新型農村配電網數字化、智能化改造分析

摘 要：為了實現農村高質量建設和高效有序運行，同時改善人民的居住環境，這些需求讓農村電力配網需求不斷涌現。據農村的規模、戶數和用電設備情況，進行詳細的電力需求計算。考慮到基本用電負荷、公共設施（如電梯、照明、消防系統等）的電力需求，以及可能存在的高峰用電情況，確保供電系統能夠滿足整個樓宇的電力需求。該供配電系統工程設計以某新型農村建筑作為研究對象，進行電氣系統方案設計，主要設計3個子系統，分別是農村建筑的供配電系統、照明系統和火災自動報警系統。對于供配電系統的設計，首先分析負荷計算的常用方法，分析鑒定該農村區域的負荷級別，計算所需設備容量。接著依憑經測算得到的設備容量數據，選擇導線和電纜的規格以及變壓器的容量。憑據負荷的性質，選擇供電主接線模式和配電模式。對于火災自動報警的設計，確定消防的防護級別，選擇適合的火災探測器和聯合控制消防形式，繪制火災自動報警平面圖和系統圖，其中討論火情探測報警系統和聯合控制消防系統這2個系統。

關鍵詞：電氣系統設計;農村;供配電系統;數字化;智能化

中圖分類號：TM912 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）30-0128-04

Abstract： In order to achieve high-quality construction and efficient and orderly operation of the village， and at the same time improve the people's living environment， these demands have led to a continuous emergence of demand for rural power distribution networks in cities. Detailed power demand calculations are carried out based on the size of the rural area， households and power equipment. Taking into account the basic power load， the power demand of public facilities， such as elevators， lighting， fire protection systems， etc.， and possible peak power consumption conditions， ensure that the power supply system can meet the power demand of the entire building. This power supply and distribution system engineering design takes a new type of rural building as the research object to carry out the electrical system design. It mainly designs three subsystems， which are the power supply and distribution system， lighting system and automatic fire alarm system of rural buildings. For the design of the power supply and distribution system， first analyze the common methods of load calculation， analyze and identify the load level of the rural area， and calculate the required equipment capacity. Then， based on the calculated equipment capacity data， select the specifications of wires and cables and the capacity of the transformer. Select the main power supply wiring mode and distribution mode based on the nature of the load. For the design of automatic fire alarm， determine the level of fire protection， select appropriate fire detectors and joint control fire protection forms， and draw automatic fire alarm plan and system diagram， which discuss the two systems of fire detection and alarm system and joint control fire protection system.

Keywords： electrical system design; rural area; power supply and distribution system; digitalization; intelligence

隨著農村經濟的快速發展，如何做好配電網結構體系優化，解決分配電網絡建設問題，成為當前控制的核心。在農村配電網實時監控設計過程中，圍繞智能化改造與數字化實踐，將多方配電網絡結構體系進行優化，并且針對其中微型配電網小區結構設計內容作出分析，讓配電系統以及遠程配電裝備能夠融為一體。在多單元柔性化配電設計過程中，符合控制需求。同樣也完成了基于配電網絡功能設備體系的突破，為我國配電網絡建設與改造創造有效空間，真正提高了配電網絡的有效性。

1 新型農村配電網的數字化、智能化改造理論基礎

1.1 新型農村配電網的數字化

農村供配電系統是指為農村地區提供電力的整個系統，包括發電、輸電、配電和終端用電等環節。在農村供配電系統中，發電通常由當地的發電廠或電站提供，輸電則通過輸電線路將電力從發電廠輸送到農村地區的變電站，最終通過配電網將電力分配到農村各個家庭和企業。電力系統由發電廠、輸電線路、配電線路以及用戶組成。該過程是發電廠把從自然界獲取的一次能源轉換成電力能源，電能經過輸電網絡傳輸到下一環節的變電站，再由配電網絡對電力能源進行分配，用較低電壓供給用戶。農村供配電系統屬于民用建筑供配電系統，其主要涉及的是電力系統中用戶用電的部分。該系統設計水平的高低是關乎到建筑物內部系統是否能安全可靠且經濟運行的關鍵。大到一個地區的供配電系統，小到一個關乎日常的農村供配電系統，這些都關乎人民的生命財產安全和社會經濟發展。如果沒有對整個系統進行全面策劃，則會浪費資金，并且會拖延施工期限。作為設計單位在設計農村的供配電系統時，就要和供電部門、開發商協調確定好供配電系統方案。在設計的過程中，所采用設備要選擇通過國家檢測標準的合格產品，且要貫徹“適用、經濟、綠色、美觀”八字方針，在社會推行綠色建筑和低碳環保的號召下，選擇綠色環保、節能高效的用電設備。

1.2 理論基礎

1.2.1 電網拓撲結構分析

通過對農村配電網的拓撲結構進行分析，包括線路配置、節點布置、變電站位置等，以優化電網結構，提高供電可靠性和穩定性。利用拓撲分析方法，可以識別潛在的故障點，并提出相應的改造方案。

1.2.2 電力負荷預測

通過對農村電力負荷進行預測和分析，了解不同時間段的負荷變化規律，為配電網的容量設計和優化提供依據。常用的方法包括時間序列分析、神經網絡模型等，可以有效地預測未來一段時間內的負荷需求。

1.2.3 電網參數計算

針對新型數字化、智能化設備的應用，需要對電網的參數進行計算和分析，包括電流、電壓、功率因數等。通過數學模型和仿真軟件，可以模擬不同工況下的電網運行情況，評估設備的性能和電網的穩定性。

2 新型農村配電網的數字化現狀

2.1 智能化改造

部署智能監控系統，實時監測農村電網的運行狀態和參數，該系統可以通過傳感器和監測設備收集數據，利用物聯網技術傳輸數據到中心控制系統，并利用數據分析和人工智能算法進行實時監測和預測，以便及時發現并解決電網問題。引入遠程控制技術，實現對農村電網設備的遠程監控和控制。通過遠程控制系統，可以遠程對電網設備進行操作和調節，提高電網的靈活性和響應能力，及時應對電網異常和故障。使用智能配電設備，如智能開關、智能斷路器等，提升農村電網的安全性和可靠性，這些智能設備具有自動檢測和保護功能，可以及時識別電網問題并采取相應措施，有效減少電網故障和事故發生的可能性。利用大數據分析技術，對農村電網的運行數據進行分析和優化。通過分析數據，可以發現電網運行中的潛在問題和優化空間，提出相應的改進措施，優化電網運行效率和性能。部署智能能源管理系統，實現對農村電網中各種能源的管理和優化，該系統可以綜合考慮電網供需情況、能源價格和環境因素等，制定合理的能源調度方案，實現電網能源的高效利用和優化配置。

2.2 數據采集和處理能力的提升

智能電表的安裝率達到100%，覆蓋率接近100%，這意味著幾乎所有的鄉村用戶都能享受到智能電表帶來的便利和功能。除基本的電量和需量計量功能外，智能電表還具備費控、數據存儲、事件記錄等功能，這些功能為用戶提供了更多的服務和管理選項。全省電網數據采集量大約為1 700多TB，每天新增數據量達到2 TB，并呈現快速增長趨勢。這些龐大的數據量需要強大的數據處理和存儲能力，以確保數據的及時分析和利用。這些數據將為電網運營提供更多的信息，幫助優化電網運行和管理。TTU型融合終端已經安裝5.52萬臺，其不僅具備數據采集和事件記錄功能，還可以實現配網監控功能，具有較強的邊緣處理能力。這些融合終端的應用可以提高電網的監控和管理效率，更好地應對電網運行中的問題和挑戰。

2.3 數字化升級和智能化服務

數字化升級和智能化服務為鄉村電網的數字化轉型和智能化提供了堅實的基礎。電網運營商可以通過分析大量的數據來優化電網的運行和管理，提高電網的可靠性和安全性，為鄉村居民提供更加穩定和高效的電力服務。設計農村供配電系統的過程中，經常使用的負荷計算方法有3種。設計人員選擇負荷計算方法時，需要依據設計的實際情況，根據場所的類型和設備對象來進行選擇。

一般計算時主要采用的方法是需要系數法;對于農村住戶配電箱采用單位指標法來進行負荷估算;對于具有商業服務功能的場所和地下室車庫等根據建筑面積使用負荷密度法進行計算。

單位指標法

PC=，（1）

式中：PC為計算有功功率（kW）;P′e2為單位用電指標（W/戶、W/人、或W/床）;N為單位數量（戶數、人數或床位）。

單位指標法是用于估算農村設計載荷最廣泛的方法。每個家庭的耗電量指數有2個屬性，在進戶輸電線路和用戶電能表的選擇中，其值是每個家庭的用電功率。用于計算某區域的負荷計算，比如計算整個農村樓盤時，則是每個家庭的設備功率。

影響單位指標的因素有多種，如當地地理位置、居住習慣、當地經濟水平和使用能源種類等。每個地方所屬的供電公司制定的指標不同，表1給出的數據是本次農村工程設計的所在地供電公司南方電網的指標。

1）用電設備組的計算功率

Pc1=Kd×Pe，（2）

Qc=Pc×tanθ，（3）

2）配電主線路或低電壓等級母線的計算功率

Pc2=KΣP×ΣPc1，（4）

Qc2=KΣq×ΣQc1，（5）

Sc=，（6）

Ic=，（7）

式中：Pc為有功功率（kW）;Qc為無功功率（kvar）;KΣP為有功功率同時系數;KΣq為無功功率同時系數;Sc為視在功率（kVA）;Ic為計算電流（A）;Kd為需要系數，見表2;θ為計算負荷功率因數角;Un為額定電壓（kV）。

當多個用電設備同時工作時，各個設備不能同一時間段都以最大負載的形式運行，所以在計算設備組負荷時，就要引入同期系數。KΣP可取0.8～0.9，KΣq可取0.93～0.97。進行簡化測算時，KΣP和KΣq取值可以一樣。

對于農村的公共照明和公共電力負荷，需要系數值取0.8。

負荷密度法

PC=，（8）

式中：P′e1為單位面積功率（負荷密度）（W/m2）;S為建筑面積（m2）。

表2 民用農村用電負荷需要系數

3 新型農村建筑農村商業服務網點電表箱

本新型農村建筑共設置有20個商業服務網點位置，部分商鋪有2層。依據負荷密度法對該區域進行功率測算，本新型農村建筑的20個商業服務網點可分為6種配電箱，其中ALS1為4 kW配電箱、ALS2為6 kW配電箱、ALS3為9 kW配電箱、ALS4為12 kW配電箱、ALS5為15 kW配電箱和ALS6為21 kW配電箱。商鋪電表箱B1-1AWS1連接有12個配電箱，可分為4個ALS1配電箱、1個ALS2配電箱、3個ALS3配電箱、1個ALS4配電箱、2個ALS5配電箱和1個ALS6配電箱。所以商鋪電表箱B1-1AWS1總功率為

Pe3=4×4+6+3×9+12+2×15+21=112 kW。

依據需要系數法進行測算，配電電壓為380 V，則需要系數Kd取0.9，cosθ=0.85，則

Pc3=Kd×Pe3=0.9×112=100.8 kW，

Pc3=×U×IC3×cosθ，

IC3==180.18 A。

商鋪電表箱B1-1AWS2連接有8個配電箱，分別是3個ALS1配電箱、2個ALS3配電箱、2個ALS4配電箱和1個ALS6配電箱。所以商鋪電表箱B1-1AWS2總功率為

Pe4=3×4+2×9+2×12+21=75 kW。

依據需要系數法進行測算，配電電壓為380 V，則需要系數Kd取0.9，cosθ=0.85，則

Pc4=Kd×Pe4=0.9×75=67.5 kW，

Pc4=×U×IC4×cosθ，

IC4==120.66 A。

4 供配電系統優化措施

4.1 智能電表的安裝和普及

推廣安裝智能電表是數字化、智能化改造的首要步驟。智能電表能夠實現遠程抄表、費控、數據存儲等功能，為電網管理提供了更多的數據支持。

4.2 采集終端和融合終端控制

類似于TTU型融合終端，推廣安裝采集終端和融合終端可以實現對配電網的實時監控和管理。這些終端具備數據采集、事件記錄、配網監控等功能，有助于提高電網的運行效率和安全性。

4.3 物聯網技術應用

物聯網技術可以實現對各個設備的連接和管理，實現設備之間的信息交互和數據共享。通過在電網設備上部署傳感器和通信設備，可以實現對電網的實時監測和遠程控制，提高電網的智能化水平。

5 結論

農村配電網元件荷載與電壓影響的研究對于保障農村電力供應的可靠性和穩定性具有重要意義。在農村配電網中，各個元件的荷載情況和電壓穩定性密切相關。過高的元件荷載會導致設備過載、線路過熱等問題，嚴重影響供電質量;而電壓波動過大也會對設備和生產設施造成損害。因此，合理控制元件荷載和維持電壓穩定性是確保農村電力供應可靠性的關鍵。通過對元件荷載進行合理的分布，避免出現某些元件過載的情況。其次，可以采取調整變壓器容量、增加補償設備、優化電網結構等措施，提高電壓的穩定性。此外，還探討了智能監控與管理系統的應用，通過實時監測和數據分析，提前發現問題并采取相應的措施。

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第一作者簡介：張舜博（1997-），男，碩士，助理工程師。研究方向為配電自動化、配電網規劃設計。