淺談一種配電臺區的新型智能配用電系統應用

趙湘文 黃恒碩 聶進培 馮學松 黃增武 李慧勇 湯逵

摘要：當前，智能電網的建設如火如荼。在配用電領域，配電領域智能化程度稍低，而要真正實現智能電網、電力能源利用的智能化，配用電環節很重要。而現實中存在一些困擾低壓用電客戶的問題或弊端，配用電環節的智能化改造與提升已提到了行業亟待解決的層面。本文從全新的視角，介紹一種新型的智能臺區配電系統。包括低壓斷路器、智能配電系統應用。簡單介紹了低壓斷路器的智能化創新重新設計，采用徹底的一二次融合技術，物聯網技術，創新智能低壓斷路器，并通過云技術與云平臺的搭建，可協同云端的多種應用與系統聯動，為用電領域的精細化分析、行業解決方案、設備全生命周期全信息管理提供基礎平臺，為進一步提升配電智能化水平和信息利用水平提出全新思路。該系統在南方電網某現場的運行表明，本文所介紹的配電系統具有使用簡單、功能集成、簡化設計配線、智能運維的目的，符合未來配用電系統的創新與工程化方向。

關鍵詞：智能配電系統;智能斷路器;物聯網;云平臺

引言

過去的幾年，智能配網項目和技術在一直走在智能電網普及的最前端。隨著全球范圍內主要國家智能電網建設的實施，各國政策和資金投入的加大，智能配網市場未來將迅速增長。我國的智能配網目前還處在起步階段，仍處在剛剛開始試點和初步建設的階段。隨著國家加大智能電網建設，智能配網將成為我國電力行業新一輪的投資重點，未來市場空間廣闊。未來幾年配電自動化增長潛力巨大。

當前，智能電網的建設如火如荼。在配電領域，配電領域智能化程度稍低，現實中存在的這些困擾低壓用電客戶的問題或環節，已經在逐步推動配用電環節的智能化改造與提升到了行業亟待解決的層面。而要真正實現智能電網、電力能源利用的智能化，顯然配用電環節很重要。

1 現狀

低壓配用電領域實際是電力能源利用的“最后一公里”，也是電力能源的出發點和落腳點。配用電領域這些年雖然取得了很大的發展，但隨著科技的發展、復雜系統的應用、客戶對用能要求水平不斷提升。在某些領域、某些場合，產品比較固化、功能單一，智能化、數字化等創新技術應用不夠，功能不夠融合等缺點逐漸顯現[1][2][3][4]。主要表現在：

1） 元件多、配線多：低壓配電領域需要低壓保護、低壓儀表、電度表、常規互感器、漏電互感器、溫度傳感器等多種元件，元件多，之間完成整體配電功能連線復雜。

2） 設計選型難、調試維護難、節能難：配電系統的元件多導致選型設計復雜，元件多導致后期調試復雜，生產維護過程中牽一發而動全身，維護不方便，柜型復雜，元件多導致節能元件設計走線與布置空間局限，節能手段很難實施。

3） 高電氣故障、高通信故障、高能耗、高成本：元件多、配線多引入較多的故障點，導致漏接、虛接、短接等高電氣故障發生。由于傳統的通訊多是RS-485或者沒有通訊接口，沒有通訊數據或者速率不高，低壓配電數據無法有效收集，更不可能進行大數據為基礎的分析、加工和利用，數據的利用維護成本高也帶來后期使用過程中的實際高成本。

4） 供電質量低、節能效果低、可擴展性低、數據可利用率低、智能程度低：傳統的低壓配電模式和產品特點決定了信息缺失或孤立、導致現有的供電質量較低，節能效果較差。同時獨立、分立化的設計也造成了系統的擴展性差，數據難以高效收集決定了數據的可利用率低，數據實際利用率更低，整體的低壓配電智能化程度較低。

低壓配網作為電網的末梢，直接面對用戶，具有體量大、分布廣、供用電環境復雜、需求多樣化等特點。在低壓配電領域，因缺乏有效的監控、測量，依然處于電話報修、故障搶修、人工巡檢的模式，且存在設備停電恢復難，響應不及時，運維成本高等諸多問題。配電工區、鄉鎮供電所等供電服務組織，分別承擔城區和鄉鎮低壓配網運行、維護、搶修工作。搶修和部分運行維工作基本采用按區域外包的方式，作為直面市場、服務客戶的最前端，傳統的服務方式和服務內容已經不能適應新形勢下客戶多元化、個性化、智能化的需求。

配電系統與設備逐漸暴露了諸多的現實問題和應用過程中的尷尬，行業發展面臨進一步提升的必然要求。從技術發展趨勢上來看，變配電行業正呈現出多學科、多技術融合的態勢，信息化、智能化、網絡化和集成化代表了變配電行業未來的發展潮流。在這一趨勢演變中，高低壓開關柜、變壓器、斷路器等變配電技術、電力自動化監控技術、電力繼電保護控制技術等與高性能微機軟硬件、物聯網、云平臺等IT技術的結合日趨緊密，一次設備與二次設備的結合度可以進一步提高[5][6]。

目前國內各級電力公司都在全面建設基于能源服務中心的 “供電運檢服務指揮平臺”搭建了一個以客戶為導向的“在線化、透明化、移動化、智能化”的新型服務架構，以營配調數據貫通和信息共享，促進專業協同和業務融合，旨在全面提升配網運營效率效益和供電優質服務水平。但是，低壓配網因其信息化、自動化、智能化水平不高，未能形成對“運檢平臺”的有效支撐。

2智能配電系統的整體要求

2.1總體要求

在配電開關環節，應采用物聯網技術，對低壓配電開關（斷路器）進行集成化化、智能化改造、物聯網化設計，賦予低壓斷路器更多的智能功能。使其成為能源互聯網的最終端一環。通過本開關的所有能量信息、電量信息均通過基于Wi-Fi、5G（NB-IoT）通訊及加密web API技術的物聯網進入到云端。徹底創新出一種能源與信息融合的智能斷路器。有物聯網技術支持，可以大大簡化傳統電氣安裝的施工調試過程，有效降低電氣調試的復雜度和聯調難度，由于采用Wi-Fi、5G（NB-IoT）通訊，用戶只需完成設備的安裝、調試和通電，即可完成設備的聯網，大大降低改造區域的設備停運和系統停運時間。

在云端，架構了一個基于智能斷路器的云服務管理系統，借助于智能斷路器提供的模擬量、信號量、故障處理信息等數據，通過云服務平臺與電能源管控系統構成無線互聯的物聯網系統，系統通過云技術，協同物聯網上的多系統運作，動態響應用戶的需求變化，為用戶提供自主定義的標準化服務和前瞻性的定制化服務。

應用層面，用戶可隨時隨地通過APP，網頁，郵件等，關注所監控的設備或設備組群，系統自動發送運行告警信息推送到相應的運維人員，供準確定位，隨時詳細了解各配電線路及設備詳細運行信息。智能化手段實現無人化值班和日常運維，減員增效。未來低壓配電的系統圖可以抽象為下圖：

2.2架構

未來的配電網，宜采用基于云和物聯網的配電智能體系架構。系統融合了云計算、大數據存儲、大數據分析挖掘等互聯網技術，并實現了 SCADA 系統、基礎能源管理系統、高級能源預測優化系統、多介質綜合優化系統的云端處理。系統采用物聯網技術，準確定位故障點;數據統計分析，通過各種圖形報表直觀顯示，提供良好的決策依據;支持無限設備接入，網絡服務器（私有云或公有云）可進行集群化以及異地備份容災;數據在通信與存儲時，通過嚴格加密，保障數據與設備運行安全

2.3硬件

硬件設備包含：智能斷路器、多功能電表、非電量數據采集設備、通信設備。隨著智能斷路器功能的不斷集成，能力不斷提升，傳統的多功能儀表、非電量數據采集日趨式微，本文不作贅述。

智能斷路器或者多功能儀表可采集主回路或者分支回路的全電量信息、告警信息、開關位置信息、溫度信息等等。宜采用一二次設備真正完全融合的技術體系。通過系統重構設計。對結構設計、電磁兼容技術、一體化集成技術、鐵磁合金傳變技術、嵌入式技術等，將傳統斷路器與智能電子設備融合為一，成為具有智能的低壓斷路器。低壓智能斷路器兼具斷路器的分合電路、分斷電弧，控制器的可編程遠程操作，電力儀表的電能質量監測、電度計量，微機綜保裝置的故障綜合保護、測控、信號狀態監測、工藝過程控制，節能補償裝置的無功投切，各類電參變送器的4-20mA信號輸出，溫控設備的4-20mA采樣，通訊包含RS485和Wi-Fi、5G（NB-IoT），實現了低壓電氣一二次的全面融合。融合后的設備可實現高度智能化運算，具有人臉識別、信道加密、遠程維護、移動巡檢、空中升級等功能。

2.4軟件

低壓配電的云端軟件宜具有實時監控、智能管理、輔助功能、在線交流等功能組成，其功能組成如下：

1、具備多個臺區站點地圖定位功能，具備臺區站點通信狀態和負載率、最低健康指數監測，當設備動作或者告警等重要事件發生時，系統會自動發送短信、APP推送到相應的運維人員，快速通知并調配搶修人員抵達現場。

2、展示裝機總容量，可查看多個站點容量詳情。可查閱本月、上月、每天用電能耗詳情數據。總告警統計數據，當前告警詳情列表，當有告警時，自動播放告警信息。

3、展示各站點運維狀態及當前維護/搶修列表詳情，站點無故障運行時間/故障平均處理時間/總覆蓋面積。

2.4.1實時數據監測

實時數據監測主要分為：總覽、系統圖、信息分析、四遙列表、通信工程幾個界面。其功能詳情如下：

1、可切換不同臺區站點，可展示各臺區站點多個回路的實時負荷、本日最大負荷、本月最大負荷值等數據，可監測臺區站點的健康指數分數，以及當前功率因數、尖峰平谷用電統計數據和能耗分類占比詳情。

2、可展示一次圖進線總電流電壓數據和日、月、年、總電量數據，點擊視頻按鈕可遠程查看配電房視頻，視頻可存儲最近20天錄像。頁面底部主要展示最近兩月能耗對比詳情，只顯示歷史數據。

3、右側可展示臺區變站點具體位置和占地面積、當前運維管理負責人電話、告警/巡檢統計、運維計劃詳情和配電房環境監控，點擊環境詳情頁面直接調轉到系統圖環境頁面詳情，方便用戶查看多個房間的溫濕度、水浸、煙感等實時狀態。

2.4.2臺區變系統總覽圖：臺區變系統總覽可顯示各設備詳細參數、運行數據等等。其界面和功能如下：

1、設備總覽界面，可查詢臺區變壓器、配電柜、配電箱的運行數據。

2、配電柜界面點進去可查看設備一次系統圖，點擊對應開關，可查詢實時運行數據，數據每10秒刷新一次。

3、環境監控頁面主要展示該臺區變站點多個溫濕度、水浸、煙感等實時狀態，方便用戶能清楚的看到哪個狀態是否正常，能及時處理。

2.4.3信息分析：信息分析頁面主要包含：歷史曲線、趨勢分析、尖峰平谷、能耗分析、告警統計、報表等數據統計功能，其功能詳情如下：

1、歷史曲線：通過各種圖形、報表直觀顯示，歷史曲線主要展示當前設備電流電壓等數據，記錄本日最高電流和最低電流及平均電流數據。可點擊查詢本日、上周、上個月、近3個月等歷史數據。

2、趨勢分析：主要展示該站點所有設備電流、電度、功率因數等實時數據，分析最近3天趨勢狀態，還可點擊查詢當天、當月趨勢狀態。

3、尖峰平谷：主要記錄當天所有設備電度所用的電量及總價詳情，最新數據只能看到前1小時的，可點擊查詢時、日等歷史數據詳情。

4、能耗分析：主要展示該站點所有設備用電的能耗占比分析，及當月能耗走勢趨勢，數據只能看到前一天的統計，可按天、按月、按年點擊查詢能耗歷史占比數據統計。

5、告警統計：主要展示該站點所有告警統計數據及當月告警走勢趨勢，當發生告警重要事件發生時，系統會自動發送短信、APP推送到相應的運維人員，快速通知。可按天、按月、按年點擊查詢歷史告警統計數據。

6、報表管理：主要有日報表、月報表、年報表等，方便客戶隨時查詢，取代值班人員抄表，數據詳盡記錄，可導出文檔存儲。

3 進線及母聯涉及的幾個問題

隨著技術進步，高壓保護的相關技術和原理也逐漸開始應用在10kV配電。由于以光纖為主的通訊線材成本逐漸降低，現在在低壓配電領域，已經出現了以本文介紹的一種低壓光纖縱聯差動保護，并可以成功運用在10kV配電的主變進線和380V出線之間，把原來這部分由于管理責任切分開的，缺失的保護給配置完備。簡單配置如下圖所示：

3.1進線

宜具備并集成低壓進線開關所需的常規保護功能。框架開關一般應具有瞬動、延時速斷保護、過流保護（定時限、反時限;一般、非常、極度和I2t四種曲線）、過負荷保護（反時限：一般、非常、極度和I2t四種曲線）、零序（接地保護）。

如果現場敷設光纖方便，可利用通過集成光纖接口實現從上級變電所出線開關到本線路末端配電變壓器出線端的光纖差動保護。除本體保護功能外，還應該具有光纖口，完成低壓進線開關和低壓母聯開關之間配合完成低壓母聯備自投功能。

計量功能，應具備0.5級電度計量，減少設計和輔助儀表選型安裝。應具有全電量監測、遙信、遙控分合閘。還應具有開關環境溫度監測、開關觸頭溫度監測（外部溫度傳感器進4-20mA信號）。

3.2母聯備自投

集成低壓母聯開關所需的常規保護功能。一般應具備框架開關一般應具有瞬動、延時速斷保護、過流保護（定時限、反時限;一般、非常、極度和I2t四種曲線）、過負荷保護（反時限：一般、非常、極度和I2t四種曲線）、零序（接地保護）。與雙路進線開關配合完成低壓母聯備自投功能。計量功能，應具備0.5級電度計量，減少設計和輔助儀表選型安裝。應具有全電量監測、遙信、遙控分合閘。還應具有開關環境溫度監測、開關觸頭溫度監測（外部溫度傳感器進4-20mA信號）

一般有下列幾種典型運行方式，其他方式的均可以抽象為這幾種根本方式：

依賴于光纖通訊，可實現多個開關之間無二次聯絡線的進行狀態傳遞和邏輯判斷。簡化設計和接線。

3.3負荷轉供

隨著電網自動化技術的深化及現場實施的增多，快速負荷轉供技術已逐漸受到電力公司及研究人員的重視。負荷轉供是指配電網發生故障并進行隔離之后，通過開關的操作以及部分不重要負荷的切除，在滿足安全約束的條件下，快速優先恢復故障下游因受故障影響而失電的重要負荷供電的同時，也盡可能恢復其它負荷的供電。負荷轉供是在配電網故障分析基礎上進行的二次分析與自動化處理，有母聯備自投的功能，但也有切除故障負荷的綜合分析和操控功能。更依賴于一種集中式的處理單元來處理，從這個角度來說，云平臺具有天然的優勢。

4現場智能設備選型及應用

4.1智能框架開關

選用智能框架開關。DW9Z系列智能控制器包含DW9Z-2000和DW9Z-4000兩種型號，適用于交流50Hz（60Hz），額定電壓400V，額定電流1000-2000A（DW9Z-2000型）或2000-4000A（DW9Z-4000型）的配電網絡中及船舶電力網絡中，配合低壓斷路器用來保護線路及電源設備免受過載、短路和單相接地等故障的危害。智能控制器采用先進高速芯片，進行電流信號、電壓信號處理和控制，目前利用互聯網進行通訊，通過Wi-Fi與云端的高效無線通訊，實現智能化遠程維護、移動巡檢、空中升級;通過手機或其他移動終端方便地對斷路器進行高效管理和運行監控。功能特點如下：（1）高精度全電量測量，包括電壓、電流、四象限功率、電度、48次諧波;（2）配套高精度保護用互感器，直接采集系統一次側電流;可實現前文所述的多種類型的完備保護功能（3）具備RS485有線和Wi-Fi無線通信方式，滿足各種對于不同數據傳輸網絡方式的要求。（4）具備多路DI，多路DO，可以檢測開關狀態，控制斷路器或微斷開關分合閘。（6）可采集3-4組母排觸頭溫度，實現母線動環檢測和故障預警（7）用戶可以通過手機APP實時查看數據及操作，調試方便。（8）掉電后中控模塊仍可有效延時工作，實現停電后數據上傳，便于故障分析。

該框架斷路器可采集全電量數據，實現遙測。可直接對斷路器電操回路的控制，實現手機APP或者WEB端的遙控分合閘。可采集框架斷路器分合閘狀態，和開關跳閘信號，實現遙信功能。通過對DI、DO的靈活定義，實現其他的開入采集和開出功能。

負荷轉供聯絡柜斷路器由均有北京德威特提供整系列配套，該系列斷路器在前面已介紹，自帶遙測、遙控、遙信、遙調的四遙功能，只需將設備通過Wi-Fi通信連接到云平臺即可。

4.2智能塑殼開關

塑殼開關全部更換成北京德威特智能塑殼斷路器DM6Z-400和DM5Z-250，便可實現遙控、遙信、遙調、遙測功能。

遙測：可測電流、電壓、四象限功率、電度、功率因數、頻率、諧波、導線觸頭溫度、開關內環境溫度等等。

遙信：三段過流報警、保護，過欠壓報警、保護（可選），過溫報警、保護（可選），抗晃電報警、保護，缺相報警、保護等。

遙控：所有塑殼開關都裝有電操機構，在開通權限的前提下，操作員可通過手機APP或者WEB端，進行遠程分合閘。

遙調：所有塑殼開關可遠程設置整定參數、可遠程進行軟件的升級。

4.3視頻監控與一體化應用

視頻監控系統選用海康威視、大華等主流廠家攝像頭。以海康威視為例，海康威視的視頻信息直接上傳至海康自有云平臺，該平臺視頻數據可通過接口進行共享。將此視頻系統聯網后，可將此視頻數據接入至德威特云平臺，智能臺區手機APP或者WEB端能直接接收現場視頻信息，可實現觀測框架斷路器實際分、合狀態，以及入侵報警等功能，實現視頻、電氣數據的綜合一體化監視和監測。

4.4動環監控與一體化應用

環境監控主要包括：溫度、濕度、煙霧、臭氧、SF6+O2、水浸等，動力監控主要包括：風機、空調等設備監控。這些溫度數據可通過4-20mA通道或者RS-485通訊接入德威特的DN600系列智能網關，通過智能網關將所有動環數據接入至云平臺，通過云平臺的提供的服務，實現所有動環數據的檢測、越限報警、報警聯動等應用。

4.5通訊

一般推薦像有電房改造或新建電房時盡量以光纖通路為宜，以保障各設備的通信。每個電房內需安裝一商業級無線路由器。環境監控、動力監控的信息，通過德威特提供的智能網關連接到無線路由器。電氣信息通過各智能斷路器可通過Wi-Fi直接連接到無線路由器，將數據上傳給云平臺。

5 系統試運行

此站是一期改造升級，由于有些設備不便于全部拆除升級，所以按照建設思路先改造了低壓斷路器、負荷轉供、動環監測等，二期再根據具體投資計劃、升級要求進行全部的智能化改造。通過一期測試及現場運行，簡化了設計，優化了設備運行與參數設置，增強了設備全方位的電氣監控、非電量監控，強化了供電回路的可靠性，實現了既定功能，達到項目開發前的設定目標。通過物聯網、云平臺以及手機APP的應用。實現了智能臺區所有電氣信息的智能監控，達到了智能配用電的初步設計要求。

6 結束語

本文所述系統從全新的視角，從低壓配電的核心元件著手，通過對低壓斷路器的顛覆性智能化創新，通過徹底的一二次融合技術，物聯網技術，創新全新的智能低壓斷路器，從改變現有電網結構和運營模式入手，提高能源利用效率;強化用能管理，提升整體能效水平，本系統的建設能夠促進產業鏈相關方技術創新、設備制造研發、新材料應用和新系統研究，對上下游產業鏈的技術升級和產業創新產生重要影響。

本系統基于物聯網、云平臺，以專業和信息融合為特征，依托云計算進行科技創新，拓展新興信息服務業態推進網絡信息技術與電力服務模式融合創新，對推動產業轉型、能源智慧利用、實現能源基礎設施建設轉型等都有積極意義。

當然，創新從技術創新到工程創新、盈利模式創新和新業態還有很多路要走， 2017年開始，在行業內已經逐步開始了智能配電系統的概念普及，2019年初，國網也提出建設“泛在物聯網”。從電力局、生產企業、智能樓宇行業客戶應用和反饋來看，本文所述的智能配電系統極大提升了客戶配電系統的智能化水平，符合行業和客戶預期目標;同時行業、客戶也給出積極反饋，希望系統能和火災報警系統、智慧水務、智能能源開采等多行業整合出一系列更有針對性的行業解決方案。電力智能化方向已經深入人心并有望有更多行業同道和上下游企業一起，推進包括配電在內的整個電力系統的智能化水平和信息利用率，推動科技創新、企業發展和社會進步。

參考文獻

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作者簡介：趙湘文（1985.9），男，碩士，工程師，研究方向配網運維、智能配電。

黃恒碩（1985.10），男，漢，本科，中級職稱，研究方向：輸電運維檢修。

聶進培（1969.08）男，工程碩士，高級工程師，研究方向配網運維及可靠性。

馮學松（1975.06）男，工程碩士，高級工程師，研究方向電網規劃、配電網運維。

黃增武（1985.08），男，學士，高級工程師，研究方向配電自動化、智能電網。

李慧勇（1977.2），男，碩士，高級工程師，研究方向電力系統、智能配電。

湯逵（1987.4），男，大學，工程師，研究方向智能配電系統。