母线段较多，实现快速的自动化投切成为了客户在设计、部署和运维阶段始终关注的难题。实现市电、柴发以及重要负载之间的切换逻辑方式有多种，施耐德电气采用数字通讯技术构建了中压全站电源负载自动控制系统，实现电子厂房多段母线备用电源投切的“四化”：设计标准化，工程简约化，维护数字化，运行仿真化。另一方面，数字化双胞胎，自动投切逻辑不需要启动柴发增加额外的运行成本，也不需要受现场进度条件限制直接输出到控制对象，即可实现模拟仿真验证投切逻辑。
可帮助电子厂房解决多母线段投切遇到的以下问题：
1
施工需高定制化（现场接线复杂无法工厂预置，施工质量难控制，接错线的情况常发生）
2
维护难追溯（逻辑信号无法在线监视，信号线松脱会造成误动或者据动）
3
运行信息不对称（调试和维护人员面对复杂逻辑和120多根柜间线查询维护困难，加上设计、施工、竣工图面不一致，有时一个问题要找3到4天）
中压资产健康
中压开关柜是半导体工厂厂房配电系统重要的电气设备，中压柜的可靠运行是保证供电连续性的基础，如果在施工或者操作过程中中压开关柜内的母排、断路器触头、电缆接头存在连接耦合不紧密的情况，以及投运之前未清理干净施工过程积聚的大量灰尘，则会导致接触电阻值大于正常电阻值，加速设备通流后的热量积累，影响开关柜的运行，造成事故产生意外停电。另一方面，电子厂房目前对中压一次断路器剩余寿命暂无有效的方式进行评估。所以，数字化配电解决方案是通过在开关柜关键位置上（母排、断路器上触头、断路器下触头及电缆连接处）安装测温传感器，结合监控系统实现全天候连续温升监测，结合SCADA监控系统实现全天候连续温升监测，实时呈现基于负载电流的温升报警曲线，异常温升预警和报警，以便及早发现可能因为温升引起火灾风险。
另外，现在Micom P3综保就可以直接实现检测断路器的电寿命，还可以通过在传统的设备上加装传感元件，做到二次侧的分闸线圈、合闸线圈以及储能线圈的健康状态监测，结合软件上面的操作和运行数据的收集结合监控软件的算法和分析，使开关柜、断路器、二次控制器件这样的黑盒设备，能够通过数字说话，由被动运维变为主动运维。这些数据还可有效指导客户在未来备品备件和检修维护上的预算支出更加合理，同时还可做到风险提前感知，减少电气事故发生风险和频率。
未完待续
下期我们继续来了解电子厂房低压智能配电数字化解决方案、智能监控以及精细化管理。下期见~
