智能配電系統與運維管理

李俊民， 裴元杰

(中國建筑設計研究院有限公司，北京 100044)

0 引言

建筑樓宇中的智能配電日益成為物業管理的重要手段，通信技術的提高，使系統傳輸加快，響應時間縮短，處理時間也就相應縮短；便捷的信息采集、快速響應的傳輸系統，使故障排除率的準確性、快速性得到有效的保障；大量的信息采集和分析，能快速幫助決策者進行結論判斷，提高了供電可靠性的同時也提升了管理效率。構建建筑內智能配電管理系統，不僅有助于智慧城市建設的有效推進，對于物業人員如何正確運用智能配電系統，進行高效的運維管理也具有積極的作用。

1 建筑物智能配電系統發展

1.1 建筑物智能配電系統的產生

傳統的變配電系統由高壓配電系統、變壓器、低壓配電系統組成，通過斷路器、互感器、儀表等元器件來實現配電保護、數據測量、故障報警等功能，但始終存在綜合分析能力不強、電力能源共享不足等缺陷，不利于全方位監管系統和設備，造成后期運行管理維修、系統維護不利的困境。 同時，雖然拾取了大量的數據，但并未得到科學有效的運用，更談不到信息的挖掘。

建筑物智能配電系統以傳統變配電系統框架為基礎，建立新型的智能配電保護與管理網絡，除能實現配電保護、數據測量、故障報警等功能以外，還可實現配電系統及用電設備的協調控制、建筑物內電力的優化調度、運行數據采集及分析、潛在運行風險預知、系統維護輔助決策等功能。 使傳統變配電系統升級為在統一平臺下具有高度信息化、自動化的互聯互知的智能配電網絡，實現對各級配電系統的監控，保障供電的連續性、安全性、節能性、交互性和統一性，變被動管理為主動管理。

1.2 傳統配電系統的局限性

(1)數據讀取需要依靠數據儀表上傳(數據上傳包括物聯網斷路器、智能儀表、智能模塊)，僅限于讀取實際運行的數據，沒有利用這些數據來實現保護特征配合調整，不利于管理人員的主動管理、主動調配負荷。

(2)未能充分利用變壓器的負載能力，保障供電負荷的不間斷運行。 也造成設計人員為應對用電高峰期的正常運行，變壓器的裝機容量偏大，有的辦公建筑變壓器裝機容量甚至超過150VA/m2，但調研的結果大多辦公建筑的高峰負荷也不到70VA/m2，造成很多建筑的變壓器負荷率不到30%，大大浪費了變壓器資源。

(3)傳統的低壓配電方式是具有聯絡功能的兩臺變壓器，當一路發生故障時，保障一、二級負荷，卸載三級負荷。 通常采用兩種卸載方式。

方式一:采用失壓脫扣器自動卸載，即三級負荷配置失壓脫扣器，當電源電壓下降到規定值時延時脫扣。 缺點是只能卸載失電母線回路負載，非失電母線不能脫扣；另外當系統有大容量電機啟動或系統低壓側發生短路故障，會引起短時電壓跌落，失壓脫扣器也容易誤動作。

方式二:采用分勵脫扣器自動卸載，即當進線開關脫扣后，利用三級負荷配置的分勵脫扣器自動全部聯鎖卸載三級負荷。 缺點是為鎖定卸載三級負荷，分勵脫扣器線圈始終帶電，即使變壓器有裕量也無法及時投入有用電需求的三級負荷。

(4)沒有對配電系統元器件的日常維護建立起自動化、信息化的管理機制，仍然處于被動的管理模式，即使重要的配電設備也不能處于監管狀態。

1.3 智能配電系統的必要性

(1)對每個回路電氣感知的數據進行采集，設定不同的數據采集信息值(即初始值、運行值、預警值、報警值)，并具有調配功能，使運維人員清晰了解每個配電回路正在運行的負荷狀態，提前預警，規避突發風險。

(2)對變壓器負載率、各等級用電負荷的用電量進行初始值效驗，根據運行值來判定負荷卸載方案，即一、二級負荷為保障負荷，主要利用變壓器的負載率余量對三級負荷進行再排隊，利用智能管理平臺對三級負荷的投切進行有序控制，充分利用變壓器的裕量，使三級負荷也具有一定的供電連續性，滿足業主非必要的停電需求，或保障必要情況下三級負荷的供電。

(3)對元器件電氣感知參數進行信息統計，即對分斷能力、保護特性、分合閘次數、開關電纜發熱采集、使用年限等設定預警值，做到提前防備、主動管理。

(4)建設智能配電互聯互知的平臺，有效感知配電系統各個環節的運行狀態，避免潛在的故障風險，系統針對運行情況，根據獲取數據，分析并及時處理，設置多種應急故障排除解決方案，并快速、高效和安全地恢復供電。

(5)預設用電負荷的運行規律，合理調配負荷的運行時間，為削峰填谷起到積極作用，利用電器設備的功率調節能力、空調負荷的投切時機、照明負荷的調節、大功率負荷的運行報備制度，為負荷的柔性用電提供技術支撐。

2 智能配電與運維管理的關系

智能配電系統通過物聯網斷路器、智能儀表或智能模塊，動態拾取有效的數據，分析、管理這些數據。 運維管理數據中預置大量的管理數據、管理圖表，通過兩者的比對，完成預設的目標。 智能配電系統有效提高了運維管理的水平，而運維管理反過來促進智慧配電系統最優化的構建。

(1)實現在統一平臺下對各級配電系統的監控，保障供電的連續性、安全性、節能型、交互性和統一性。 具體包括負荷的運行管理與負荷減載控制、故障定位與診斷、負荷趨勢分析、電能成本核算等功能。

(2)實現曲線及報表管理設置功能；系統運行狀態的在線監視； 后臺數據庫管理；前臺人機交互界面信息處理；分析報警、異常或故障事件。

(3)實現異地管理、手機APP 監管等，完成電氣設備清單及相關管理措施。

3 智能配電系統的主要內容

3.1 變配電系統的框架繪制

建筑物內的變配電系統由高壓配電系統、低壓配電系統及應急柴油機發電系統組成，包含高壓柜、高壓斷路器、保護和測量裝置、變壓器、低壓柜、無功補償、低壓斷路器、聯絡開關、柴油發電機組、互感器、測量儀表等元器件，實現了電能在建筑物內的合理分配與供應，并保證了整個系統安全可靠的運行。 由于變配電系統元器件眾多，實現功能復雜，現對該系統功能及供電關系進行梳理，繪制出變配電系統框圖，同時也可利用視頻監控系統作為配電管理系統的輔助手段，如圖1 示意。

圖1 變配電系統框圖

3.2 高壓配電系統

高壓配電系統一般由供電部門完成，使用單位多以監測為主。 由綜合繼電保護完成，保護設定由供電局取值。

3.3 變壓器

變壓器是智能配電系統中十分重要的裝置，其負載率不僅與負荷調配有關，還與變壓器的損耗、壽命關系密切。 通過監測變壓器的低壓側電流掌握變壓器的負荷率曲線；通過變壓器溫控器數據掌握變壓器的運行溫度曲線，確定變壓器正常情況下的最佳負荷率，以及極端情況下的允許負荷率；通過變壓器的運行溫度曲線估算變壓器的老化率，確定變壓器的壽命。

3.4 低壓配電

(1)通過智能儀表、智能開關、智能模塊等智能終端實現數據采集和監控。

(2)對各級(進線、聯絡、配出)配電開關進行管理，即回路的數據采集功能、開關的保護功能及狀態功能、配電回路的監測功能及遠端控制功能，采集的數據與通過預先設置的初始值比對，實現對開關的有效控制。

(3)集中無功補償部分:包括電容投切容量、投切時間、功率因數、集中補償柜的進線開關的管理等。

(4)集中諧波治理部分:包括諧波次數、諧波量及前后對比等。

(5)各類型建筑負荷等級分析，重點將變配電室各回路的負荷按負荷等級、負荷性質、負荷類別、所屬功能區分別進行標識，統計出各類負荷等級、各類負荷性質、各類別負荷、各功能區負荷的容量，實現對負荷的統計和管理。

3.5 柴油發電機組

啟動條件、啟動時間、電壓、電流、頻率及運行負荷，統計消防負荷和平時重要負荷的容量，為提高更多負荷供電的可靠性創造條件。

4 智能配電的關鍵技術

4.1 變壓器的有效利用

(1)筆者調研發現，一般辦公建筑正常情況下的負荷率不超過30%，文化、體育類建筑的負荷率更低。 但由于缺乏大量的數據支撐、沒有方便查詢的統一管理平臺，設計人員難有第一手資料，若僅憑經驗來估算變壓器的裝機容量，即使有詳細的計算過程，由于需要系數、同期系數的不同取值，也是差別很大。

(2)變壓器的有效利用涉及到變壓器的節能運行、生命周期、溫升變化、極限運行、低壓側的電壓變化等諸多因素。 從現有的調研結果來看，變壓器的裝機容量普遍偏高，尤其是較為重要的建筑，其變壓器的負荷率更小，一方面是末端負荷冗余量偏大，另一方面是一、二級負荷比重大，需要考慮一臺變壓器或一路高壓故障情況下，另一臺變壓器有能力負擔所有的一、二級負荷。 如何合理選擇變壓器容量，使變壓器的容量得到有效的利用(避免變壓器平時負荷率低至20%～30%)，需要設計階段全面考慮各類負荷的搭配，充分利用錯峰運行的負荷、季節性負荷、間歇性負荷、不同重要性負荷的特點，最大化的有效利用變壓器。

1)掌握變壓器運行容量，可以有效控制負荷容量的增減，優化其維護時間段，對于季節性調配負荷，可以考慮停歇處理，減少空載損耗。

2)充分利用變壓器的冗余容量，當變壓器一臺故障時，另一臺也可帶載一些三級負荷。

3)當負荷率較低時，利用變壓器滿載可長期運行特點，通過智能管理平臺統計結果，當一臺變壓器故障且另一臺變壓器允許帶載全部負荷時，投切時不用卸載，保障了所有負荷供電的連續性。

4)在滿足最佳節能效果的情況下，充分利用變壓器的有效負載，最大化的提高變壓器的利用率，有利于降低建筑物單位面積的裝機容量。

5)在合理的溫升范圍內，最大化的提高變壓器的利用率，不至于一味提高變壓器的負載率而降低其使用壽命。

6)變壓器的負荷變化對電壓偏差的影響會隨著季節變化，可適時調整變壓器分接點的位置。

4.2 低壓配電負荷的調配

4.2.1 調配的意義

(1)在變配電系統的設計階段，根據用電負荷的負荷等級，采取不同的供電方法，以對其供電可靠性、安全性、連續性進行保障。

(2)在計算變壓器容量時，并非按照所有用電設備的額定容量相加選取變壓器，而是使用設備的計算容量。 根據平時和一、二級負荷總量來分別算出計算負荷容量的最大值，以最大值作為選取變壓器容量的依據。

(3)變壓器容量有限，為了使變壓器工作在合適工況下，減少維護成本，在遇到變壓器檢修、火災以及一路停電等非正常狀態時，通常采取切除不重要負荷的方法，避免變壓器長時間超載運行，保證重要負荷的供電可靠性。

(4)在遇到一路市電停電或者檢修時，可通過聯絡母線，將一組變壓器所帶的負荷切換至一臺變壓器供電。 若實時用電負荷超過一臺變壓器的負載能力，則應該切除部分不重要負荷，保證其余重要負荷供電。 這種情況下通常是按負荷等級的高低，先切除全部三級負荷，再考慮切除二級負荷。

(5)當一臺變壓器運行時，若供電缺口不大，只需切除少部分用電負荷就能滿足變壓器安全運行的條件時，就需要對用電負荷按照重要性進行排序，依次切除更不重要的用電負荷，減少建筑物內的停電范圍。 在確定出各用電負荷負荷等級的基礎上，根據停電對建筑物內使用人的影響，對用電負荷進行重要性的排序，如建筑立面照明、屋頂亮化照明等裝飾性用電負荷可優先切除，建筑內房間、走廊、樓梯間照明等用電負荷應優先保證。

4.2.2 調配的措施

(1)每個配電回路設定一個預估的電流運行曲線，高限報警、低限閃爍。 即實際電流高于計算電流的15%時報警，低于設定值的50%時閃爍。

(2)設定各饋出開關按穩定負荷(長期(一年)運行數據)自適應整定值。 當小于整定時自動調小；當大于整定值時，提出整定值調增建議、更換電纜或拆分負荷，增加回路。

(3)每個回路實際運行的電流曲線與預估曲線對比，形成年或季節經驗電流曲線。

(4)整個母線段的一、二級負荷總值設定一個電流運行曲線。

(5)整個母線段的三級負荷總值設定一個電流運行曲線。

(6)變壓器溫升與負荷率的對應曲線(考慮環境溫度的影響)；設置環境溫度、變壓器內線圈溫度的顯示功能，設定環境溫度不大于40℃，高于報警。

(7)變壓器損耗(最佳經濟運行、可將各類變壓器額定損耗列表)與負荷率的對應曲線。

4.3 建筑柔性用電技術

4.3.1 柔性用電負荷的重要性

低碳發展成為全球共識，低碳發展必將推動能源系統需求側的電氣化，預計終端電氣化率將由25%增至68%。 民用建筑中涉及到照明、供熱、空調、炊事、電動汽車充電等各個領域，利用電器設備的功率調節能力，通過有效管理建筑中的柔性用電負荷，采取轉移用電負荷(削峰填谷)、削減用電負荷(調頻、調壓)，改變建筑的負荷運行規律，大型用電設備有計劃地采用報備制工作等技術或管理，既能滿足建筑用戶的使用需求，又能提高供電的可靠性和經濟性。

4.3.2 柔性用電的主要內容

通過智能配電系統建立一套用電負荷管理系統平臺，實現建筑內部設備的靈活控制以及建筑與電網的通訊互動。 一方面可以為電網提供靈活性，保障電網的可靠供電，并在不斷完善的峰谷電價、電力市場、需求響應等政策支持下獲得經濟收益；另一方面也可以促進建筑光伏的就地高效利用。

(1)照明系統:用電高峰時調節室內照明方式，必要時也可降低照度等級，進而降低照明負荷。

(2)空調系統:通過控制空調啟停、改變變頻空調的壓縮機頻率、切換中央空調末端風盤的風速檔位、或者放開室內溫度的控制精度，短暫地改變空調用電負荷，包括新風機組在保證室內CO2濃度在合理范圍內時也具有相似的調節能力。 此外，在特殊情況或者用戶允許的情況下，利用建筑良好的圍護結構體系，放寬室內環境溫度的控制精度(如適當提升室內溫度)，使空調系統具有更大的調節能力。

(3)冷熱源系統:通過配置蓄冷水箱、蓄熱水箱，將冷熱源的電力供應在更長的時間尺度下轉移電力負荷，利用夜間谷電蓄冷(熱)，削減白天高峰時段的用電負荷。

(4)電動汽車充電:通過有序充電技術，避開用電高峰而選擇在用電低谷階段充電，在保障電力安全的同時還可以讓用戶享受低電價。 通過雙向充放電技術，電動汽車還可以在保證用車需求的基礎上，利用富余的電池容量來為電網儲存過剩電力或反向輸出電力，充當可移動的儲電池設備。

(5)蓄電池儲能:接入建筑配電網的蓄電池一方面可以作為建筑或者設備的備用電源，在電力供給故障時為建筑或者設備提供短暫的電力供給；另一方面，結合峰谷電價或電力市場價格蓄電池還可以在低電價時段儲存電力，在高電價時段釋放電力，從而來實現削峰填谷。 特別適用于太陽能光伏系統的運用。

(6)廚房類設備:洗衣機、洗碗機、電熱等智能設備，在非急用的情況下，可以延遲啟動從而避開用電高峰。

(7)工藝類大用電設備:有些實驗室等用電設備容量大，可以通過報備制方式提前有序安排適用時段。

5 運維管理

(1)管理要素:資料調取、設備建檔、能效管理、負荷調配、應急預案、報表打印、信息上傳等。

(2)管理目標:由分散管理向集中管理轉變；由人工記錄管理向集中統一平臺管理轉變；建立規范的運維保障管理流程，使管理實際化、針對化，提高用電質量，改善用電環境；應用先進、適用、高效的管理平臺，使管理更加主動，崗位職責更加清晰。

(3)運維管理的構建思想:基于工程竣工資料，在運行過程中積累實際運行狀況統計，形成與用戶接近的數據統計資料，針對用戶對項目的用電、用能管理需求，構建一套吻合的用電安全、用電保障、用電統計、機電設備管理的展示平臺。

(4)運維管理方法:包括資料錄入、規章制度建立、主要設備檔案的建立、主要設備維修改造檔案的建立、變電所運行記錄、主要設備運行記錄等。

6 結束語

智能配電管理系統涉及系統構架、硬件設備選擇和軟件的編制，需要在設計階段有一個很好的統籌，絕不是簡單的硬件升級，也不是一個軟件編制就能解決的系統工程，需要通過建設方、使用方、施工方和設計方的通力合作，完成智能配電的系統構建。 智能配電系統和運維管理仍處于探索、總結、完善、提高的階段，需要行業同仁一起為之努力。