智能化配電應用探討

董 佩

（陜西省燃氣設計院有限公司，西安 710043）

智能化配電系統(tǒng)將會是以后配電領域的必然要求，是走向工業(yè)智能化、智慧電網的必經之路，但是目前因智能化配電系統(tǒng)工程造價較高、系統(tǒng)相對接線復雜等因素，在配電領域未得到足夠重視，各行業(yè)的配電系統(tǒng)依舊采用常規(guī)的電氣元器件，未能實現(xiàn)智能化、信息化的要求。面對目前新能源消納的“源網荷儲”、低碳減排、運維問題，需進行智能化、信息化改造，否則控制信息采集不上，無法實現(xiàn)負荷及能耗的有效控制，也給運維帶來很大問題，也增加了企業(yè)電費成本。本文通過技術、經濟進行對比，提出配電系統(tǒng)采用智能化系統(tǒng)的必要性。

1 智能化技術方案

1.1 系統(tǒng)的基本組成原理

低壓智能配電系統(tǒng)借助智能化設備的技術優(yōu)勢，以斷路器、接觸器、繼電器等為控制基礎，結合新型的智能斷路器、馬達保護器，通過后臺監(jiān)視軟件實現(xiàn)對配電主回路主要電氣參數(shù)和開關狀態(tài)等參數(shù)的實時監(jiān)測，輔以通信網絡、App 遠程監(jiān)控、云平臺數(shù)據(jù)監(jiān)控，實現(xiàn)對低壓配電系統(tǒng)的智能化監(jiān)測和控制，廣泛服務于系統(tǒng)運維、能源管理、能效監(jiān)測等。

1.2 智能化系統(tǒng)

智能化配電系統(tǒng)由系統(tǒng)監(jiān)控主機、數(shù)據(jù)通信管理機、現(xiàn)場智能裝置和通信網絡等幾部分構成，各系統(tǒng)具體構成及功能如下：

1）監(jiān)控主機，監(jiān)控主機包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。其硬件系統(tǒng)類似于常規(guī)變電站的監(jiān)控系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集通信管理機、網絡通信交換機等硬件系統(tǒng)，采集和記錄各個配電回路的運行狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并下達控制指令，由配電開關、馬達保護器、智能電力儀表等實現(xiàn)對變配電設備的保護和測控功能。軟件系統(tǒng)完成圖形監(jiān)視、報表、曲線生成和分析、系統(tǒng)應用等其他功能，并能夠進行數(shù)據(jù)的云上報，實現(xiàn)故障信息的共享和分析。

2）數(shù)據(jù)通信管理機。數(shù)據(jù)通信管理機用于不同智能裝置通信協(xié)議的轉換，轉換為以太網通信模式，通過電以太網或者光以太網傳輸至監(jiān)控主機。

3）現(xiàn)場智能裝置。智能裝置通常有智能斷路器、馬達保護器、多功能電力儀表等，主要完成電力參數(shù)的采集和開關分合狀態(tài)的采集（遙信）等。目前最新的智能配電開關不論是塑殼開關，還是微型斷路器，均可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和傳輸，只是目前價格不占優(yōu)勢，但筆者相信，在市場的不斷推動下，近兩三年之內，配電開關將全面普及信息化和智能化，價格也將趨于平常。

4）通信網絡。現(xiàn)場智能裝置至通信管理機之間可以通過RS485 通信，也可以采用ZGbee 等無線通信方式，通信管理機至監(jiān)控主機采用以太網通信，傳輸通道可以采用屏蔽雙絞線或光纖[1]。系統(tǒng)的結構圖如圖1。

1.3 智能化低壓配電系統(tǒng)的主要特點

低壓電氣系統(tǒng)直接面向控制終端，設備多、配電系統(tǒng)回路多，設備頻繁操作，現(xiàn)場條件復雜，故障脫扣等產生的強電磁及諧波干擾等特點，智能化監(jiān)控系統(tǒng)具有以下幾個特點：

圖1 系統(tǒng)結構圖Fig.1 System structure diagram

1）智能化。低壓配電系統(tǒng)由低壓智能開關或者低壓配電開關+多功能儀表的形式實現(xiàn)配電站開關設備運行管理的信息化、智能化。實施智能化配電系統(tǒng)可以有效監(jiān)測供電品質，為連續(xù)性的自動化生產提供電力保證[7]，通過終端用能的負荷電量分析，有利合理安排生產，優(yōu)化負荷分配，節(jié)約電力成本。實時數(shù)據(jù)給負荷分析、控制、調節(jié)奠定基礎，智能化配電系統(tǒng)具有的優(yōu)勢是信息化，這是智能測控保護裝置區(qū)別于傳統(tǒng)儀表的根本性標志，大幅提高測量和保護精度，減少數(shù)據(jù)分散性，提高實時性、穩(wěn)定性和可靠性，為負荷分析、負荷消納做了良好的數(shù)據(jù)基礎，這也為新能源消納，源網荷儲一體化創(chuàng)造了條件。低壓系統(tǒng)加裝絕緣監(jiān)測、溫度監(jiān)測、濕度監(jiān)測等措施，實現(xiàn)對配電系統(tǒng)的全方位數(shù)據(jù)監(jiān)測和管理，為故障隱患預警、排查、運維提供強大的支撐，方便運維管理。

2）元器件多功能化。智能化配電開關、馬達保護器等擺脫傳統(tǒng)元件功能單一不足，測量、控制、保護等多功能合為一體，大量減少了柜內的二次接線，使得系統(tǒng)更加緊湊、簡單，安裝和調試省時、方便、快捷，維護也簡單快捷。

3）信息化。目前的智能化設備均有RS485、無線Zgbee 等通信接口，企業(yè)供配電系統(tǒng)中微機保護裝置、智能斷路器與Modbus 通信的硬件接線、無線連接等方式，并提供該供電系統(tǒng)的監(jiān)控界面。采用信息采集網絡，可在監(jiān)控后臺、云平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集、處理、存儲、遠程操作與程序控制、保護定值管理、事件記錄等、故障分析、各類報表及設備維護信息管理等多種功能，實現(xiàn)配電系統(tǒng)的信息化采集[2,3]，運維人員可通過云平臺實施掌握系統(tǒng)運行狀態(tài)及維護信息，故障信息共享等。

1.4 智能配電系統(tǒng)的典型應用

1）智能配電應用

某化工廠智能配電系統(tǒng)，由于配電柜要求封閉結構，盡量免維護，元件智能化、信息化程度高，實現(xiàn)元件少，功能齊全的要求。實現(xiàn)低壓配電系統(tǒng)各回路的基本參數(shù)記錄，并且記錄故障信息，監(jiān)視開關的分合閘狀態(tài)，遠程對元件的保護參數(shù)進行調整，記錄和存儲配電柜的二次回路的更改信息，更改的圖紙，減少運維工作量及成本。通信數(shù)據(jù)無障礙快速準確傳輸，進行系統(tǒng)后臺的管理和分析，并能夠實現(xiàn)故障的遠程診斷。該智能化配電系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：

①配電系統(tǒng)結構簡單，可靠性提高

根據(jù)化工廠的配電情況及要求，所有的電壓配電回路進行數(shù)據(jù)監(jiān)視，形成負荷電流曲線及開關狀態(tài)記錄，曲線異常報警，并告知運行人員進行可能的故障維檢修。推薦使用了集成測量和通信功能的智能化斷路器，取消多功能表、電流，整體上減少開關柜內的元件數(shù)量，節(jié)省開關柜內元件的安裝體積，增加散熱空間，保證設備安全。

②系統(tǒng)實現(xiàn)故障判斷功能

智能配電系統(tǒng)中，所有的斷路器均采用電子脫扣單元，開關通過內置互感器可以提供精確的全參數(shù)的電力測量，大幅減少了配電系統(tǒng)中測量表計。對開關狀態(tài)及數(shù)據(jù)進行記錄和比對，提供故障診斷和歷史記錄數(shù)據(jù)，清晰記錄配電回路中每個負荷點的歷史運行數(shù)據(jù)、波動情況。若出現(xiàn)故障，記錄故障出現(xiàn)時間、故障電流大小、持續(xù)時間，幫助維護人員提供詳細的分析數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)等同于高壓電力系統(tǒng)的故障錄波[7]。

2）新能源消納“源網荷儲”的應用

源網荷儲：以“電源、電網、負荷、儲能”為整體規(guī)劃的新型電力運行模式，可精準控制社會電力系統(tǒng)中的用電負荷和儲能資源，有效解決電力系統(tǒng)因新能源發(fā)電量占比提高而造成的系統(tǒng)波動，提高新能源發(fā)電量消納能力，提高電網安全運行水平。

4 月24 日，國家發(fā)改委發(fā)布《電力可靠性管理辦法（暫行）》（下稱《辦法》）?！掇k法》提出積極穩(wěn)妥推動發(fā)電側、電網側和用戶側儲能建設，合理確定建設規(guī)模，加強安全管理，推進“源網荷儲一體化”和多能互補。

“源網荷儲一體化”是指通過整合本地資源，以技術突破和體制機制創(chuàng)新為支撐，探索源網荷儲高度融合的電力系統(tǒng)發(fā)展路徑，實現(xiàn)網內風能、光伏、光熱、電化學儲能等能源的出力及波動情況，充分利用負荷側調節(jié)能力，就地就近靈活發(fā)展，引導市場預期。隨著新型電力系統(tǒng)的構建，對新能源的消納提出更高要求。其重在源荷互動，通過源網荷儲一體化旨在通過提供一套具有行業(yè)特性，切合生產經營，符合管理工作要求的一體化綜合能源解決方案，幫助企業(yè)建立和完善能源管控制度體系；幫助企業(yè)量化考核，制定考核及獎懲辦法；幫助企業(yè)實現(xiàn)對各種能源的采購存儲、加工轉換、輸送分配，終端使用全生命周期監(jiān)測、管控、優(yōu)化；幫助企業(yè)實現(xiàn)對雙碳管控工作信息實時采集、電氣參數(shù)動態(tài)監(jiān)控和數(shù)字化管理；采用微服務架構，利用物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)、智能AI 等技術，實現(xiàn)電源側、負荷側、儲能側的各類可控資源的數(shù)據(jù)信息接入、數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源透明感知、特性建模、性能評估和建模應用，為電力系統(tǒng)提供資源信息管理、評估類服務、生產類服務、資源可調控能力及交易能力評估和可調負荷應用服務，夯實數(shù)據(jù)基礎，并提供準確的評估手段。負荷側的數(shù)據(jù)的準確收集是源網荷儲實現(xiàn)的重要保證，同時提升管理和運行效率，最終實現(xiàn)安全穩(wěn)定，經濟平衡，節(jié)能減排，降本增效的基本目標。

3）分布式能源管理的應用

分布式能源管理是包含能源的生產、儲存、調節(jié)和控制等綜合利用系統(tǒng)，它通過對配電回路負荷進行采集，確定負荷發(fā)展情況，借助穩(wěn)定可靠快速的光纖傳輸數(shù)據(jù)，利用實時數(shù)據(jù)技術、云平臺技術對實測數(shù)據(jù)進行處理，并通過系統(tǒng)負荷面控制，實現(xiàn)發(fā)電出力和用電負荷的匹配，構成源荷互動的模式，讓生產單位能夠快速、準確、可靠地得到能源管理信息[6]。

為了滿足分布式能源消納的有限控制和調節(jié)的要求，對生產單位中能源構成、價格因素進行詳細分類，結合峰谷能源價格，進行多能互補分析，合理安排生產，就需要完成數(shù)據(jù)采集與存儲、數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析、狀態(tài)監(jiān)控與報警等系統(tǒng)功能。智能化配電系統(tǒng)的基礎數(shù)據(jù)采集、處理是其中不可或缺的內容。

2 智能化配電的投資成本

經過對智能化低壓配電系統(tǒng)與常規(guī)的配電系統(tǒng)進行對比，以40 面低壓柜系統(tǒng)的建設規(guī)模為例，目前市場上常規(guī)低壓配電柜設備價格在5 萬元/面，而智能化配電柜設備價格在7 萬元/面，40 面開關柜增加投資80 萬元。在運維方面，常規(guī)配電系統(tǒng)需要1 人作為專業(yè)電工，人工成本約在15 萬元/年，做正常維護、檢查。如采用智能配電系統(tǒng)，不需要專業(yè)電工來進行維護，要求其他人員進行兼任，配電系統(tǒng)的運維可以由智能系統(tǒng)進行隱患篩查，出現(xiàn)故障只需臨時請專業(yè)維保單位進行整改，減少人員成本，大約6年就能收回增加的成本。

配電系統(tǒng)可靠性提高。對于保障配電系統(tǒng)安全運行，配電系統(tǒng)事故少，排查時間短，降低系統(tǒng)運行過程中配電系統(tǒng)故障造成的損失是無法估量的。

系統(tǒng)運行成本降低。隨著國家新能源業(yè)務的大力發(fā)展，以傳統(tǒng)煤電、水電為主導的電力系統(tǒng)，將逐步發(fā)展成為光伏、光熱、風力并存，互補的新型電力系統(tǒng)，光伏和風電的發(fā)電成本將進一步降低，白天不再是用電高峰期，夜晚將成為用電緊缺的時段，峰谷差電價將更加明顯，如果考慮根據(jù)峰谷差電價因素，通過負荷端控制，降低電費成本，效益將進一步提高。因此實施配電智能化是必要的，經濟上是可觀的。

3 總結

隨著國家能源政策調整、工業(yè)智能化的加快，人力成本的不斷提高，智能化配電系統(tǒng)不斷發(fā)展成熟。加大以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)政策下，配電系統(tǒng)采用智能化系統(tǒng)是一種必然的發(fā)展趨勢，智能配電市場在各領域逐漸占據(jù)主導地位，智能配電產品將在創(chuàng)新與科研方面飛速發(fā)展。另外，根據(jù)《智能建筑設計標準》規(guī)定需要增加智能化配電系統(tǒng)。工程設計中不論是工業(yè)配電還是普通民用配電系統(tǒng)，應加強智能化配電設計，做到高瞻遠矚，面向未來。