智能配電系統(tǒng)在智慧建筑的應(yīng)用探討

楊光輝, 唐 穎

[施耐德電氣(中國(guó))有限公司, 北京 100102]

0 引 言

隨著城市人口的快速增長(zhǎng),各國(guó)都在為實(shí)現(xiàn)全球可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)而不懈努力,而CO2排放量占到40%的建筑成為了實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)的關(guān)鍵,建筑將向更高效、更綠色的方向發(fā)展。未來(lái)智慧建筑應(yīng)具備可持續(xù)發(fā)展、高效、以人為本及彈性等特質(zhì)[1]。建筑的智慧化升級(jí)勢(shì)必要求配電系統(tǒng)隨之升級(jí)。本文闡述和探討了智能配電系統(tǒng)在智慧建筑的應(yīng)用、智能配電系統(tǒng)關(guān)鍵功能,以及對(duì)未來(lái)智慧建筑的應(yīng)用價(jià)值。

1 傳統(tǒng)配電系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

智慧建筑將實(shí)現(xiàn)建筑的綠色、健康、高效、可持續(xù)發(fā)展,強(qiáng)調(diào)建筑使用者的安全性、便捷性、舒適性。智慧建筑除應(yīng)滿足建筑功能、使用等基本需求外,還應(yīng)為建筑的使用人員提供100%可用且零安全風(fēng)險(xiǎn)的電力供應(yīng)。電力供給在智慧建筑的運(yùn)行中起著關(guān)鍵的作用。

隨著智慧建筑的管理需求逐步提升,傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)在配電系統(tǒng)整體運(yùn)行維護(hù)、設(shè)備資產(chǎn)管理以及供電連續(xù)性監(jiān)測(cè)和分析等方面,已無(wú)法滿足未來(lái)智慧建筑智慧化運(yùn)營(yíng)和對(duì)系統(tǒng)的全生命周期運(yùn)行管理需求。

未來(lái)智能電網(wǎng)中,將會(huì)有越來(lái)越多綠色清潔的分布式能源作為新型的供電電源出現(xiàn)在智慧建筑中,在緩解能源危機(jī)和確保用能經(jīng)濟(jì)性的同時(shí),也對(duì)電氣系統(tǒng)提出了更高、更復(fù)雜的要求。

隨著5G技術(shù)的應(yīng)用、邊緣端數(shù)據(jù)中心的建設(shè),未來(lái)的智慧建筑對(duì)供電連續(xù)性也提出更復(fù)雜需求,配電系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)更可靠供電供給,需要對(duì)潛在的故障隱患進(jìn)行分析,配電系統(tǒng)需要關(guān)鍵的升級(jí)迭代來(lái)適應(yīng)未來(lái)配電系統(tǒng)預(yù)測(cè)性維護(hù)的管理需求。

傳統(tǒng)配電系統(tǒng)已無(wú)法滿足智慧建筑的需求,配電系統(tǒng)需要進(jìn)行智能化升級(jí),以適應(yīng)未來(lái)綠色智慧建筑提出的新要求。作為支持建筑運(yùn)行的關(guān)鍵能源,建筑配電系統(tǒng)在未來(lái)必將融入智慧建筑的整體運(yùn)行維護(hù),智能配電系統(tǒng)作為智慧建筑的關(guān)鍵組成部分,應(yīng)能與其他系統(tǒng)之間進(jìn)行有效銜接和融合。

2 智能配電系統(tǒng)給智慧建筑帶來(lái)的價(jià)值

智能配電系統(tǒng)是在傳統(tǒng)配電系統(tǒng)基礎(chǔ)上,通過(guò)智能硬件、網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備、監(jiān)控管理軟件Power SCADA和/或物聯(lián)網(wǎng)(IoT)云平臺(tái),在網(wǎng)絡(luò)安全要求前提下,完成智能硬件設(shè)備的統(tǒng)一接入、統(tǒng)一存儲(chǔ)以及統(tǒng)一管理,實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)的智能化升級(jí)[2]。智能配電系統(tǒng)可對(duì)配電系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)維監(jiān)測(cè)、配電設(shè)備資產(chǎn)管理、電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)分析以及電能利用效率的持續(xù)追蹤分析。從智慧建筑的監(jiān)測(cè)管理和智慧運(yùn)維角度,智能配電系統(tǒng)能給智慧建筑帶來(lái)以下三大價(jià)值。

(1) 在傳統(tǒng)運(yùn)維管理的基礎(chǔ)上進(jìn)行關(guān)鍵產(chǎn)品的數(shù)字化迭代升級(jí),實(shí)現(xiàn)配電設(shè)備資產(chǎn)管理,進(jìn)行關(guān)鍵故障定位和預(yù)測(cè)性維護(hù)運(yùn)維。

(2) 構(gòu)建配電系統(tǒng)的全景數(shù)據(jù),滿足配電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)完整性、一致性和準(zhǔn)確性的要求,并和智慧建筑的其他基礎(chǔ)設(shè)施有效銜接、關(guān)聯(lián)分析,確保對(duì)關(guān)鍵負(fù)載的連續(xù)可靠供電。

(3) 有效監(jiān)測(cè)分析供電質(zhì)量和電能利用效率,對(duì)配電系統(tǒng)的信息統(tǒng)一存儲(chǔ)和處理,提供統(tǒng)一規(guī)范的數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù),對(duì)能源的質(zhì)量,以及能源的使用狀況進(jìn)行有效分析評(píng)判,使智慧建筑中的智能配電作為智能電網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)融入未來(lái)城市智能電氣網(wǎng)絡(luò)。

3 智能配電系統(tǒng)組成

智能配電系統(tǒng)包含配電系統(tǒng)軟、硬件,應(yīng)采用開(kāi)放式的、易于擴(kuò)展的體系架構(gòu)和平臺(tái)。配電系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備可進(jìn)行數(shù)字化升級(jí)迭代,在整體的架構(gòu)上,分為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)通訊層、邊緣控制系統(tǒng)和云端應(yīng)用層。智能配電系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示,不同的層級(jí)最終功能應(yīng)按照不同需求進(jìn)行靈活配置來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1 智能配電系統(tǒng)架構(gòu)

智能配電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源于中低壓配電系統(tǒng)的智能斷路器、多功能電表、智能傳感器、計(jì)量設(shè)備等,通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化接口實(shí)現(xiàn)運(yùn)行、預(yù)警、報(bào)警、故障、資產(chǎn)運(yùn)行信息、設(shè)備故障等信息的追蹤和分析,實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)的運(yùn)行和運(yùn)維、電氣設(shè)備資產(chǎn)以及電能質(zhì)量和能源效率的持續(xù)監(jiān)測(cè)、追蹤。

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層由具有通訊能力的智能低壓斷路器、多功能電表、智能傳感器、智能電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)單元和智能輔助監(jiān)測(cè)設(shè)備等構(gòu)成。采集數(shù)據(jù)的關(guān)鍵設(shè)備如下:多功能電表,用于采集一次配電回路的運(yùn)行參數(shù);智能電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)單元,可提供對(duì)電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)、分析、治理,并提供相關(guān)的數(shù)據(jù)通訊接口;智能傳感器,用于在智能配電系統(tǒng)中輔助監(jiān)測(cè)環(huán)境的信息、運(yùn)行工況信息;智能輔助監(jiān)測(cè)設(shè)備,提供操作輔助電源、特殊數(shù)據(jù)接口,具備完成報(bào)警和關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)的采集和數(shù)據(jù)通訊功能。

網(wǎng)絡(luò)通訊層包含支持特定架構(gòu)的通訊處理設(shè)備。數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)關(guān)提供關(guān)鍵的協(xié)議轉(zhuǎn)換,通訊接口轉(zhuǎn)換設(shè)備對(duì)部署在云端的IoT云端平臺(tái)能夠同時(shí)提供4G、5G等網(wǎng)絡(luò)通道,打通數(shù)據(jù)向云端匯聚的通路。網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備包括交換機(jī)、路由器等通訊設(shè)備,為智能配電提供系統(tǒng)內(nèi)通信服務(wù)。

邊緣控制層包括為實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)運(yùn)維功能需要提供的監(jiān)控系統(tǒng)軟件,以及監(jiān)控管理服務(wù)器、操作員工作站、工程師工作站、網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘源等設(shè)備。

云端應(yīng)用層應(yīng)包含IoT云端平臺(tái)。IoT云端平臺(tái)是滿足智慧建筑管理需求而建設(shè)的數(shù)據(jù)計(jì)算和數(shù)據(jù)存貯資源,包括建立云端平臺(tái)所需的數(shù)據(jù)中心硬件、軟件環(huán)境,以及針對(duì)智慧建筑管理提供的網(wǎng)絡(luò)通道、電腦軟件以及手機(jī)應(yīng)用APP。

智能配電系統(tǒng)需要系統(tǒng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)使用配置工具軟件、監(jiān)控控制終端軟件。配置工具軟件應(yīng)用于配置現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)通訊層、邊緣控制層以及IoT云端平臺(tái)。配置工具軟件應(yīng)具備以下特點(diǎn):針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層設(shè)備,提供針對(duì)性的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置軟件,對(duì)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)、通訊參數(shù)以及資產(chǎn)信息進(jìn)行設(shè)定;針對(duì)數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)關(guān),提供針對(duì)性的通訊參數(shù)、數(shù)據(jù)匯總和轉(zhuǎn)發(fā)、端口進(jìn)行配置的軟件;針對(duì)監(jiān)控管理軟件,提供設(shè)備通訊參數(shù)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)保存、報(bào)警和歷史數(shù)據(jù)、HMI圖形界面編輯組態(tài)工具;針對(duì)IoT云端平臺(tái),提供云端平臺(tái)的數(shù)據(jù)匯聚組態(tài)工具,在IoT云端平臺(tái)提供界面顯示和配置的界面。

智能配電監(jiān)控控制終端軟件用于智能配電整體監(jiān)控,各個(gè)不同的工作站用于界面配置、顯示節(jié)點(diǎn),完成基本數(shù)據(jù)采集、冗余和集群部署以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析。提供CS、BS部署方式等,需要滿足未來(lái)智慧建筑運(yùn)行管理需求。

智慧建筑中的智能配電系統(tǒng)縱向可與智慧建筑中某些特定應(yīng)用中的特定上層信息管理平臺(tái)融合,如與智慧建筑綜合樓宇集成管理平臺(tái)iBMS(智能建筑管理系統(tǒng))進(jìn)行信息分享和傳輸;與樓宇能效分析管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和傳輸。智能配電系統(tǒng)橫向可以與智慧建筑中其他智慧子系統(tǒng),或者設(shè)備、控制器進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)交互和功能融合,可以在監(jiān)控管理軟件或者現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中直接或者間接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,方便不同的系統(tǒng)在專業(yè)平臺(tái)層級(jí)進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析。

4 智能配電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

智能配電系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理、運(yùn)行維護(hù)管理、電氣資產(chǎn)管理、電能質(zhì)量管理、電能效率管理功能。

(1) 數(shù)據(jù)采集和處理應(yīng)具有狀態(tài)數(shù)據(jù)采集、測(cè)量數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)功能。

(2) 運(yùn)行維護(hù)管理應(yīng)具有遠(yuǎn)程瀏覽和監(jiān)視、配電系統(tǒng)的可視化監(jiān)測(cè)、操作與控制、智能報(bào)警、曲線和趨勢(shì)、運(yùn)行報(bào)表功能及檢修工單管理等功能。

(3) 電氣資產(chǎn)管理應(yīng)可采集設(shè)備臺(tái)賬信息、具備設(shè)備缺陷管理、設(shè)備定值管理及電子文檔管理功能。

(4) 電能質(zhì)量管理應(yīng)包括電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)分析、電能質(zhì)量的補(bǔ)償治理功能,保證智慧建筑中設(shè)備用電可靠、安全。

(5) 電能效率管理應(yīng)包括電能分析管理功能,通過(guò)分析圖表,發(fā)現(xiàn)影響能源效率的關(guān)鍵因素,并幫助發(fā)現(xiàn)電能使用的最佳實(shí)踐,幫助推進(jìn)節(jié)能措施。

智能配電系統(tǒng)具備相應(yīng)的智能算法,能夠?qū)v史運(yùn)行的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理分析,通過(guò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析和發(fā)現(xiàn)配電系統(tǒng)的潛在隱患,幫助智慧建筑實(shí)現(xiàn)預(yù)防性運(yùn)維管理。

5 智能配電在智慧建筑中的應(yīng)用

智能配電在智慧建筑中應(yīng)提供電腦客戶端程序、Web客戶端、手機(jī)APP等多種方式,供智慧建筑的運(yùn)維工人、運(yùn)維管理人員靈活選擇。

(1) 對(duì)于智慧建筑中的關(guān)鍵用電負(fù)載,應(yīng)設(shè)置實(shí)時(shí)監(jiān)控管理系統(tǒng),與智慧建筑管理大系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互,同時(shí)關(guān)鍵電氣資產(chǎn)設(shè)備與IoT云端平臺(tái)同步,實(shí)現(xiàn)運(yùn)行維護(hù)管理、電力資產(chǎn)管理、電能質(zhì)量管理以及能源管理功能。

(2) 對(duì)于中小型智慧建筑,可設(shè)置實(shí)時(shí)監(jiān)控管理系統(tǒng)并與智慧建筑管理平臺(tái)融合,并完成關(guān)鍵電氣資產(chǎn)與IoT云端平臺(tái)同步,實(shí)現(xiàn)運(yùn)行維護(hù)管理、電力資產(chǎn)管理,以及能源管理功能。

(3) 對(duì)于智慧建筑群或者集團(tuán)性的智慧建筑,靈活設(shè)置實(shí)時(shí)監(jiān)控管理平臺(tái)和/或IoT智能配電管理平臺(tái),與集團(tuán)性云端平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互同步,完成關(guān)鍵電源的管理、運(yùn)維和電子化工單,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)行維護(hù)管理、離散站點(diǎn)統(tǒng)一管理功能。

6 智能配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全

智能配電系統(tǒng)在設(shè)計(jì)規(guī)劃時(shí)需要充分考慮數(shù)據(jù)安全性,滿足智慧建筑特殊用戶數(shù)據(jù)安全需求。在沒(méi)有特定需求時(shí),應(yīng)充分評(píng)估數(shù)據(jù)安全性,滿足GB/T 22239—2019《信息安全技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)基本要求》中相應(yīng)等級(jí)的基本要求,根據(jù)GB/T 22240—2020《信息安全技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)定級(jí)指南》確定合適的網(wǎng)絡(luò)安全保護(hù)等級(jí)。智能配電系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全需求包含可用性、完整性和機(jī)密性等,并應(yīng)符合下列規(guī)定。

(1) 對(duì)接入系統(tǒng)的關(guān)鍵供電設(shè)備執(zhí)行身份鑒別和訪問(wèn)控制,宜參考GB/T 37093—2018《信息安全技術(shù) 物聯(lián)網(wǎng)感知層接入通信網(wǎng)的安全要求》。

(2) 確保智能配電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸安全,宜參考GB/T 37025—2018《信息安全技術(shù) 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸安全技術(shù)要求》。

(3) 確保接入系統(tǒng)的關(guān)鍵供電設(shè)備的自身設(shè)備安全,宜遵循GB/T 36951—2018《信息安全技術(shù) 物聯(lián)網(wǎng)感知終端應(yīng)用安全技術(shù)要求》。

(4) 智能配電系統(tǒng)應(yīng)充分考慮自動(dòng)保護(hù)、容錯(cuò)和恢復(fù)能力,通過(guò)對(duì)輸入數(shù)據(jù)的有效性校驗(yàn)來(lái)確保輸入的數(shù)據(jù)符合系統(tǒng)要求,并在故障發(fā)生時(shí)能自動(dòng)保護(hù)當(dāng)前所有狀態(tài),保證系統(tǒng)能夠恢復(fù)正常運(yùn)行。

(5) 如受條件限制,物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備無(wú)法實(shí)現(xiàn)上述要求時(shí),應(yīng)由智能配電監(jiān)測(cè)管理SCADA后臺(tái)或?qū)崿F(xiàn)同等功能的系統(tǒng),或通過(guò)管理手段實(shí)現(xiàn)控制,確保智慧建筑的供電安全性。

7 智能配電系統(tǒng)可用性和完整性

智能配電在規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行期間需要充分考慮系統(tǒng)的可用性。智能配電可用性需要通過(guò)關(guān)鍵的中低壓智能斷路器的保護(hù)功能、控制功能、監(jiān)測(cè)功能等不受到外部安全因素的影響,在其運(yùn)行時(shí)能正確處理所需信息,在其遭受攻擊時(shí),有能力抵御攻擊或快速恢復(fù)正常運(yùn)行。智能配電可用性是智能配電系統(tǒng)最重要的安全需求,也是最重要的安全性能衡量指標(biāo)。

智能配電系統(tǒng)應(yīng)充分考慮完整性,保證智能配電的相關(guān)信息在傳輸、存儲(chǔ)和處理過(guò)程中不能被未授權(quán)更改或破壞的特性,即信息在傳輸和存儲(chǔ)過(guò)程中保持不被偶然或蓄意的刪除、修改、插入等。

智能配單還應(yīng)充分考慮保密性,關(guān)鍵信息不被泄露給未授權(quán)的用戶、實(shí)體或過(guò)程,或其控制功能不被利用。

8 結(jié) 語(yǔ)

智能配電系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)安全、綠色、高效、舒適、智能的可持續(xù)發(fā)展的未來(lái)智慧建筑中起著至關(guān)重要的作用。針對(duì)不同的項(xiàng)目和應(yīng)用場(chǎng)景,電氣行業(yè)從業(yè)者應(yīng)能在智慧建筑的設(shè)計(jì)、實(shí)施、檢驗(yàn)以及運(yùn)維階段熟練掌握智能配電系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成、可實(shí)現(xiàn)的功能以及對(duì)于網(wǎng)絡(luò)安全的要求。