淺析華南理工大學廣州國際校區(qū)智能配電系統(tǒng)

過仕佳華南理工大學建筑設計研究院有限公司 廣東 廣州 510010

在數字化與電氣化相容并進的時代，更多智能化手段與應用正逐步滲透于建筑領域。從建筑設計者的角度，如何看待數字化手段為建筑設計、施工與運維全生命周期的安全、穩(wěn)定、效率及能效管理帶來的效益？本文結合華南理工大學廣州國際校區(qū)的工程實踐，探討智能配電如何為建筑能源管理提供幫助和提升[1]。

1 項目概況

華南理工大學廣州國際校區(qū)位于廣州市番禺區(qū)南村鎮(zhèn)，校區(qū)總建筑面積約110萬平方米。其中一期建筑面積約50萬平方米，總投資36.79億元，于2018年8月開工，2019年9月開學。二期建筑面積約59萬平方米，總投資約53.7億元，計劃今年年底竣工。

校區(qū)變壓器總安裝容量約120000kVA，一期變壓器總安裝容量73800kVA，面積指標148W/m2。（不包括網絡中心的總面積指標為111.5W/m2。）二期建筑面積約59萬m2，變壓器總安裝容量為47950kVA，面積指標為82W/m2。各組團具體面積指標見表1。

表1 校區(qū)用電面積指標

2 學校的使用要求及配電系統(tǒng)的特點

目前在國際校區(qū)開設的專業(yè)有8個，分別是機器人工程、智能制造工程專業(yè)、微電子科學與工程、集成電路設計與集成系統(tǒng)專業(yè)、生物醫(yī)學工程專業(yè)、分子科學與工程專業(yè)、人工智能、數據科學與大數據技術專業(yè)，均為當前最熱門的前沿交叉學科專業(yè)。根據教學需要，校區(qū)已建成擁有化學中心、物理中心、電子電工中心、計算機中心等涵蓋各類實驗室52間、設備2120臺/套。同時正在建設創(chuàng)新工場，努力打造成為國家示范性工程創(chuàng)新訓練中心。創(chuàng)新工場將機器人、數字化、新材料等先進制造技術引入教學實踐環(huán)節(jié)；規(guī)劃設計包括智能機器人、無人駕駛、機器學習、3D打印、數字化加工、傳統(tǒng)加工等25個實訓模塊，采用全天候24小時“智能圖書館”的管理模式，引導學生開展前沿探究、創(chuàng)新訓練、競賽驅動與創(chuàng)業(yè)孵化。

創(chuàng)新工場模式的實訓室對配電運行和管理提出了更高的要求。設計提出了相應的實驗室供電方案：通用實驗室的動力配電均采用母線，每個小實驗室留插接箱，大空間的實驗室每隔一定距離留插接箱。這樣可以大大提高供電的靈活性，也可以充分利用各個實驗室的同時系數，提高供電效率。鑒于傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)在運行維護、設備資產管理以及供電連續(xù)性監(jiān)測和分析等方面，已無法滿足本項目全生命周期運行管理需求。設計在項目中采用施耐德的EcoStruxure智能配電平臺，力求在滿足更高穩(wěn)定性與安全性需求的前提下，通過數字化手段，將運維管理及數據分析化繁為簡。通過預測性維護，進一步提高運維效率和質量，實現(xiàn)節(jié)能降耗和可持續(xù)發(fā)展。使配電系統(tǒng)具有更高的靈活性和可靠性，再結合信息化和智能化的設備和管理手段來實現(xiàn)柔性供電。

3 學校智能配電系統(tǒng)架構

3.1 智能配電系統(tǒng)的網絡架構

本項目智能配電系統(tǒng)網絡架構由站控管理層、網絡通訊層和現(xiàn)場設備層組成。

站控管理層主要由系統(tǒng)軟件和必要的硬件設備組成。監(jiān)測系統(tǒng)軟件對采集的現(xiàn)場各類數據信息進行計算、分析與處理，并以圖形、數顯、聲音等方式反映現(xiàn)場的運行狀況。PSO本地電力監(jiān)控系統(tǒng)、遠程設備運維管理平臺[2]。

網絡通訊層主要是由通訊管理機、以太網設備及總線網絡組成。該層是數據信息交換的橋梁，在負責對現(xiàn)場設備回送的數據信息進行采集、分類和傳送等的同時，轉達上位機對現(xiàn)場設備的各種控制命令。

現(xiàn)場設備層是數據采集終端，主要由智能儀表組成，采用具有高可靠性、帶有現(xiàn)場總線連接的分布式I/O控制器構成數據采集終端，向數據中心上傳存儲的能耗數據。

3.2 硬件采集部分

3.2.1 中壓系統(tǒng)監(jiān)測

中壓系統(tǒng)直接利用綜合繼保的數據，可以實現(xiàn)中壓開關柜全狀態(tài)監(jiān)測。

3.2.2 低壓系統(tǒng)監(jiān)測

a.對于變壓器測量其溫度信號。

b.對于低壓柜進線、母聯(lián)及重要設備的出線回路等關鍵位置，利用框斷路器內置的通信接口，直接讀取斷路器內部的測量數據。

c.低壓柜各個出線回路，利用多功能電力儀表讀取電流、電壓、功率因數等參數，實驗動力設備的供電回路還檢測諧波等電能質量數據。通過斷路器輔助觸點讀取斷路器分合狀態(tài)、故障狀態(tài)。

3.2.3 樓層配電系統(tǒng)監(jiān)測

對于樹干式供電的回路，在樓層照明、空調及動力配電箱分別設置多功能儀表，實驗動力的供電回路上儀表帶諧波檢測功能。

3.2.4 后臺操作系統(tǒng)及功能

電力監(jiān)控及能源管理系統(tǒng)能實現(xiàn)常規(guī)的“遙信”、“遙測”功能，不設置“遙控”功能。具體功能設置如下：

a.遙信：對開關運行狀態(tài)、保護工作等進行監(jiān)視。監(jiān)控系統(tǒng)主監(jiān)控畫面顯示各回路的運行狀態(tài)，斷路器變位時會發(fā)出報警信號，提醒用戶及時處理故障。

b.遙測：顯示主要設備的電參數，包括：線三相電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、頻率、諧波、電流/電壓諧波畸變率、最大/最小值等。重要回路還要求記錄接地故障電流、故障分斷電流、斷路器觸頭老化分析等數據。

c.顯示：可顯示各回路基本信息，以圖顯形式實時顯示各回路電參量。

d.運維提醒：根據數據分析斷路器老化程度，判斷設備壽命，及時提醒維護。

e.能耗數據分析：系統(tǒng)對監(jiān)控數據進行能耗趨勢分析和對比，為電力系統(tǒng)的優(yōu)化提供決策依據。

4 智能配電系統(tǒng)對于項目運維的幫助

華南理工大學老校區(qū)由上世紀二十年代使用至今，雖然新建變電所大部分設置了智能儀表，原有的舊變電所很多也經過了改造。但是由于平臺不統(tǒng)一，管理效率仍然很低[3]。主要采用人工巡檢的方式管理，水電中心有約30位員工負責日常維護工作。當發(fā)現(xiàn)問題或供電系統(tǒng)故障時要通知廠家或供電局進行搶修，供電恢復時間往往比較長。這是典型的被動/定期維護，沒有靈活性，效率低，響應速度慢，維護管理水平不高。

而在國際校區(qū)設計按照智能建筑（智慧建筑）的標準來打造，通過在一些關鍵位置部署具有“自我感知”能力的設備，并以數據作為其狀態(tài)反饋信息的載體，配合智能化系統(tǒng)對不同區(qū)域的實時監(jiān)控，以更加精細化和動態(tài)的方式，提升部署與樓宇內電氣設備的能效和管理水平，才能為智慧、綠色校園帶來強健的基底。

為了更好地幫助運維人員管理部署于校園內的海量設備狀態(tài)，我們將智能配電系統(tǒng)的數據植入了開放式的、可集成于BIM模型中的解決方案，以提升整體運維效率。電力監(jiān)控的數據結合BIM模型，動態(tài)直觀展示，操作更加簡便。

運維階段采用數字化手段提升運維和能源使用效率很關鍵。我們的系統(tǒng)植入了各種低碳節(jié)能環(huán)保策略、數字化管理策略，其目的是打造綠色、節(jié)能、智慧校園，營造出一種人與自然和諧共生的學習、生活環(huán)境。作為典型的智慧校園，國際校區(qū)通過分布于不同功能區(qū)的智能化系統(tǒng)，為使用者提供舒適、安全、便捷的環(huán)境，充分滿足信息化、網絡化、智能化和綠色節(jié)能的要求。

傳統(tǒng)電力監(jiān)控系統(tǒng)大部分基于智能電表采集數據，在電能質量分析、能耗監(jiān)測和能源管理方面功能比較完善。但傳統(tǒng)電力監(jiān)控因缺乏對開關元件的測量手段，無法及時監(jiān)測到設備或系統(tǒng)存在的隱患，往往在故障發(fā)生并產生影響后，才會做出反應。

而智能配電系統(tǒng)能夠更多地讀取斷路器內部的數據，除了兼有傳統(tǒng)電力監(jiān)控系統(tǒng)的功能外，智能配電汲取了眾多數字化手段。通過對傳感技術、物聯(lián)網、大數據、人工智能等手段的整合，賦能于建筑電氣設備與電氣系統(tǒng)，讓設備能夠“自感知”，電氣系統(tǒng)能夠實現(xiàn)信息的互聯(lián)互通，從多維度、全方位對設備、系統(tǒng)的運行進行統(tǒng)一管理與分散控制。智能配電還能隨時幫助運維人員掌握系統(tǒng)隱患，并做到及時、有效的排除。同時，讓數據從收集到分析，進而轉化為切實可行的指導性建議。

以本項目為例，智能配電系統(tǒng)以數據作為從硬件、軟件到應用層的重要連接，實現(xiàn)電力設備連接、系統(tǒng)架構、應用場景的全面覆蓋，并實現(xiàn)了在多個領域的快速部署。該方案通過數據價值的深度挖掘，實現(xiàn)設備、系統(tǒng)互聯(lián)，能夠做到對區(qū)域內設備、系統(tǒng)狀態(tài)全面感知、故障精準判斷、集中在寒暑假對設備進行預防性維護，從而實現(xiàn)優(yōu)化運行，精益運維，確保電氣系統(tǒng)持續(xù)安全、穩(wěn)定運行。

與此同時，國際校區(qū)的智能配電系統(tǒng)預留了與云端的接口。如果遇到現(xiàn)場無法解決的問題，可以把數據上傳云服務器。借助設備廠家全球專家團隊，獲取更專業(yè)的分析與咨詢服務。這讓解決問題的時間大大縮短，排故精準度、效率、成本控制等方面都獲得看得見的提升。

5 智能配電系統(tǒng)存在問題分析及展望

5.1 監(jiān)控范圍與投資的平衡

一方面，系統(tǒng)需要更多更細致的數據支撐，但數據的采集需要借助各種設備，如帶有通信接口的智能斷路器、各類儀表、通信模塊及網絡設備等。這會大大增加系統(tǒng)的建設成本。另一方面，海量的設備和繁雜數據如果不能變?yōu)橹庇^的問題報告和管理策略，那只能會使管理人員無從下手，反而成為負擔。這就需要系統(tǒng)的“大腦”主動對數據的深度挖掘，使配電系統(tǒng)的監(jiān)測數據和分析報告能更為直觀地呈現(xiàn)，幫助運維人員做快速的決策。但目前部分產品本地主機自動生成的報告可讀性不高，集成商對于遠程診斷和運維建議等服務，也是要額外收費的。由于國內用戶的消費習慣，導致了此產品和服務的推廣有一定的難度。

5.2 智能配電系統(tǒng)的主要功能和任務

很多同行提出，目前建筑內配電設備管理的智能化水平不高，無法打破建筑內電氣系統(tǒng)間的“信息孤島”，各個子系統(tǒng)之間不能有效協(xié)調，導致監(jiān)控管理只能是點狀行動，而不是整體性行動，因此無法及時發(fā)現(xiàn)能源使用不合理問題，更易造成能源的浪費。有很多廠家提出柔性供電，需求側管理等理念[4]。有利用電池等方式儲能削峰填谷；也有針對空調和熱水系統(tǒng)的管理，錯峰用電的方案等。

但目前來看，建筑內部各個設備還是由一個個子系統(tǒng)分別控制，如智能照明、電梯、空調系統(tǒng)、水系統(tǒng)等，再通過BA系統(tǒng)對這些子系統(tǒng)進行集成。BA系統(tǒng)經過多年的發(fā)展，有相對完善的測量和執(zhí)行機構，也有成熟的控制程序，其針對電梯、空調、水泵等設備的運行特點，有對應的控制流程。以筆者的觀點看，目前智能配電系統(tǒng)還是應該以BA的一個子系統(tǒng)存在。立足于配電系統(tǒng)本身安全運行，同時將能耗情況反饋給BA，通過BA系統(tǒng)聯(lián)動控制調節(jié)電梯、照明、熱水系統(tǒng)水溫、充電樁的輸出等，讓用電負荷與供電系統(tǒng)匹配。

6 總結

華南理工大學國際校區(qū)智能配電系統(tǒng)的建設目標是通過電能質量管理和電力監(jiān)控的整體解決方案，在確保供配電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的同時，實現(xiàn)預測性運維，提高能源效率和可持續(xù)發(fā)展。目前，一期已經運營了一年時間。我們基本實現(xiàn)了電能質量監(jiān)控自動化、能源使用管理精細化、運維值守無人化的“三化合一”模式，讓整體效率更高，管理成本更低。

在能源世界正趨于更加數字化、低碳化、分散化、電氣化的當下，基于新一代信息通信技術與新型配電需求深度融合，更加高等級的數字化智能配電解決方案及服務，將越來越多的被采用，服務更多的用戶。