數字化技術的智慧配電系統及其設計應用

ABB（中國）有限公司廈門分公司 鐘火榮

智慧配電系統是在考慮用戶實際需要的基礎上，依據配電系統相關標準和規范而設計的電能管理系統，該系統適用于低壓配電系統，具有專業性強、自動化程度高的特點，在一定程度上，提升了配電系統應用的可靠性。新時期，人們對于智慧配電系統的應用質量提出了較高的要求，深化數字技術應用已經成為智慧配電系統高質量、高標準設計的內在要求。

1 智慧配電系統現狀

配電網工程建設對于電力資源的配置、使用和管理具有深刻影響，在低壓配電系統規劃建設中，智慧配電系統能通過遙信、遙測和遙控等功能，實現配電網需要的優化調配，這不僅實現了整個電力系統的科學管理，而且有效地節約了電能。新時期，智慧配電系統在電力系統中的應用不斷深入，有效地滿足了新時期電力工程自動化、智慧化的發展需要。但是不可否認的是，智慧配電系統的建設應用尚存在一定的問題。

首先安全性是配電系統規劃建設中需要考慮的首要內容，但是在現階段的智慧配電系統建設中，各種保護機制以器件為主體，這些器件不僅受物理特性、保護機制影響，而且受配置狀況的直接作用，受此影響其在安全保護中經常會出現不報警、不動作及誤動作，降低了配電系統整體的安全性。

其次受配電設備生產制作粗放、強弱電交叉、配電與用電管理結合不到位等因素影響，智慧配電系統在使用中還存在故障頻發的問題，當智慧配電系統處于關鍵場合時，往往還會造成一些較為嚴重的后果。同時，隨著電力工程技術的發展及人們用電需求量的增加，電力用戶對于配電系統整體的功能設計也提出了較高的要求，但是現階段的智慧配電系統應用還存在功能單一的問題，且在能耗數據精度、數據分析模式等層面的管理中存在較多問題，影響了配電系統整體的能耗管理能力。

最后智慧配電系統的設計、運營、維護和管理均需要工作人員參與其中，但是在現階段的智慧配電系統人機交互中，整體的交互界面較為簡陋，功能發揮空間有限，這降低了人機交互的整體質量，影響了智慧配電系統的控制效果[1]。

2 基于數字化技術開展智慧配電系統設計的重要性

作為一項復雜、龐大的工程，智慧配電系統的設計本身具有較強的專業性、綜合性和復雜性，其在設計過程中需要多部門專業的系統配合，并系統考慮配電系統運行效率性、穩定性、安全性等諸多因素，這樣才能提升智慧配電系統整體的應用水平。新時期，依托數字技術開展智慧配電系統設計，對于提升配電系統整體的設計水平具有深刻影響。一方面，智慧配電系統的穩定性運行需要處理大量的基礎數據，且隨著智慧配電系統建設規模的擴大，與配電系統相關的數據正以幾何倍數的速度增長。數字化技術是信息技術的核心，其能通過0和1編碼的方式完成字符、聲音、語言、圖像等信息的準確表達，這有效地滿足了智慧配電網系統數據處理需要，故而使用數字技術是智慧配電系統設計、建設、運行的必然選擇。

另一方面，在以往的配電網工程發展中，智慧配電系統的建設和應用尚存在較多的問題，具體表現為智慧配電網系統安全性不高、穩定性不強、人機交互能力有限等諸多層面。新時期，在數字化技術的支撐下，電氣工作者能對配電系統的運行狀況進行實時監控，并且結合數字化技術下的監測結果，可系統化地實現配電網系統管理和大容量清潔能源之間的關系協調，這有效地解決了以往智慧配電系統的應用問題，提升了智慧配電網系統應用的穩定性和安全性。

3 數字化技術下的智慧配電系統結構形式和功能特征

3.1 結構形式

新時期，數字化技術在智慧配電系統中的應用不斷深入，從實際應用過程來看，其大致可分為智能終端模式和智慧電柜本地模式兩種形式。其中，使用智能終端模式進行配電系統控制管理時，智慧終端本身具有強大的數字化功能，其能實現系統各回路的監控和精細化管理。而在智慧電柜本地模式下，具有較高一體化程度的智慧電柜不僅能構建配電回路，而且能實現整個系統的全面管理，具有集中控制、簡化運維的特征。

3.2 功能特征

通過數字化技術能實現智慧配電系統的全面優化。一是使用數字化技術后，智慧配電系統的連續性更強，運行狀態更加穩定。就智慧配電系統本身而言，其具有為用電負荷持續供應電能的作用，在數字技術的支撐下，智慧配電系統不僅能自動化地完成電源轉化，而且能防止越級跳閘使事故擴大化，這不僅提升了連續供電各種功能邏輯控制的智慧化程度，而且有效地避免了非故障停電事故的發生，實現了整個智慧配電系統的簡潔化、可靠化控制。

二是以往的智慧配電系統在應用中存在一定的安全隱患，這不僅給電力工作者帶來較大的操作風險，而且威脅電力用戶的人身安全。在使用數字化技術后，電力工作者能通過多種創新技術進行智慧配電網系統應用過程的管理，確保了系統運行的安全性。如傳統的智慧配電系統應用中容易出現電氣火災，而在使用數字化技術后，能充分利用數字化保護技術實現異常電流的識別，這消除了異常電流對配電系統的傷害，減少了電氣火災發生的頻率，滿足了系統安全運作需要[2]。

三是可持續發展理念下，人們在智慧配電網系統設計中，還對其系統的綠色節能效益提出了較高的要求。使用數字化技術后，工作人員在設計智慧配電系統的同時，還能為其設計用于能耗管理的智慧化子功能，該功能模塊不僅能從硬件層面實現相關數據的高精度采集，而且通過軟件系統的作用，其能將能耗分析的結果直觀地展示給該用戶，這大大提升了系統運行能耗管理的效率和精準程度。對比傳統系統僅提供簡單能耗數據報表的管理方式，數字化技術下的智慧能耗管理子系統不僅能顯示能耗的實際情況，而且能準確的掌握能耗的異常點，這為電力用戶節能方案的設計和應用提供了指導。在一定程度上，數字化技術的使用減少了系統無效運行的能耗，滿足了新時期配電系統綠色、節能的建設要求。

四是使用數字化技術還能較大提升智慧配電系統運行中的交互效果。在新時期的配電網規劃中，無論是電網運行信息監控還是配電系統安全管理，其均需要實現工作人員與設備、集中平臺的高效交互。使用數字化技術后，智慧配電系統中的本地媒介和一體化電柜架構得以融合，這能以相對集中的角度與工作人員進行信息交流，滿足了整個智慧配電系統功能需要。值得注意的是，基于數字化技術進行人機交互時，智慧配電網系統還設計了一定的專家診斷功能模塊，該模塊實現了現場異常情況的預判、警告及提供建議解決方案，為智慧配電網系統后期的控制和管理提供了有效參考。

4 數字化技術在智慧配電系統設計中的應用

4.1 參數指標設計

使用數字化技術后，智慧配電系統運行管理中的精細化程度更高。在系統初期階段，為滿足這種精細化管理的實際需要，還需要積極開展智慧配電系統參數指標設計。智能終端和智慧電柜的參數指標設計是數字化技術下，智慧配電系統參數指標設計的重要內容。在智慧終端指標設計包含了一體式終端和分體式終端兩種形式：其中，在一體式終端設計中，一級一體式智能終端在一級配電、主進線柜中的應用較多，同時在母聯柜、開關出線柜中也有一定的應用；二級一體式智能終端在二級配電、配塑殼斷路器一般出線柜等場合中應用較多。分體式智能終端多為三級智能終端，這些智能終端多用于三級配電和配電箱等場合，包含配顯示屏終端和無顯示屏終端兩種形式。

除考慮智能終端參數指標設計外，電氣設計工程師還應注重智慧電柜參數指標的具體設計。在智慧電柜參數指標設計中，除考慮配電柜具體的類型外，應對其進線柜、母聯柜、補償柜、出線柜、其他非標柜等單元的寬度、深度、高度進行系統設計，同時嚴格控制回路數量和回路規格，這樣才能有效提升智慧電柜參數指標設計的科學性、合理性，滿足智慧電柜的后期的使用需要。以某公司智慧型電柜為例，其進線柜的參數設計需滿足表1標準。

表1 某型智慧電柜參數設計

4.2 系統設計

基于數字化技術開展智慧配電系統設計時，還須從適用場合選擇、設計方法兩個層面進行整體系統的具體設計。在智慧配電系統應用場合設計中，設計人員應認識到在數字化技術的支撐下，智慧配電系統的功能得到了極大提升，其應用場合也隨之擴大。除適用場景設計外，深化數字化技術應用還應注重智慧配電系統實現方法的設計。結合智慧配電系統設計應用實際可知，當整體系統使用智能終端模式后，其主要實現方式是在已經確定的配電回路上加裝智能終端及相關檢測設備和傳感器，然后完成各個終端的組網通信，這樣能實現所有終端的系統監控管理。要值得注意的是，基于智能終端模式進行慧配電系統設計和數字化技術應用時，應注重配電需求的系統分析，然后以此為基礎，確定系統涵蓋范圍，最后在相應的回路上添加終端，得到完整的組網結構和拓撲圖。

4.3 變壓器經濟運行及可靠性設計

在智慧配電系統設計中，變壓器在整個配電系統中發揮著重要作用，依托數字化技術，通過對變壓器負載管理、調配、運行數據分析計算，使得變壓器運行在經濟區間之內，同時保證供電可靠性。一是在變壓器經濟運行區間設計中，首先應通過變壓器原始參數計算變壓器綜合功率空載損耗，同時需考慮變壓器綜合功率額定負載功率損耗及負載波動損耗系數情況。設計人員應按照GB/T13462-2008的要求，進行變壓器綜合功率經濟負載系數計算，如下式：

公式（1）中，βjz代表變壓器綜合功率經濟負載系數，而POZ、PKZ、KT分別代表綜合功率空載損耗、綜合功率額定負載功率損耗和負載波動損耗系數。二是在實際設計中，設計師還應考慮一二級負荷主備電源的調配功能，完成負荷電源調配需要。三是設計中應考慮變壓器退出運行的功能替代，一般退出一臺變壓器時，應有另一臺變壓器負擔所有重要荷載，以此來保證變壓器運行的經濟性和供電可靠性。

4.4 其他設計要點

新時期，依托數字技術開展智慧配電系統設計已經成為一種發展趨勢，其對于整個配電網的規劃建設和電力行業發展具有深刻影響。結合智慧配電網系統設計實際可知，在數字化技術融合應用中，還應注重以下要點的控制：一是在斷路器選擇中，應結合數字化技術和配電網系統應用需要，進行斷路器型號的系統選擇，并在考慮實際用電需要的基礎上，須注重斷路器的功能配置，如通信功能等。

二是使用數字化技術后，在電動操作機構設計中，除主進線斷路器、母聯斷路器外，還應為油機切換斷路器及要求具備遙控分合閘功能的其他回路斷路器加裝電動操作機構，滿足整個智能配電系統快捷操作的實際需要。

三是智能終端、柜型設計是智慧配電系統設計的重要內容。這樣能有效提升智能終端、配電柜與數字化技術和整體配電系統的匹配性，提升配電系統整體設計效果。

四是在電力工程技術創新背景下，數字化技術設計在應用中，還應注重該技術融合應用趨勢的深層次分析，即在智慧配電系統中使用數字化技術，還應注意凸顯全面化、精細化、綠色化的特征規律，這樣能顯著提升智慧配電系統建設、運行、升級、維護的整體效益，推動配電網系統的可持續發展。

現階段，電力工作者只有深刻認識到智慧配電系統設計應用現狀和數字化技術應用的優勢，結合實際情況進行數字化技術在智慧配電系統設計中的深層次融合和應用，這樣才能有效提升數字化技術應用水平，保證智慧配電系統設計質量，進而在滿足系統配電、用電需要的基礎上，推動配電網工程的持續、穩定發展。