智能配电终端技术的发展和应用简析

近些年来，笔者参加了几本智能配电系统团体标准的编制，标准主要涉及的是智能配电终端系统。笔者也一直在关注智能配电尤其是与民用建筑相关的10 kV及以下终端智能配电系统技术的发展和应用。以下通过工程设计实际项目对相关技术的发展进行简要分享，供各位同仁参考，不当之处欢迎批评指正。
智能电网的概念源自上世纪90年代初期，我国2009年正式启动智能电网建设，虽然时间不长，但经过努力已取得了长足的进步和发展。智能电网是一个大的概念，包括智能输电和智能配电，本文研讨的是与用户关系最为紧密的智能电网终端环节 —— 智能配电技术发展和在民用建筑中的应用（如图1所示）。

智能配电系统的构架和要求

>>>>   智能配电系统的构架

智能配电系统是利用现代电力电子技术、传感器技术、通信技术、计算机及网络技术，完成电力设备的正常及事故情况下的监测、保护、控制、计量等的系统，为配电系统的高效管理和变配电室无人值守提供技术保障。
智能配电系统结构形式以分层、分布式结构居多，系统结构（如图2所示）一般可分为站控管理层、通信网络层、现场设备层三层。

>>>>   智能配电系统的要求
a. 智能配电系统要求有高技术含量的配电系统、自动化系统与之相适应，以满足配电系统高可靠性、高智能化，以及其他分布式电源的接入要求。
b. 智能配电系统对配电系统的故障隔离与自愈、分布式电源与可平移负荷调度、监测与控制、通信技术、计算机辅助决策等方面都提出了新的要求。
c. 智能配电系统作为终端用户的末层设备系统，注重用户的体验和供配电系统的高安全性、高电能质量。
d. 智能配电系统应根据用户需求，要求系统具有专业性强、智能化程度高、易使用、高性能、高可靠性、高兼容性等特点，适用于配电系统的智能化管理。
e. 智能配电系统的实施，应能有效保障供电可靠性和供电品质，改善配电系统管理，优化电能使用状况及用电负荷分配，提高系统响应的实时性、稳定性、可靠性及电能利用效率。

智能配电系统的功能

>>>>   智能配电系统应实现的功能
a. 通过智能配电系统辅助视频监控等技术实现变配电系统的无人值守。
b. 通过对负荷等级的精细化分级，实现供电系统的可靠性、灵活性、可扩展性。
c. 智能配电系统为物业管理提供了技术保障，通过手机APP等推送方式，为相关人员参与管理、快速处理突发事件提供可能。
>>>>   智能配电系统具体功能
a. 采集各种遥测、遥信、电度信息和数据，如配电系统母线段电压值、电流值，各回路电量，实时采集电压不平衡度、电流不平衡度，各断路器、手车状态、变压器温度、运行状态等，并对这些数据进行实时计算（包括计算遥测量与多点遥信等），系统对实时采集的数据进行各种统计分析。
b. 通过监控主机或远程工作站对现场的配电开关进行远程分合操作，设备定值管理、参数调节，并对操作过程进行实时记录。
c. 监控主机具有流程图、电气接线图、运行状况图、配电柜正视图等图形显示功能。
d. 分类报警显示：对可能发生的事故进行预报警，并及时处理以避免事故的发生。
e. 具有遥视联动等附加功能，即在原有“四遥”的基础上，系统软件提供“遥视”联动等功能，在变配电站内设置视频探测，对电站进行全方位远程监控，在系统监视画面上嵌入设备视频监视窗口，故障时弹出对应的配电柜或视频窗口等。
f. 系统中的智能元器件装置克服了传统元器件功能单一的弱点，能够集测量、控制、保护等多种功能于一体，取代了传统指针式电量表、变送器、信号灯、继电器等常规元器件，并大量减少了柜内的二次接线，使得系统更加紧凑，安装和调试更加方便。有些元器件如智能断路器的智能控制单元，能检测开关及触头的寿命，为日后维护提供准确的指导。
g.其他：如实时或历史用户管理、数据库管理、通信管理等。
>>>>   智能配电系统中主配电通信网络的实施
通信网络作为支撑智能配电系统的关键技术，需要更高的实时可靠性要求，是实现智能终端配电的必要支撑手段。
在智能配电系统中，配电终端装置（站）之间需要通过通信网络进行实时信息传递，为保证配电装置安全、可靠地运行，必须确保通信系统具有高度的确定性、实时性和可靠性（如图3所示）。

支撑智能配电系统的配电主干通信网方案有多种，主要有EPON方式、光纤工业以太网等方式。就目前各种通信方式中，光纤通信具有高速可靠、抗干扰，具备网络自愈功能，配置灵活、扩展方便，便于敷设等优点，是配电网通信系统的主选方式。光纤通信作为配电主干通信网，主要有3种应用技术：SDH / MSTP光纤环网通信（大区域级，成本高）；以太网无源光网络通信（EPON）；光纤工业以太网。对于大建筑群中众多智能配电终端的组网，采用光纤以太网更适合智能配电网的使用要求。图4是工业级光纤冗余环网示意图。

智能配电系统的主要技术路线和技术发展

>>>>   主要技术路线
从上世纪90年代初开始，国际上多家知名电器制造公司开始把配电监测控制与微电子技术、计算机技术、网络通信技术相结合，研发了带有通信、监测、控制功能的智能型配电柜及相关产品，构成了初期的配电监控系统，并进一步提出智能电网的概念。
智能配电系统是智能电网的用户端，主要包括从中压（6 ~ 35 kV）到低压配电的智能配电系统。作为直接面向末端用户的低压配电设备及系统，相对而言，低压智能配电技术的研发与应用要滞后于中、高压配电系统（微机综保）。
智能配电系统终端技术包括智能仪表、智能开关、智能模块或它们之间组合等多种形式。由于智能仪表形式价格便宜，目前仍然是一般项目终端智能配电应用量最多的系统，但是由于系统只具备监测功能，不能算是完全的智能配电系统。
智能配电系统目前还没有统一的技术标准，现阶段用户端智能配电系统中，中压系统（35 kV及以下）主要采用的是微机综合保护装置及智能电力仪表，低压系统主要采用智能断路器、智能仪表、智能控制模块等组成的智能配电网络。
具体到智能配电系统产品方面，各生产企业采用的技术路线也不相同：
a. 从智能仪表入手，完善仪表和后台的功能（主要以电力仪表生产厂家为主）。不少低压智能配电系统基本上是在原有低压电力监控系统基础上发展而来的，可以满足基本的监控功能。
b. 从智能断路器入手，完善断路器的智能控制单元（主要以断路器生产厂家为主）。
c. 从配电柜入手，优化配电柜结构，由智能采样和智能控制模块构成标准化、模块化的智能配电柜（主要以成套配电柜生产厂家为主）。
d. 综合上述功能进行完善的智能配电系统（如ABB、施耐德、大全等）。
>>>>   相关技术发展
a. 智能配电系统对低压电器（尤其是断路器）提出了更高的要求。随着第四代及更新一代智能断路器的不断问世，其内置配备的智能控制器的功能也在日趋完善。图5是内置智能控制器的断路器示意图。

b. 智能配电系统通信网络不仅要满足由用户直接参与的需求侧智能管理要求，有时还要满足用户与配电系统运营商之间双向信息交互的要求，需要有适应于配电系统运行监测、预警、自愈控制等的高级辅助决策功能。图6为智能配电系统通信网络示意图。

c. 一些知名电气公司综合采用智能断路器、智能仪表、智能模块于一体，组成完善的智能终端智能配电系统，通过云平台实现变电所“四遥”和无人值守功能（图7是施耐德Smart Panel智能配电系统，图8是ABB AbilityTM 芯 - Vision低压配电云平台）。这些系统平台帮助客户随时随地掌握电气设备运行状况，实现远程监控、优化与控制；采用智能化元器件即插即用的集成化架构，简化安装和调试，帮助客户以高效的方式实现电能云管理，提升价值。

d. 智能配电技术的不断发展，也带动了智能配电柜技术的发展。新一代产品（如图9所示）在利用总线及以太网技术，与具有网络化、智能化的各种新型智能控制模块和采样模块结合等方面，显现出更高的技术含量，并使配电柜的功能性更强、可靠性更高、系统更完善，控制更方便。同时，新一代智能配电箱（柜）的技术也越来越倾向于标准化、模块化、集成一体化及通信功能的多样化，注重新型智能元器件的开发、选择及新材料的利用。如配电柜低压系统采用霍尔传感器采样，取代电流互感器，增加了配电柜的安装空间，大幅减少了低压配电柜数量。国内目前已有成都、深圳、天津等多家公司研发出智能控制模块等，在低压智能配电箱、柜上得到应用。

智能配电系统在大型综合建筑中的应用

下面以某博览城项目为例，对智能配电系统应用情况进行简介，供各位同仁在设计时参考。
该博览城南区国际展览展示中心工程建筑面积57万m2，已完成并投入使用。该项目设有5个大型展厅和1个多功能厅，可承接国际各类重、中、轻型展览和各类大型综合活动，建成后已举办多项国际展，极大地提高了成都会展之城的形象。
项目有8路10 kV进线，设有4个10 kV配电所，8个变电所，变压器装机容量约60 000 kVA，设有4台1 500 ~ 1 800 kW的柴油发电机。项目在设计时采用了较为全面的智能配电系统，图10是该项目变配电自动化系统框图。

>>>>   系统功能
a. 运行监控：五遥、自动报表、定制数据、系统设备管控。
b. 调度管理：远程倒闸操作、调度指挥。c. 事件管理：事件采集、智能分析、事件管控、事件记录查询。d. 计量管理：采集并统计电度数据。e. 巡视管理：桌面自动巡视，数据巡视及音视频巡视，人工巡视监管。f. 安防消防管理：设置专项监测与音视频监测交叉防范，防火防水、防入侵监测。g. 环境监控。h. 权限管理。
>>>>   系统构成
>>   就地监控
智能配电系统在各变电站内对系统运行工况进行实时监控，对配电设备关键点实时监测及实时维护保障管理，对供配电设施从环境、设施完好、人员进出等方面进行全面监管，使影响供配电安全、可靠性的因素都在受控之中。
>>   远程监控管理中心
各变电站的各类监测数据均能直接传输至监管中心，并有效执行来自监管中心的指令，监管中心系统都可从各站内直接获取数据，并下发指令到站内设备。
>>>>  系统建设内容
该博览城项目智能配电系统分为3部分：站内智能配电系统、传输网络、远程监控管理中心。
>> 站内智能配电系统
站内智能配电系统由各类智能终端设备、站内数据网络、系统层设备构成：
a. 智能终端设备：主要包含3类设备 —— 微机保护、智能断路器、网络仪表等配电监控终端；网络摄像机等视频监控终端；温湿度监测仪等环境监控终端。

b. 站内数据网络由通信服务器及网络组成，服务器支持站内智能终端设备的各类接口，并支持出站的光纤接口。
站内网络包括：① 串口总线网络，根据站内串口类设备敷设总线式阻燃屏蔽双绞线；② 以太网网络，根据站内以太网接口设备敷设点对点六类线；③ WiFi无线网络，用于接入手持类监控终端、千兆以太网光口。
c. 系统层设备由系统服务器组成，负责站内各类数据采集、整理转发，并负责上级指令的执行，可向移动式客户端提供系统各类功能服务。
>>   传输网络
传输网络由监控中心交换机以及来自各变电站的光纤网络组成，各变电站内敷设终端设备至站内网络机柜的网线、通信线缆、光纤等。
>>   远程监控管理中心系统
远程监控管理中心系统设在智能化监控机房（兼消防控制中心）内，系统监管区域内各子变电站、监控中心系统均设置了冗余系统。变电所监控管理系统示意如图11所示。