基于數(shù)字化技術(shù)的智慧配電系統(tǒng)及其設(shè)計應(yīng)用

孫巍巍， 王 寧

(天津市中力神盾電子科技有限公司，天津 300384)

1 低壓配電系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

(1)低壓配電系統(tǒng)自身安全性問題：在現(xiàn)有的低壓配電系統(tǒng)模式中，各種保護(hù)機(jī)制均以器件為主體，這些器件本身受限于物理特性、保護(hù)機(jī)制、配置情況等條件，經(jīng)常出現(xiàn)不報警、不動作甚至是誤動作，最終導(dǎo)致低壓配電系統(tǒng)整體安全受到威脅。

(2)低壓配電系統(tǒng)自身的可靠性問題：主要表現(xiàn)為故障頻發(fā)，影響對用電負(fù)荷的連續(xù)供電，在一些關(guān)鍵場合中可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。究其根源，主要是因為低壓配電系統(tǒng)配電及用電管理結(jié)合不足、配電設(shè)備生產(chǎn)制造粗放、子系統(tǒng)林立、強(qiáng)弱電交叉等。

(3)系統(tǒng)功能單一：目前的低壓配電系統(tǒng)無法滿足用戶的管理需求。解決該問題的常用手段是植入各種二次系統(tǒng)，但會因為復(fù)雜二次回路的引入降低系統(tǒng)整體可靠性。

(4)能耗管理能力低：目前，低壓供配電系統(tǒng)體系對節(jié)能有著迫切的需求，但現(xiàn)有能耗管理子系統(tǒng)很難在能耗數(shù)據(jù)精度、數(shù)據(jù)分析模式、具體節(jié)能措施等方面給出滿意的答案，甚至經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)嚴(yán)重錯誤、報表無人查看等情況。

(5)人機(jī)交互困難：當(dāng)前進(jìn)行低壓配電系統(tǒng)運營、維護(hù)和管理的工作多由具備基本電氣知識的人員負(fù)責(zé)，但工作開展較為困難，主要原因在于賴以使用的低壓配電系統(tǒng)自身交互媒介過于簡陋，功能發(fā)揮空間有限；或過于復(fù)雜，人員自身難以熟練掌握使用方法，因此在人員和低壓配電系統(tǒng)之間存在著明顯的隔閡。

2 基于數(shù)字化技術(shù)的智慧配電系統(tǒng)模式及功能特點

2.1 總體結(jié)構(gòu)形式

基于數(shù)字化技術(shù)的智慧配電系統(tǒng)分為兩種模式：智能終端模式和智慧電柜模式。前者通過智能終端自身的數(shù)字化功能進(jìn)行本回路的監(jiān)控管理，實現(xiàn)精細(xì)化保護(hù)；后者通過一體化智慧電柜實現(xiàn)配電回路的構(gòu)建以及系統(tǒng)的全面管理。在此基礎(chǔ)上，各智能終端及智慧電柜均能通過系統(tǒng)組網(wǎng)構(gòu)成三層網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)集中管理控制，簡化運維工作。

2.2 系統(tǒng)功能特點

(1)連續(xù)穩(wěn)定：為用電負(fù)荷提供連續(xù)的電能供應(yīng)是低壓配電系統(tǒng)的基本任務(wù)，智慧配電系統(tǒng)在這一方面通過各種具體的功能措施加以保證，包括自動化電源切換、級間聯(lián)鎖防止事故擴(kuò)大化等。這些功能、動作完全由智能低壓電氣系統(tǒng)自動完成，顯著縮短故障停電時間，甚至能夠最大程度上避免故障停電事故的發(fā)生；且連續(xù)供電的各種功能邏輯完全基于系統(tǒng)智慧化的特點來實現(xiàn)，以更高的可靠性、更簡潔的硬件配置實現(xiàn)了更加嚴(yán)謹(jǐn)和豐富的邏輯功能。

(2)安全可靠：系統(tǒng)運行期間，借助多項創(chuàng)新性的功能保證自身安全。特別是對于可能引發(fā)電氣火災(zāi)的因素，系統(tǒng)將其作為考慮內(nèi)容的重中之重，綜合利用數(shù)字化保護(hù)、異常電流識別保護(hù)等新型技術(shù)，切實保障系統(tǒng)安全。

(3)綠色節(jié)能：系統(tǒng)配置智慧化能耗管理子功能，在硬件層面上實現(xiàn)高精度的能耗數(shù)據(jù)采集，在軟件層面上將分析結(jié)果以直觀的形式提供給用戶，相比于傳統(tǒng)系統(tǒng)僅提供簡單能耗數(shù)據(jù)報表而言，該系統(tǒng)重點通過能耗規(guī)律分析功能自動找出能耗異常點，為用戶的節(jié)能方案提供針對性指導(dǎo)，同時具備節(jié)能控制功能，可根據(jù)用戶設(shè)定的條件進(jìn)行供電，減少負(fù)荷的無效運行。這一特性使得智慧配電系統(tǒng)不僅符合國家對于綠建、節(jié)能的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，還具備切實降低用戶能耗投入的效果。

(4)系統(tǒng)高效交互：考慮到設(shè)備現(xiàn)場、集中平臺均有與人進(jìn)行交互的需求，因此智電系統(tǒng)在這兩個場景均設(shè)置了相應(yīng)的交互媒介。本地媒介與一體化電柜架構(gòu)融合，負(fù)責(zé)進(jìn)行現(xiàn)場告警和異常提示，滿足現(xiàn)場查看和控制的基本需求；平臺媒介則以相對集中的角度與人進(jìn)行信息交流，滿足整個智電體系在不同層面上對于交互功能的具體需求。

(5)智慧化電力監(jiān)控：相對于傳統(tǒng)低壓配電系統(tǒng)單純通過監(jiān)測電參量及通斷狀態(tài)實現(xiàn)的電力監(jiān)控而言，基于數(shù)字化技術(shù)的智慧配電系統(tǒng)的電力監(jiān)控運用了專家診斷的功能，對自身運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控的同時，判斷系統(tǒng)異常狀態(tài)，查找安全隱患，實現(xiàn)故障的早期預(yù)警。

3 基于數(shù)字化技術(shù)的智慧配電系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)

(1)智能終端的指標(biāo)詳見表1。

(2)智慧電柜參數(shù)指標(biāo)詳見表2。

智能終端指標(biāo) 表1

4 系統(tǒng)設(shè)計

4.1 智電系統(tǒng)設(shè)計選用場合

基于數(shù)字化技術(shù)的新型智慧配電系統(tǒng)能夠代替以往的低壓配電系統(tǒng)，并實現(xiàn)功能特性方面的全面提升，因此，在民用建筑、鐵路、石化、空管等行業(yè)中均能夠發(fā)揮作用，具體而言，主要是應(yīng)用于變電站、低壓配電室、各級配電箱等層面。

4.2 設(shè)計方法

對于智能終端模式，其主要實現(xiàn)方式是在已經(jīng)確定的配電回路上加裝智能終端及專用電流互感器，并對各終端進(jìn)行組網(wǎng)通信，完成系統(tǒng)構(gòu)建。在設(shè)計過程中應(yīng)根據(jù)需求確定系統(tǒng)涵蓋范圍，在相應(yīng)的回路上添加終端，完成配電箱柜的設(shè)計，之后根據(jù)設(shè)備層的配置情況進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計，得出組網(wǎng)及拓?fù)鋱D。

對于智慧電柜模式，需要綜合考慮智慧電柜各柜型的規(guī)格和回路數(shù)量，將其與負(fù)荷容量分布情況進(jìn)行雙向匹配，確定柜型選擇、各回路的用途和參數(shù)配置，之后完成組網(wǎng)設(shè)計。

智慧電柜參數(shù)指標(biāo) 表2

4.3 注意事項

(1)斷路器的設(shè)計：斷路器型號及脫扣值由設(shè)計人員選擇，需要帶2對輔助接點及分勵脫扣器。

(2)電動操作機(jī)構(gòu)的設(shè)計：對主進(jìn)線斷路器、母聯(lián)斷路器、油機(jī)切換斷路器及要求具備電動分合閘功能的其他回路斷路器，需加裝電動操作機(jī)構(gòu)。

(3)智能終端設(shè)計：智能終端的選擇需根據(jù)回路性質(zhì)及功能需求進(jìn)行，在進(jìn)線回路、母聯(lián)回路補償回路及較大規(guī)格出線回路需選擇一級智能終端，在普通規(guī)格出線回路選擇二級智能終端，在配電箱回路選擇三級智能終端。

(4)互感器選擇：在智能終端模式下，需要選擇保護(hù)、測量二合一的專用電流互感器，在進(jìn)行其參數(shù)設(shè)計時，需結(jié)合回路規(guī)格及終端型號進(jìn)行綜合選擇。

(5)柜型設(shè)計：在智慧電柜模式下，需要從標(biāo)準(zhǔn)化柜型列表中進(jìn)行選擇，完成負(fù)載與柜型之間的雙向匹配，不能對回路數(shù)量及規(guī)格做隨意性改動。

5 應(yīng)用現(xiàn)狀及前景

5.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

基于數(shù)字化技術(shù)的新型智慧配電系統(tǒng)目前已在多個行業(yè)內(nèi)投入實際運行，包括雄安新區(qū)市民服務(wù)中心項目等，并且在安全運行、節(jié)約電能、高效管理等方面取得了優(yōu)異的表現(xiàn)。

在安全運行方面，由于該系統(tǒng)能夠?qū)Ξ惓顟B(tài)進(jìn)行及時的保護(hù)，并實現(xiàn)預(yù)警，特別是在電氣火災(zāi)防護(hù)方面，具備完整的電氣火災(zāi)監(jiān)控功能，有效提高了安全運行時間、降低故障發(fā)生幾率，避免電氣火災(zāi)等安全事故的發(fā)生。截至目前，在各應(yīng)用項目中，系統(tǒng)一直保持良好的運行。

在節(jié)約電能方面，該系統(tǒng)依托先進(jìn)的能耗管理功能，對各用電設(shè)備的無效運行進(jìn)行精細(xì)管理。由系統(tǒng)運行模擬測算結(jié)果以及在十三屆全運會體育館項目中調(diào)研所得的數(shù)據(jù)來看，在該智慧配電系統(tǒng)節(jié)能控制作用下，總體電能消耗減少約20%。對于用戶而言能夠顯著減少能耗方面的成本投入。

在高效管理方面，系統(tǒng)提供本地、遠(yuǎn)程等多種交互途徑，各項目運維人員均采取了集中管理的模式，減少約三分之二的人力需求，降低人力成本的同時，使各部分的管理效率大幅提升。

5.2 應(yīng)用前景