智能云配電系統(tǒng)應用研究

徐茹越, 陳 波

(浙江省省直建筑設計院, 浙江 杭州 310007)

0 引 言

在未實施智能配電系統(tǒng)之前,傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)往往只保障供配電系統(tǒng)安全、可靠的運行,系統(tǒng)所有配電設備通常獨立運行,不具備系統(tǒng)遠程監(jiān)視的功能,無法及時獲得配電系統(tǒng)預警信息,并及時預處理故障。隨著我國互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,新一代信息技術與制造業(yè)的深度融合,新一代智能配電產(chǎn)品的出現(xiàn),同時在大數(shù)據(jù)、云計算的技術支持下,配電設備數(shù)據(jù)價值被深度挖掘,新應用類型和管理模式隨之衍生,使得孤立的設備單元彼此連接,未來主要配電設備將會實現(xiàn)被監(jiān)測、被管理、被有效利用,為精細管理和精準運維提供新方法、新工具[1-3]。

云配電系統(tǒng)基于上述情況,通過整合各類資源,賦予傳統(tǒng)的配電領域以“智能”,并通過互聯(lián)網(wǎng)云平臺實現(xiàn)用電設備管理集成,形成全面監(jiān)測、遠程診斷、設備全生命周期管理等新型能力,實現(xiàn)民用建筑、生產(chǎn)用電設備管理各環(huán)節(jié)的互聯(lián)互通。同時云服務可提升管理協(xié)同水平,將故障預警、遠程運維、質(zhì)量診斷、遠程過程化等在線服務增值優(yōu)化,形成數(shù)據(jù)資源、管理流程、制造過程、制造服務的大數(shù)據(jù)分析與關聯(lián)挖掘,建立、健全、完善分析機制,以滿足個性化、定制化、智能化生產(chǎn)的需求,對加速工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)環(huán)境建設及配電領域轉(zhuǎn)型升級具有劃時代的意義[4-6]。

1 傳統(tǒng)智能配電系統(tǒng)與云配電系統(tǒng)架構對比分析

傳統(tǒng)智能配電系統(tǒng)采用計算機控制技術、通信技術和網(wǎng)絡技術等,通過網(wǎng)絡通信采集模塊和帶通信接口功能的現(xiàn)場檢測儀表、智能斷路器、綜合保護裝置等把實時配電系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集到中控站上位組態(tài)軟件,實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)遠程集中顯示、管理和調(diào)度。傳統(tǒng)智能配電系統(tǒng)通常由管理層、通信層和現(xiàn)場層3部分組成。管理層一般位于監(jiān)控室內(nèi),通過以太網(wǎng)通信接口負責收集通信層的數(shù)據(jù),進行集中管理和分析,負責整個變配電系統(tǒng)的整體監(jiān)控。通信層一般由數(shù)據(jù)采集模塊和網(wǎng)關組成,對管理層采用TCP/IP協(xié)議上傳采集數(shù)據(jù),對現(xiàn)場層采用Modbus、Profibus、RS-485等現(xiàn)場總線協(xié)議通信將現(xiàn)場設備和傳感器互連起來。對于民用建筑,現(xiàn)場層一般是各種類型的電力儀表、智能斷路器和綜保裝置等設備。

傳統(tǒng)智能配電系統(tǒng)架構示意圖如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)智能配電系統(tǒng)架構示意圖

智能云配電系統(tǒng)的架構分為3層,分別為云端應用層、項目本地系統(tǒng)控制與管理層、現(xiàn)場智能云終端設備層(互聯(lián)互通設備層)。

云端應用層可以實現(xiàn)云端工程情況構建、信息推送、監(jiān)測及自動化控制等功能,通過搭配移動終端APP、微信公眾號,實現(xiàn)線上線下的互動式管理、全新的數(shù)字化服務體驗以及能源優(yōu)化、過程優(yōu)化、電力設備全生命周期管理。

本地系統(tǒng)控制與管理層是云配電系統(tǒng)的核心層,主要負責用戶本地集中管理、本地計算任務和存儲任務,并決定實現(xiàn)該計算任務和存儲任務所需要的相應設備。此外,該層還負責整合計算結果,讀取數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)進行輸出,并將計算結果向用戶進行反饋。目前輸配電系統(tǒng)得益于物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新的技術,配電網(wǎng)絡可以從根本上提高安全性和可持續(xù)性[7-9]。

現(xiàn)場智能云終端設備層為基礎層,是具備實現(xiàn)終端用電設備的保護、計量、監(jiān)測、控制、數(shù)據(jù)傳輸、無功補償?shù)纫幌盗泄δ艿脑O備,主要包括智能云能管控終端、全新數(shù)字化萬能式斷路器、智能塑殼斷路器帶測量通信接口、無限能量傳感器等智能終端,這些設備為智能云配電系統(tǒng)的繼續(xù)發(fā)展提供堅實的基礎。

智能云配電系統(tǒng)架構示意圖如圖2所示。

圖2 智能云配電系統(tǒng)架構示意圖

2 智能云配電系統(tǒng)的硬件組成及技術要求

智能云配電系統(tǒng)硬件基礎設備主要包括云配電智能管控終端、內(nèi)置通信模塊智能斷路器、通信型斷路器加外置通信模塊、智能數(shù)字計量儀表、智能配電柜、不間斷電源(UPS)、雙電源切換裝置(ATSE)、智能微機保護裝置等硬件設備。

本文重點介紹云配電智能管控終端和內(nèi)置通信模塊智能斷路器的技術特點。云配電智能管控終端是基于物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)思維開發(fā)的最新智能配電產(chǎn)品,對原有的配電系統(tǒng)進行極大地簡化,將斷路器、電力儀表、電度表、系統(tǒng)及環(huán)境監(jiān)測儀、電器火災監(jiān)控、微機保護器、可編程邏輯控制器(PLC)、工業(yè)變送數(shù)據(jù)通用接收器、數(shù)據(jù)傳輸設備、無功補償控制器集成為一臺智能管控終端,同時具備小型化、高性能、高可靠等特點。而智能云管控終端的智能化、網(wǎng)絡化、可通信(IEC 61850+內(nèi)置多協(xié)議Modbus、Profibus、Devicenet、CAN)、WiFi+藍牙,方便實現(xiàn)云管理。通信模塊整體內(nèi)置,集遙測、遙信、遙控、遙調(diào)于一體,并實現(xiàn)斷路器故障脫扣或報警信息無線監(jiān)視。

目前,新型的智能一體化長壽命斷路器無需外接電流互感器,具備遙測、遙信、遙調(diào)、遙控功能,可在后臺對斷路器的所有狀態(tài)和參數(shù)進行查看和修改,實現(xiàn)遠程無人值守。這些斷路器無論是電氣壽命還是分斷能力均優(yōu)于傳統(tǒng)斷路器,減少人員維護壓力,具體具備以下功能:

(1) 一體化設計,內(nèi)置電流互感器無需外接,簡化現(xiàn)場安裝,且內(nèi)置通信接口,無需通信背包。

(2) 進線和母聯(lián)萬能式斷路器電氣壽命不低于10 000次,出線塑殼斷路器電氣壽命不低于7 500次。

(3) 高分斷進線和母聯(lián)萬能式斷路器優(yōu)先采用低壓真空斷路器產(chǎn)品,出線塑殼斷路器優(yōu)先采用雙斷點產(chǎn)品。

(4) 測量功能全,可采集電流、電壓、功率、頻率、電能等,對于電能質(zhì)量要求較高的場合,還可測量諧波。

(5) 故障通知和記錄可將故障時的參數(shù)記錄,并通過后臺發(fā)送給相關的值班人員,通過分析故障參數(shù),幫助值班人員快速定位和進行有針對性的處理,減少停電時間,實現(xiàn)主動運維。

(6) 遠程控制在后臺遠程對斷路器的整定參數(shù)和分合閘狀態(tài)進行控制。

3 智能云配電系統(tǒng)的軟件組成及主要具備功能

目前,國際、國內(nèi)主流配電產(chǎn)品和電力監(jiān)控的產(chǎn)品供應商都緊跟技術發(fā)展潮流,紛紛推出專用云管理平臺。智能云配電系統(tǒng)的軟件技術是在虛擬化模型中心的基礎上,將各系統(tǒng)資源進行整合,構建共享資源池,實現(xiàn)配電高級應用系統(tǒng)間的互操作,共同集成為適應智能配電網(wǎng)管理要求的統(tǒng)一應用服務系統(tǒng),即智能配電網(wǎng)模型云及應用服務系統(tǒng)。與傳統(tǒng)配電網(wǎng)系統(tǒng)相比,傳統(tǒng)分散式配電網(wǎng)服務系統(tǒng)功能單一且規(guī)模較小,只是面向單一的業(yè)務處理而進行的獨立設計開發(fā),不具備綜合業(yè)務處理能力;服務系統(tǒng)的操作流程和業(yè)務功能等各方面兼容性能較差,交互共享能力不足,缺乏擴展性和靈活性,難以提供統(tǒng)一、完整的信息視圖和信息展示,并無法動態(tài)適應業(yè)務環(huán)境可能發(fā)生的變化;還可能存在服務系統(tǒng)的軟硬件資源不能得到充分使用,綜合利用率偏低,其運營、維護以及管理成本較高。

智能云配電系統(tǒng)的云端應用層是支撐智能應用服務的系統(tǒng),主要由基礎支持云層、模型融合云層、配電業(yè)務云層和配電管理服務云層組成?；A支持云層利用虛擬化技術將系統(tǒng)軟硬件資源以及相關管理功能進行整合,實現(xiàn)資源部署、數(shù)據(jù)處理、負載處理以及安全管理等功能,并向外層提供動態(tài)可伸縮的基礎設施服務。模型融合云層對配電系統(tǒng)的異構信息模型進行對比分析和差異化研究,將配電網(wǎng)常用應用服務系統(tǒng)及軟件等異構模型進行融合,實現(xiàn)配電網(wǎng)統(tǒng)一模型集成。配電業(yè)務云層是虛擬化模型中心的部署集合,利用虛擬化模型中心包含的配電系統(tǒng)常用應用系統(tǒng)以及各智能分析軟件對配電系統(tǒng)的不同業(yè)務進行分析處理,實現(xiàn)配電系統(tǒng)的業(yè)務處理功能。配電管理服務云層主要實現(xiàn)智能配電網(wǎng)模型云,處理用戶需求與系統(tǒng)響應間的關系,并以不同服務形式滿足不同級別的電力企業(yè)用戶需求。

目前,主流廠家云端應用服務系統(tǒng)主要包括云項目模型構建、云監(jiān)測、云信息推送、云端自動控制和自動化、云節(jié)能、云維護、云協(xié)同、專家支撐系統(tǒng)等服務系統(tǒng)。

4 智能云配電系統(tǒng)的可應用場景

智能云配電技術優(yōu)勢在于每個配電環(huán)節(jié)配備具有全面綜合感知能力、智慧決策能力和強力執(zhí)行能力,同時在云端配備強大運算能力的大腦,通過對大數(shù)據(jù)的分析計算,提升云上云下的自動協(xié)同能力,故其具有極大的應用前景。

(1) 智能云配電系統(tǒng)在智能或智慧建筑中的應用。與傳統(tǒng)元件裝置相比,云配電智能終端克服傳統(tǒng)元件功能單一的缺點,能夠集測量、控制、保護等多種功能于一體,取代電量表、信號燈、繼電器等常規(guī)元件,并且大量減少柜內(nèi)的二次接線,使得系統(tǒng)更加緊湊,安裝和調(diào)試更方便。

(2) 智能云配電技術在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應用。在太陽能電站系統(tǒng)中,智能云配電技術將太陽能屋頂運行數(shù)據(jù)連接至物聯(lián)網(wǎng),開創(chuàng)光伏電站的數(shù)字時代,可持續(xù)分析電能質(zhì)量,跟蹤生產(chǎn)趨勢,實現(xiàn)資產(chǎn)效率最大化,并且進行預測性維護,最大程度地保證系統(tǒng)運行的安全、穩(wěn)定。

(3) 智能云配電技術在建筑設備自動控制及監(jiān)測中的應用。傳統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)設備必須包括水位計、水泵、流量計、PLC、流量變送器等傳感器和控制器,低壓配電柜內(nèi)應包括高低壓配電斷路器、閉合器、各類電表、GPRS通信模塊、工業(yè)交換機、警報裝置、橋頭警報器、管材及線纜等。若采用智能云配電系統(tǒng),系統(tǒng)有如下優(yōu)點:單點設備可通過WiFi或4G直接上云,無需經(jīng)過中繼設備逐層組網(wǎng),節(jié)省設備造價;采用4G、5G、WiFi代替GPRS,可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量可達到上萬字節(jié);設備與傳感器和控制器直接通過4～20 mA或0/1開關量相互連接,設備相當于數(shù)據(jù)交換機;無需現(xiàn)場數(shù)據(jù)顯示終端和各類電表設備作為顯示平臺,僅需手機即可完成;無需上位機,云端相當于云上位機,可以布置在現(xiàn)場和監(jiān)控數(shù)據(jù)中心及移動終端設備;無需組網(wǎng)設計,只需構建WiFi環(huán)境或直接使用4G/5G的現(xiàn)成運營商的網(wǎng)絡;數(shù)據(jù)傳輸加密級別高,保障數(shù)據(jù)安全性。

(4) 智能云配電技術在電力監(jiān)控系統(tǒng)中的應用。以計算機、通信設備、測控保護單元為基本工具,為變配電系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)采集、開關狀態(tài)檢測及遠程控制提供基礎平臺;與檢測、控制設備構成任意復雜的監(jiān)控系統(tǒng),在變配電監(jiān)控中發(fā)揮核心作用;幫助企業(yè)消除孤島,降低運作成本,提高生產(chǎn)效率,加快變配電過程中異常的反應速度。

(5) 智能云配電技術在節(jié)能系統(tǒng)中的應用。通過遙測和遙控可以合理調(diào)配負荷,實現(xiàn)優(yōu)化運行,有效節(jié)約電能,并有高峰與低谷用電記錄,為能源管理提供必要條件。同時民用建筑對電能按照明插座用電、動力用電、空調(diào)用電、特殊用電進行分項計量,工業(yè)企業(yè)可以對生產(chǎn)工段、生產(chǎn)流水線或機器進行三級計量,為企、事業(yè)單位電能節(jié)約審計提供依據(jù)。

除以上所述外,云配電技術還在智慧集約配電、安全供電管理、均衡負荷系統(tǒng)、社區(qū)智慧照明等各方面均發(fā)揮各種不同的作用。

5 智能云配電系統(tǒng)存在的技術問題

目前,傳統(tǒng)配電系統(tǒng)需要電工巡視和手工記錄系統(tǒng)的運行情況和數(shù)據(jù)。智能云配電系統(tǒng)由系統(tǒng)自動采集數(shù)據(jù),后臺分析、判斷、處理,實時掌握系統(tǒng)的運行情況,高效、準確、及時、可靠是傳統(tǒng)配電系統(tǒng)無法實現(xiàn)的。云配電系統(tǒng)技術優(yōu)勢明顯,但也需要考慮云配電系統(tǒng)國家層面的技術標準規(guī)范不全面、部分應用技術不成熟、數(shù)據(jù)安全和網(wǎng)絡安全風險等問題。需要關注的幾個問題如下:

(1) 智能云配電系統(tǒng)國家層面的技術標準和規(guī)范不全面,行業(yè)主流設備制造廠家都在建立企業(yè)私有的云配電平臺,行業(yè)缺乏統(tǒng)一規(guī)劃和統(tǒng)一標準,制約云配電系統(tǒng)的長期發(fā)展。

(2) 智能云配電系統(tǒng)的控制是否可以采用遠程自動控制,以及如何保障遠程自動控制的系統(tǒng)安全,是提高云配電系統(tǒng)安全應用的關鍵技術?；谂潆姲踩矫娴囊蛩?目前主流智能配電監(jiān)控系統(tǒng)通常是“只監(jiān)不控”,考慮配電系統(tǒng)安全原則,也合理。目前,遠程控制在智能家居、智能照明等系統(tǒng)中已實現(xiàn)PC或手機APP的遠程控制,但是智能云配電系統(tǒng)如果實施遠程控制,需要充分驗證該遠程控制的必要性、準確性、可靠性。

(3) 智能云配電系統(tǒng)的網(wǎng)絡信息安全和運行數(shù)據(jù)安全是系統(tǒng)安全性的關鍵要素。當前互聯(lián)網(wǎng)安全和數(shù)據(jù)安全一直備受各國的重視,智能配電系統(tǒng)的信息安全同樣重要。信息外泄可能給企業(yè)帶來非常嚴重的危害和產(chǎn)生不必要的損失,嚴重時有可能會危及國家安全。因此,建立智能云配電系統(tǒng)的信息安全機制和保障體系非常有必要,這是需要重點關注的問題。

6 結 語

云技術和互聯(lián)網(wǎng)是數(shù)據(jù)采集、處理、分析的重要技術手段。智能配電是大數(shù)據(jù)時代的產(chǎn)物,人工智能(AI技術)、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)+傳統(tǒng)配電系統(tǒng)實現(xiàn)供配電系統(tǒng)的智能化。目前,“安全可靠、高效便捷、節(jié)能環(huán)保、規(guī)范標準”的智能配電和云配電系統(tǒng)已逐漸成為未來供配電系統(tǒng)的主要建設方向。隨著智能配電系統(tǒng)的穩(wěn)步發(fā)展,對配電設備(智能化)和應用服務系統(tǒng)、平臺也提出更多的要求。智能配電系統(tǒng)在可靠性、便利性、功能性、網(wǎng)絡化、經(jīng)濟性等方面已體現(xiàn)明顯的優(yōu)點,在現(xiàn)代工程建設項目中得到廣泛的應用。智能云配電系統(tǒng)未來將會得到進一步的發(fā)展,以適應智能配電系統(tǒng)發(fā)展的需要。