智慧配電系統在現代工業廠區電力改造的應用

王鐵軍 龔科 陳德優 薛耀康 吳曄

(江蘇凱隆電器有限公司 江蘇常州 213025)

在生態文明主導，城市文明、工業文明同步發展的新格局下，我國各大城市在工業廠區實施了電力改造，旨在通過智慧配電系統，進一步提升工業廠區用電的綠色化、智能化以及高效化。尤其在一些老舊的工業廠區與新建產業園區，安全生產要求高、消防管理需求多、電力系統運維管理成本較高，應用智慧配電系統后，不僅可以化解此類問題，也能夠從整體上實現配電房無人值守、計量表數據抄錄遠程控制以及電力設備的物聯管理等。

1 智慧配電系統概述

1.1 內涵

從概念界定看，主要是以實際用戶的需求為準，在相關配電系統標準規范要求下創建的自動化電能管理系。具體操作時，主要基于數字化技術研發設計適用性較強的智慧配電系統，實踐經驗表明，現階段普遍使用的智慧配電系統，主要包括智能終端與智慧電柜兩種模式[1]。

1.2 指標

就智慧配電系統的常用參數指標看，智能終端模式下可以按照產品型號、終端形式、應用場景、功能描述等設置相應的指標（見表1）。與之相比，智慧電柜模式下的參數指標，則根據CPOWER Box（智慧電柜型）中的進線柜、母線柜、補償柜、出線柜、定制柜等，對其型號、規格（寬度、深度、高度）、回路數量、回路規格等進行具體設置[2]。

表1 智能終端模式常用參數指標

2 現代工業廠區電力改造需求分析

2.1 工程概況

以某酒業廠區為例，分為第一廠區、第二廠區、第三廠區。在第一廠區配置了2 臺干式變壓器，容量分別為500 kVA（已停用）、1 000 kVA（正常使用）。為滿足整個廠區的生產、生活用電需求，于第二廠區設置了1 臺干式變壓器，容量為1 600 kVA。第三廠區與第二廠區的變壓器類型、容量一致，配置數量為2 臺，主要為生產提供電力。經現場勘察，發現第二廠區的配電系統整體規模較大、變壓器處于低負載運行狀態，雖然遵循酒業廠區所在市區電力局的規范要求實施需量繳費，然而在數據監控、電力控制、繳費措施等方面仍然沒有實現智能化。與之相比，第三廠區中的配電房設備陳舊，既缺乏通信接口，也沒有于高低壓柜中安裝智能電表及相關的數據采集裝置。所以，整體上的改造需求比較明確。

2.2 改造需求分析

首先，在該工業廠區中的需要對配電設備性能的使用工況進行實時監測，同時要對整個運行工況開展動態診斷，因而需要對現用的配電房進行智能化改造，建立一個智慧配電房，保障無人值守目標的落實。其次，該廠區需要對用電情況進行數據化管理，建立以電能計量方面的數據采集—上傳—存儲—分析—生成分析報告—利用分析報告中的指令預警—調整用電方案等為基本內容的遠程抄錄計量表計數據分析與利用，并將其擴展企業成本核算、員工績效等方面[3]。最后，該廠區的用電設備數量多、電力能源使用量大，對于電力安全的要求相對較高，為了有效將粗放式電力管理轉型到集約式管理，十分需要通過通信技術，利用通信接口實現相關設備之間的關聯，進而使其能夠滿足物聯管理目標，更好地為企業創造綜合效益。

3 智慧配電系統在現代工業廠區電力改造的應用

3.1 項目實施

首先，根據該工業廠區的現場勘察情況，在第一廠區、第二廠區的電力設備中，檢查設備自帶的RS-485通信接口，確認可以使用的條件下，將主持改造單位的數據采集器與儀表數據進行關聯。利用智能網關的數據傳輸功能，采集到的數據上傳至“云平臺”。其次，更換3 個廠區電力設備中的斷路器，改用智能塑殼斷路器，實施遠程分合控制。同時，對配電室設備的供電情況、運行狀態監測。具體操作中，按照智慧配電系統組成、功能設置的方式完成。

3.2 系統組成

整體上的系統組成包括了設備感知層—數據通信層—數據管理層—應用層。按照“大系統+小系統”的基本設計思路，將其應用到了智慧配電房、智慧配電柜改造之中，最后將二者關聯到總系統[4]。分述如下。

第一，劃分出智慧配電房、智慧配電柜，在智慧配電室改造方面，按照感知層—傳輸層—存儲與應用層—應用管理層進行系統架構設置（見圖1）。其中，感知層包括安防監控、視頻監控、設備狀態監控、環境監控。每個監控系統對應設置相應的監控內容，以安防監控為例，重點集中在對配電房門鎖、人員入侵方面的在線監測。以視頻監控為例，主要對與配電房環境及設備進行視頻在線監控，具備遠程控制及聯動功能。以設備狀態監控為例，針對配電房中的柜體、電纜頭、梅花觸頭、線排、操作機構、變壓器等進行在線監控。以環境監控為例，通過設置傳感器，對配電房綜合環境參量進行在線監測，包括溫濕度傳感器、氣體傳感器、噪聲傳感器、水浸傳感器等。

圖1 某酒業廠區智慧配電柜系統框架示意

第二，借助終端處理單元，將感知層與傳輸層進行關聯。傳輸層主要采用通信網絡（主要采用光纖與無線通信兩種形式）進行控制，配套設置了智能網關。

第三，通過“云平臺”登錄界面，通過賬戶登錄、在線驗證碼或密碼驗證后進入“安全訪問認證”界面，通過安全認證后，進入系統平臺。將系統平臺中的預留接口與該工業廠區中的通信接口進行關聯，開展數據采集后的存儲與分析。

第四，在設置的顯示屏、智能手機中，可以在線開展數據查詢，并結合移動應用程序（App）對配電房中的監測情況進行實時觀看與數據點擊分發、利用等。

第五，智慧配電柜方面的改造，主要是通過改造斷路器、拉光纖、裝智能網關、設置傳感器、連接到“云平臺”的基本操作方式進行改造。

第六，通過通信關聯，將智慧配電房與智慧配電柜，統一關聯到該工業廠區的智慧配電系統管理“云平臺”。

3.3 系統功能設置

第一，在數據通信層，按照當前的通信技術，采用5G 設備對配電監控數據進行傳輸，提或數據傳輸效率。為了解決數據存儲量大造成的系統運行速度拖慢問題，主持改造的單位為該廠區的監測設備中，利用“云桌面”功能，設置了“虛擬磁盤”，當采集到的所有數據上傳至數據管理層后，可以對其進行“虛擬存儲”，不占用系統內層[5]。

第二，在系統性能設置方面，根據該工業廠區的數據化管理需求，按照故障預警—故障設備定位—電量峰谷平統計—值班管理—巡視管理—搶修管理—運維管理等基本流程，進行了綜合設置，提高了智慧配電系統的使用性，滿足了該工業廠區的全過程數據化管理需求。

第三，在系統穩定性方面，按照24 h 持續應用標準，設置了系統自動維護功能，可以根據實際情況與變更需求，由該工業廠區的電力管理人員，在該系統中進行自主設置，從而實現其維護需求。對于高負荷狀態下的穩定持續服務性能進行了檢查，預留了高負荷狀態下的參數富余量，即使出現高負荷狀態，也不影響系統的持續工作。

第四，由于該工業廠區中的能源系統屬于分布式方式，能耗系統也存在分散性。在智慧配電系統中，主持項目改造的單位，按照系統擴容功能要求，結合“模塊化”管理，擴展了系統功能與結構，能夠使分布式能源系統全部接入，并滿足能耗系統無縫對接要求。

圖2 基于深度自編碼匹配算法的故障智能識別技術

第五，將智慧配電房、智慧配電柜關聯到“云平臺”后，根據酒業情況設置運行監控功能。具體操作方面，主要是基本的功能為必要條件，調整高壓與電房、低壓配電房，以及各級別配電柜、配電箱中的監測點，確保整個智慧配電系統監測應用時，能夠做到360°無死角的監控。尤其在無人值守的情況下，考慮到立體化數據監管需求，在細節上幫助該工業廠區進行了多次監控調試，達到了立體數據監管目標。

第六，其他方面的功能設置包括設備巡視、搶修管理、用電分析、單位電量統計、設備電量統計等。以搶修管理為例，利用該系統中應用的深度自編碼器匹配算法，可以結合以往發生的故障情況，設置“故障數據庫”，并在發生故障的第一時間，由系統自動識別出故障類型、故障發生位置，通過自動開/關可以解決的問題，直接進行在線解決。對于相對復雜的故障，則在故障發生、預警、定位后，由電力管理人員直接進入故障位置進行排查與快速搶修[6]。

4 結語

總之，通過產業轉型升級，我國工業行業已經進入了高質量發展階段，在工業廠區電力改造中應用智慧配電系統可以發揮多重作用，從根本上改變工業廠區的電力管理方式。因此，建議在高質量發展時期，盡可能增強對智慧配電系統的研討，進而借助深度層面的基本原理研究、廣度層面的數字化技術推廣應用、精度層面的全過程指標管理等綜合措施，推動智慧配電系統在工業廠區電力改造中的高效應用。