智慧城市與智能配電系統(tǒng)研究

李緒彪

（廣東省建筑設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510000）

1 智慧城市建設(shè)中傳統(tǒng)配電系統(tǒng)存在的問題和智能配電系統(tǒng)相關(guān)概述

智能建筑發(fā)展對配電系統(tǒng)提出了更高的要求，需要在供電連續(xù)性、系統(tǒng)整體運維以及設(shè)備資產(chǎn)管理方面做出更多的努力，以滿足智慧城市和智慧建筑的發(fā)展需求。全生命周期管理作為全面的管理方式，在這方面具有廣闊的應(yīng)用前景。該背景下配電系統(tǒng)實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的供電，需要分析潛在故障和潛在隱患，不斷迭代升級適應(yīng)發(fā)展。傳統(tǒng)配電系統(tǒng)在目前智慧城市、智慧建筑發(fā)展背景下已經(jīng)不能完全適用，因此要對配電系統(tǒng)進行智能化升級。

智能配電系統(tǒng)即智能配電，實際是借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)以及信息化技術(shù)引入智能化設(shè)備應(yīng)用到傳統(tǒng)配電系統(tǒng)，實現(xiàn)智能配電的構(gòu)建，提升系統(tǒng)安全性和有效性。智能配電系統(tǒng)是智能電網(wǎng)發(fā)展的衍生物，充分考慮了用戶側(cè)的實際用電需求，為用電用戶提供科學(xué)服務(wù)。經(jīng)過不斷探索和實踐，該系統(tǒng)日益成熟。它充分融合了總線組網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)，借助采集器、傳感器等智能化裝置，結(jié)合計算機系統(tǒng)的中心軟件進行數(shù)據(jù)采集、處理，可以為用戶和工作人員提供數(shù)據(jù)支持[1]。

智能配電系統(tǒng)一般由一次強電回路、二次控制回路以及通信回路3部分構(gòu)成。該系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)基本的智能配電系統(tǒng)功能，還能夠?qū)崟r監(jiān)控整個電網(wǎng)的質(zhì)量，同時能夠面對突發(fā)的配電系統(tǒng)故障進行自我診斷與自我修復(fù)。應(yīng)用智能配電系統(tǒng)能夠?qū)ο到y(tǒng)中的電器設(shè)備進行電壓保護和電流保護，搭配智能電表，實現(xiàn)對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的無紙化記錄，并儲存到系統(tǒng)中，以備后續(xù)需要[2]。

2 智能配電系統(tǒng)在智慧城市中應(yīng)用的必要性

隨著人類社會的不斷發(fā)展，未來城市將承載越來越多的人口。為解決城市發(fā)展難題，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，建設(shè)智慧城市已成為當今世界城市發(fā)展的潮流。智慧城市建設(shè)必然以信息技術(shù)應(yīng)用為主線，實現(xiàn)城市智慧式管理和運行，這是一個復(fù)雜、相互作用的龐大系統(tǒng)，但無論是城市服務(wù)還是工商業(yè)活動，無論是生活還是生產(chǎn)，都離不開電力的全方位保障。因此，智慧城市必須電力先行，智能配電是實現(xiàn)智慧城市的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[3]。

智慧城市的能量分布復(fù)雜，要求電力應(yīng)用具備幾大特點。首先，配電復(fù)雜，需要分級保護。其次，電力要實現(xiàn)持續(xù)供給，且要更加穩(wěn)定，具備高可靠性。再次，能源的使用效率是關(guān)鍵，與環(huán)境保護和社會的可持續(xù)發(fā)展密不可分。最后，需要實現(xiàn)高效檢測和維護，這要求系統(tǒng)本身可以進行自我診斷和維護，快速解決問題，與物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展關(guān)系密切。

3 智慧城市建設(shè)中智能配電系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

智能配電系統(tǒng)設(shè)計需要充分考慮硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，保證系統(tǒng)具有易擴展性和開放性。面對日益升級的智能建筑和智能城市，智能系統(tǒng)中大量關(guān)鍵設(shè)備需要不斷升級迭代。系統(tǒng)架構(gòu)主要由云端應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)通信層、現(xiàn)場設(shè)備層以及邊緣控制系統(tǒng)層構(gòu)成，不同層級具備不同的功能，同時應(yīng)該結(jié)合用電側(cè)用戶實際需求進行靈活配置。

智能配電系統(tǒng)中的計量設(shè)備、多功能電表以及智能斷路器能夠采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并上傳至數(shù)據(jù)分析中心，實現(xiàn)故障分析、故障預(yù)警以及故障設(shè)備追蹤分析等功能，對配電系統(tǒng)運維、電能質(zhì)量監(jiān)控以及能源效率的提高具有重要意義。

3.2 系統(tǒng)構(gòu)成及功能實現(xiàn)

3.2.1 現(xiàn)場設(shè)備層

現(xiàn)場設(shè)備層作為通信能力層級，主要由智能傳感器、智能低壓斷路器、智能電能質(zhì)量監(jiān)測單元、多功能電表以及智能輔助監(jiān)測設(shè)備構(gòu)成。智能低壓斷路器、多功能電表、智能電能質(zhì)量監(jiān)測單元、智能傳感器以及智能輔助監(jiān)測設(shè)備能夠分別采集不同的配電設(shè)備數(shù)據(jù)，包括一次配電回路運行參數(shù)、電能質(zhì)量運行參數(shù)以及監(jiān)測環(huán)境信息等。

低壓系統(tǒng)主要采用由智能斷路器、智能儀表以及智能控制模塊等組成的智能配電網(wǎng)絡(luò)。具體到智能配電系統(tǒng)產(chǎn)品方面，各生產(chǎn)企業(yè)采用的技術(shù)路線不同。從智能儀表入手，完善儀表和后臺的功能（主要以電力儀表生產(chǎn)廠家為主）。不少低壓智能配電系統(tǒng)是在原有低壓電力監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，可以滿足基本的監(jiān)控功能。從智能斷路器入手，完善斷路器的智能控制單元（主要以斷路器生產(chǎn)廠家為主）。從配電柜入手，優(yōu)化配電柜結(jié)構(gòu)，由智能采樣和智能控制模塊構(gòu)成標準化、模塊化的智能配電柜（主要以成套配電柜生產(chǎn)廠家為主）。綜上所述，需要完善的智能配電系統(tǒng)的功能[4,5]。

3.2.2 網(wǎng)絡(luò)通信層

網(wǎng)絡(luò)通信層主要由通信處理設(shè)備構(gòu)成，能夠提供關(guān)鍵的協(xié)議轉(zhuǎn)換，為整個系統(tǒng)、云端提供數(shù)據(jù)通路。配電主干通信網(wǎng)方案有多種，主要有以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)（Ethernet Passive Optical Network，EPON）、光纖工業(yè)以太網(wǎng)等方式。目前各種通信方式中，光纖通信具有高速可靠、抗干擾、網(wǎng)絡(luò)自愈功能、配置靈活、擴展方便以及便于敷設(shè)等優(yōu)點，是配電網(wǎng)通信系統(tǒng)的最佳方式。

3.2.3 邊緣控制層

系統(tǒng)架構(gòu)中的邊緣控制層主要提供監(jiān)測運維功能，由相應(yīng)的監(jiān)控系統(tǒng)軟件提供技術(shù)支持。該層級由工程師工作站、監(jiān)控管理服務(wù)器、操作員工作站以及網(wǎng)絡(luò)時鐘源等設(shè)備構(gòu)成。

3.2.4 云端應(yīng)用層

云端應(yīng)用層主要由物聯(lián)網(wǎng)云端平臺構(gòu)成，能夠用于與數(shù)據(jù)資源的計算、分析和存儲。為滿足智能建筑管理的實際需求，該層級包括手機應(yīng)用App、數(shù)據(jù)中心硬件、網(wǎng)絡(luò)通道、軟件環(huán)境以及計算機軟件等。

3.3 智能配電系統(tǒng)應(yīng)用實證及應(yīng)用效果

3.3.1 全面多元的感知設(shè)備

智能配電系統(tǒng)中引入全面多元的感知設(shè)備，采用了新研發(fā)的智能型配電產(chǎn)品。這些產(chǎn)品具有框架式斷路器（Air Circuit Breaker，ACB）、塑殼式斷路器（Moulded Case Circuit Breaker，MCCB）控制單元和相應(yīng)附件，同時具備互聯(lián)互通能力。這些產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)基本的控制功能，還能夠通過通信模塊將相應(yīng)信息傳回系統(tǒng)中心，完成更加復(fù)雜的功能。

3.3.2 匹配完善的邊緣控制

智慧建筑建設(shè)中不斷引入智能型配電產(chǎn)品，能夠快速獲取大量相關(guān)信息，并將信息應(yīng)用于配電系統(tǒng)管理，以提高信息獲取速度和處理速度，對配電系統(tǒng)中故障發(fā)現(xiàn)、故障排查以及運維管理效率提高具有重要意義。為實現(xiàn)上述目的，需要智慧配電管理系統(tǒng)和平臺提供支持。配電產(chǎn)品廠商能夠提供相應(yīng)的智慧配電管理軟件，對于特殊的需求還可以聯(lián)系軟件供應(yīng)商進行私人定制，利用傳輸網(wǎng)絡(luò)和感知設(shè)備獲取配電系統(tǒng)信息，然后結(jié)合云計算技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)收集、整理和深入分析數(shù)據(jù)，并利用人工智能技術(shù)作出科學(xué)決策，最終實現(xiàn)整個系統(tǒng)狀態(tài)的評估、全周期記錄、精細化管理和高效維護，以保障配電系統(tǒng)運維的安全可靠性。傳統(tǒng)電氣管理系統(tǒng)并不能實現(xiàn)上述功能，因此引入智能配電管理平臺和系統(tǒng)的變得尤為必要。智能配電管理平臺、管理軟件的應(yīng)用實現(xiàn)了信息的全面獲取和系統(tǒng)的高精度控制。在目前智慧建筑和智能配電系統(tǒng)的發(fā)展中，需要將建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)管理平臺和智慧配電管理系統(tǒng)相互融合，并且和應(yīng)急指揮平臺互聯(lián)互通，實現(xiàn)高效配電系統(tǒng)管理和智慧建筑科學(xué)的安全發(fā)展。

3.3.3 穩(wěn)定可靠的分布部署

單點監(jiān)控存在一定缺陷，會影響數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備管理，甚至可能引發(fā)故障風(fēng)險。智能配電系統(tǒng)采用分布部署方案，能夠解決上述問題。云端存儲和系統(tǒng)本地存儲相互交互、互為備用。機房就地、控制中心本地、云端3段平行設(shè)備執(zhí)行管理，同時能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)頁瀏覽操作、App瀏覽操作等功能。這些技術(shù)和方案的交互應(yīng)用，可有效提高配電系統(tǒng)運維的穩(wěn)定性、實時性以及便攜性。

4 智能配電系統(tǒng)在智慧城市中的具體應(yīng)用與展望

4.1 報警智能化實現(xiàn)功能

未來智能配電系統(tǒng)的預(yù)警、報警功能將會朝著更加智能化的方向發(fā)展。系統(tǒng)能夠結(jié)合智能建筑的現(xiàn)狀進行分級、分區(qū)，發(fā)現(xiàn)故障、報警事件時能夠根據(jù)智慧建筑的實際狀態(tài)將信息推送到手機終端，幫助檢修人員及時、準確發(fā)現(xiàn)問題和故障，同時制定有效策略處理和采集各種遙測、遙信、電度信息和數(shù)據(jù)，如配電系統(tǒng)母線段電壓值、電流值、各回路電量，實時采集電壓不平衡度、電流不平衡度以及各斷路器、手車狀態(tài)、變壓器溫度和運行狀態(tài)等，并實時計算這些數(shù)據(jù)（計算遙測量與多點遙信等）。系統(tǒng)對實時采集的數(shù)據(jù)進行各種統(tǒng)計分析，通過視頻監(jiān)控輔助智能配電系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)變配電系統(tǒng)的無人值守，并通過對負荷等級的精細化分級，提高供電系統(tǒng)的可靠性、靈活性和可擴展性。

4.2 現(xiàn)場運行監(jiān)測智能化

傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)運行狀況主要依賴電氣圖，可以通過電氣圖分析了解現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)。在智慧建筑和智能配電系統(tǒng)發(fā)展的推動下，云端配置管理平臺成為未來發(fā)展的必然趨勢。結(jié)合智慧建筑進行信息建模，利用智慧配電平臺實時監(jiān)測配電系統(tǒng)的運行狀況，將傳統(tǒng)的電氣圖轉(zhuǎn)化為各種圖片、文本等信息，以更加直觀、簡單、可視化的方式展示給用戶和工作人員。

4.3 智能配電系統(tǒng)的具體功能

傳統(tǒng)配電系統(tǒng)運行監(jiān)測直接采集設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，進行人工解讀分析，了解系統(tǒng)的運行狀態(tài)。智能配電系統(tǒng)利用傳感器、采集器實現(xiàn)對大量數(shù)據(jù)的全面采集。系統(tǒng)統(tǒng)計分析實時采集的數(shù)據(jù)，同時將采集的參數(shù)和數(shù)據(jù)上傳到系統(tǒng)中心的云端，利用云計算技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)進行分析，也會分析系統(tǒng)中負載的具體情況，最終將分析結(jié)果通知用戶。智能配電系統(tǒng)還可以通過郵件、短信、App等傳輸方式將信息發(fā)送給運維人員，通過監(jiān)控主機或遠程工作站對現(xiàn)場的配電開關(guān)進行遠程分合操作、設(shè)備定值管理和參數(shù)調(diào)節(jié)，并實時記錄操作過程。

4.4 維護管理

傳統(tǒng)配電管理系統(tǒng)在管理和運維分析中存在一定缺陷，不能進行維護管理。智能配電系統(tǒng)中引入不同技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)的維護管理，如大數(shù)據(jù)技術(shù)和通信技術(shù)的結(jié)合，能夠根據(jù)工況設(shè)置運維信息的發(fā)送對象和發(fā)送層級，同時形成維護工單，將維護工單信息以郵件、短信或者App消息的方式發(fā)送給運維人員。整個配電系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)中所有設(shè)備的實時監(jiān)測，得到運維數(shù)據(jù)，并對大數(shù)據(jù)進行分析，給出智能化結(jié)論與建議，輔助運維人員更好地開展運維工作。

5 結(jié) 論

智能配電在規(guī)劃、建設(shè)和運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中低壓智能斷路器實現(xiàn)保護功能、控制功能以及監(jiān)測功能等，且不受到外部安全因素的影響。它能在運行時正確處理所需信息，在遭受攻擊時抵御攻擊并快速恢復(fù)正常運行。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。