基于物聯網和云平臺的創新型智能配電系統

王 鋒， 翟富昌

（1.中國五洲工程設計集團有限公司，北京100053；2.北京德威特電氣科技股份有限公司，北京101300）

0 引言

低壓配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。近些年，配用電領域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、客戶對用電要求水平的不斷提升，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。主要表現為以下幾個方面。

（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，元件之間的配電功能連線復雜。

（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和后期調試復雜，維護不方便，柜型復雜；也會限制節能元件設計走線與布置空間，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、配線多導致故障點多，漏接、虛接、短接等電氣故障發生。由于傳統的通信多是RS-485或者沒有通信接口，沒有通信數據或者傳輸速率低下，低壓配電數據無法有效收集、實時同步、進行大數據為基礎的邏輯分析和精準利用，數據的利用維護成本高也帶來后期使用過程中的實際成本高。

（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，數據難以高效收集導致數據的可利用率低，整體的低壓配電智能化程度較低。

（5）三相不平衡、負荷容量等現實問題

近些年，新能源汽車產業蓬勃發展，大量充電樁負荷的布置對小區原有配電系統，特別是對主變、線路沖擊影響較大，如何實現按需進行負荷科學調度充電，如何確保主變三相負荷均衡和主變穩定運行都是現在小區供電亟待解決的問題。

配電系統與設備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。

1 解決方案

為解決上述現實問題，筆者所在團隊提出并開發實現了一種新型的智能配電系統。

在配電開關環節，采用物聯網技術對低壓配電開關（斷路器）進行集成化、智能化改造和物聯網化設計，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環節。通過本開關的所有能量信息、電量信息均通過基于WiFi、5G（NB-IoT）通信及加密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。

（1）云端

架構了一個基于智能斷路器的云服務管理系統，借助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。

（2）應用層面

用戶可隨時隨地通過手機APP、系統網頁、電子郵件等方式，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給相應的運維人員，提供準確定位，隨時了解各配電線路及設備詳細運行信息，實現無人化值班和日常運維，達到減員增效的目的。云服務智能配電系統體系圖詳見圖1。

圖1 云服務智能配電系統體系圖

2 系統創新點及特點

2.1 構建了高效變配電節能云配電智能體系架構及其應用體系

系統融合了云計算、大數據存儲、大數據分析等互聯網技術，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；進行數據統計分析，通過各種圖形報表直觀顯示，提供良好的決策依據；支持無線設備接入，網絡服務器（私有云或公有云）可進行集群化以及異地多重多種備份；數據在通信與存儲時，通過復式加密手段，保障數據與設備運行安全。云服務智能配電系統結構圖詳見圖2。

圖2 云服務智能配電系統結構圖

2.2 實現一二次設備真正完全融合的技術體系及產業化應用

通過系統重構設計（如結構設計、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，成為智能低壓斷路器。該智能低壓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，通信包含 RS-485、WiFi、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、信道復合加密、遠程維護、移動巡檢、空中升級等功能。智能斷路器與傳統元件功能對比圖詳見圖3。

2.3 將物聯網技術與電力終端設備創新融合，并制訂了相關接口規范，成功實現產業化應用

圖3 智能斷路器與傳統元件功能對比圖

低壓智能一體化開關采用WiFi、5G（NB-IoT）通信，內嵌物聯網通信平臺，將開關本體電量數據、狀態數據、診斷信息等主動上傳到云中，設備信息全面放開，不需要任何專用規約和協議，即可為綠色智能化配電系統提供可靠、豐富的數據來源；用戶可以掃描設備上的二維碼或輸入網址通過網絡，訪問智能終端設備的網站；獲得包括設備運行狀況、運行波形圖、功率相量圖、開關狀態等直觀信息；還可通過設定實現繼電保護、維護提醒、超限值報警等交互信息。智能斷路器功能概略圖詳見圖4。

圖4 智能斷路器功能概略圖

2.4 支撐工業現場設計、施工、改造的新模式、新業態成為可能

智能斷路器有了物聯網技術的支持，大大簡化了傳統電氣安裝的施工調試過程，有效降低了電氣調試的復雜度和聯調難度，由于采用WiFi、5G（NBIoT）通信，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，實現現場的分段、分時改造。

2.5 可為“中國制造2025”提供基礎支撐

智能斷路器是配用電系統的關鍵元件，還能夠提供有效、實時的帶有時鐘標志的各類信息，構成智慧化工廠的信息組成部分，這些信息包括：供電回路的電量信息（電流、電壓、功率、功率因數、相位、電度量、諧波量）、斷路器的操作信息（合閘、跳閘、故障分閘）、斷路器金屬回路的溫度信息、供電回路的故障信息（保護動作信息），生產過程的流量、壓力、溫度、角度、位置等過程信息。這些數據和智慧工廠的信息處理系統相融合，能夠為智慧化工廠提供多種基于大數據分析的運維參考和決策依據。智慧工廠場景圖詳見圖5。

圖5 智慧工廠場景圖

3 結束語

本文所述系統從低壓配電的核心元件著手，通過對低壓斷路器的智能化創新和徹底的一二次融合技術、物聯網技術，打造全新的智能低壓斷路器。通過改變現有電網結構和運營模式，提高能源利用效率，強化電能能效管理，提升整體能效水平。綜合來說，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。

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。從電力局、生產企業、智能建筑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，希望系統能將火災自動報警系統、智慧水務、智能能源開采等多行業整合，推出一系列更有針對性的行業解決方案。