基于民用建筑的集控型供配電系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用與分析

中圖分類號：TU852 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2096-6903（2025）08-0123-03

0 引言

供配電系統(tǒng)的設(shè)計作為電力系統(tǒng)生產(chǎn)、傳輸、分配及使用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在實(shí)際的生產(chǎn)、生活應(yīng)用中具有舉足輕重的作用。而傳統(tǒng)的供配電系統(tǒng)設(shè)計已不能很好的滿足當(dāng)前復(fù)雜多變的使用環(huán)境及各式各樣用電設(shè)備，尤其是復(fù)雜多變的負(fù)荷需求。隨著現(xiàn)代控制技術(shù)、通信技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，為新型供配電系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用提供了新的可能及解決方案[1]。作為智能電網(wǎng)的重要組成部分，集控型供配電系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用近年來受到越來越多的關(guān)注。集控型供配電系統(tǒng)有機(jī)融合了現(xiàn)代信息技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)，對供配電系統(tǒng)的應(yīng)用水平和管控水平進(jìn)行了極大的提升，具有良好的發(fā)展?jié)摿，鑒于此，對集控型供配電系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用與分析具有重要的理論和實(shí)踐價值。

1優(yōu)勢及特點(diǎn)

集控型供配電系統(tǒng)是指針對系統(tǒng)、設(shè)備及信息三個層面相對獨(dú)立的子系統(tǒng)、設(shè)備及軟件，通過標(biāo)準(zhǔn)化接口及通信協(xié)議的互連，實(shí)現(xiàn)供配電系統(tǒng)的協(xié)同工作，信息共享及功能優(yōu)化。從而提高供配電系統(tǒng)的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性及高效性[2-3]。

集控型供配電系統(tǒng)與傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)相比具有明顯的優(yōu)勢和特點(diǎn)，具體體現(xiàn)在如下5個方面：第一，供配電系統(tǒng)的自動化程度高，由于集控型供配電系統(tǒng)采用了現(xiàn)代自動化控制技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)的實(shí)時自動監(jiān)測、控制，甚至根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行需要調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，使得整個供配電系統(tǒng)的運(yùn)行更加安全、穩(wěn)定、高效。第二，供配電系統(tǒng)運(yùn)行成本低，集控型供配電系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的無人自動巡檢、調(diào)節(jié)和節(jié)能，從而減少認(rèn)為干預(yù)及能源浪費(fèi)，進(jìn)而降低整個供配電系統(tǒng)的運(yùn)行成本[4。第三，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和分析能力強(qiáng)，集控型供配電系統(tǒng)能夠根據(jù)系統(tǒng)需要及配置，實(shí)時采集供配電系統(tǒng)中各個設(shè)備的實(shí)時數(shù)據(jù)，并與集控平臺數(shù)據(jù)庫及云平臺進(jìn)行對比，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析和處理，以便及時發(fā)現(xiàn)并解決供配電系統(tǒng)中存在的故障和問題，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)故障的預(yù)警、判斷和定位解決[5]。第四，系統(tǒng)安全性高，集控型供配電系統(tǒng)能夠通過系統(tǒng)平臺的預(yù)警和自動保護(hù)功能來確保供配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行，能夠有效降低系統(tǒng)中潛在的事故風(fēng)險。第五，信息化程度高。與傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)相比，集控型供配電系統(tǒng)是明顯優(yōu)勢之一則是能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)信息的共享、云服務(wù)及遠(yuǎn)程控制功能，從而提高了供配電系統(tǒng)的管理效率和運(yùn)行水平。

2 工程概述

本文以某高校科研樓集控型供配電系統(tǒng)為研究對象。項(xiàng)目所在科研樓為地上四層單體建筑，使用功能為學(xué)校科研、辦公、實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)機(jī)房，用電負(fù)荷等級為一級，用電負(fù)荷為 15600kVA_c ，采用兩路 10kV 市政電源供電，市政電源采用全主全備，兩路同供的系統(tǒng)供電模式，兩路 10kV 市政電源分別引自區(qū)域內(nèi)不同 110kV 變電站 10kV 出線間隔。部分用電負(fù)荷為特級負(fù)荷，特級負(fù)荷設(shè)UPS及低壓柴油發(fā)電機(jī)組做第三路電源，變電所內(nèi)設(shè)低壓切換柜。科研樓內(nèi)一層設(shè)置 10kV 開閉所一座，接入兩路 10kV 市政電源，系統(tǒng)采用單母線分段模式，另一層至四層每層各設(shè) 10/0.4kV 變電所一座。上述供配電系統(tǒng)均采用集控型供配電系統(tǒng)，管理中心設(shè)置于大樓一層值班室，管理系統(tǒng)采用分層分布式實(shí)現(xiàn)，共分為三個層次即控制層、通訊層及間隔層。其中，控制層采用服務(wù)器級別電腦主機(jī)，配置顯示器、打印機(jī)等輔助設(shè)備，負(fù)責(zé)完成對整個供配電系統(tǒng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、處理、分析、顯示和監(jiān)視功能，并在滿足權(quán)限和邏輯時，對相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行控制，并為運(yùn)行人員提供各種控制管理功能，同時提供多種外部系統(tǒng)接入接口。通訊層實(shí)現(xiàn)與配電柜內(nèi)各種集控設(shè)備通訊、以及各變電所之間，變電所與監(jiān)控中心之間通訊設(shè)備之間的連接，通訊層配置核心為以太網(wǎng)交換機(jī)設(shè)備，工業(yè)級接口交換機(jī)，通訊網(wǎng)關(guān)、通訊介質(zhì)等組成。通訊層通過以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對通訊信息的傳遞，在以太網(wǎng)通訊架構(gòu)，配置環(huán)形或者星型網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)控制層和間隔層之間以太網(wǎng)連接；總線和以太網(wǎng)之間，配置智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行總線和以太網(wǎng)接口協(xié)議轉(zhuǎn)換。同時，支持總線的設(shè)備通過智能網(wǎng)關(guān)與多功能儀表或者其他總線設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)通訊接口和協(xié)議的轉(zhuǎn)換。間隔層主要指現(xiàn)場監(jiān)控層，主要通過對安裝于配電柜內(nèi)的綜合保護(hù)裝置、智能斷路器、多功能表、測溫傳感器、攝像頭、檢測采集配電回路中的各種信息，并完成信號轉(zhuǎn)換，通過通訊接口上傳到通訊層，同時接收從控制中心下發(fā)的現(xiàn)場指，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對電氣設(shè)備的控制。

2 系統(tǒng)功能設(shè)置及應(yīng)用

2.1 供配電系統(tǒng)的監(jiān)測與控制

相較于傳統(tǒng)的供配電系統(tǒng)，集控型供配電系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)實(shí)時在線檢測，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)設(shè)備遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)了變電所的無人或少人化管理。其實(shí)現(xiàn)了對整個供配電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、電氣參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)的全方位監(jiān)管，并在滿足邏輯和權(quán)限的情況下實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程操控，提高了對供配電系統(tǒng)的運(yùn)行管理水平和自動化水平。

2.2 數(shù)據(jù)采集與分析

本系統(tǒng)所采集數(shù)據(jù)信息主要包括：電氣設(shè)備的開關(guān)位置狀態(tài)，故障信息與報警信息，電氣回路運(yùn)行的電壓、電流、有功功率、無功功率等電參量；電氣設(shè)備的運(yùn)行溫度、設(shè)備運(yùn)行時長、微機(jī)綜合保護(hù)等關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)定參數(shù)，以及設(shè)備故障原因和電路器件的磨損老化信息、電動機(jī)的狀態(tài)信息、手車位置信息等；供配電系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境信息，如溫度、濕度及安防信息等。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對所采集數(shù)據(jù)信息的存儲，并與數(shù)據(jù)庫或特定算法進(jìn)行比對分析。

2.3 故障預(yù)警及判斷

系統(tǒng)利用已采集的數(shù)據(jù)信息，利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)和特定的分析算法，對實(shí)時數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析判斷，識別供配電系統(tǒng)及設(shè)備的故障模式和發(fā)展趨勢，實(shí)現(xiàn)對供配電系統(tǒng)故障的快速判斷和定位，并對潛在的故障進(jìn)行有效預(yù)測。通過建立大數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)模型，將供配電系統(tǒng)專業(yè)知識和以往成功案例的處理措施等經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為故障診斷的規(guī)則和策略，從而指導(dǎo)本系統(tǒng)進(jìn)行自動化診斷和處理。

系統(tǒng)除具有故障判斷、預(yù)警功能外，還應(yīng)具備故障應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制。當(dāng)系統(tǒng)檢測到異常情況時，能夠及時發(fā)出預(yù)警信號，并自動啟動系統(tǒng)內(nèi)置應(yīng)急預(yù)案，快速隔離或切除故障區(qū)域，防止故障區(qū)域和范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，從而減少系統(tǒng)的非計劃停電時間及維修成本，確保供電的可靠性及安全性[3]。

2.4 能源及資產(chǎn)管理

系統(tǒng)對采集數(shù)據(jù)具有針對性分析管理功能，首先，具備將采集的能耗數(shù)據(jù)，通過數(shù)字化的儀表盤進(jìn)行分項(xiàng)對比，自動執(zhí)行同比、環(huán)比、變化確實(shí)及不同能耗介質(zhì)的對比功能，其次，對所有的需要進(jìn)行保存的歷史數(shù)據(jù)，能夠通過趨勢工具進(jìn)行趨勢分析和顯示，支持曲線的縮放、截取，按照不同的時間長度定義，支持不同數(shù)據(jù)組在同一圖表上顯示。最后，系統(tǒng)根據(jù)需要生成不同格式的報表，且報表數(shù)據(jù)支持自動生成和自動打印，具備靈活設(shè)置功能。系統(tǒng)對用戶能源情況進(jìn)行深入和直觀展示，對于能源管理模塊，具備總能耗詳情、能源結(jié)構(gòu)、電能分項(xiàng)、負(fù)載監(jiān)測、能源KPI、能源流向等分析統(tǒng)計；對于電費(fèi)分析，具備當(dāng)前電能費(fèi)用、電費(fèi)分析、電能成本及綜合能源收益等；對于碳排管理具有碳排放詳情、碳排放KPI、碳排放分析及報表管理功能。

基于設(shè)備健康狀態(tài)的分析診斷評估基礎(chǔ)上，當(dāng)設(shè)備健康狀態(tài)出現(xiàn)異常時，通過健康評分直觀了解設(shè)備狀態(tài)信息；提供運(yùn)維建議，清楚查看設(shè)備詳細(xì)異常信息描述，運(yùn)維則可根據(jù)具體維護(hù)建議制定運(yùn)維計劃，開展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測，降低故障風(fēng)險。

2.5 光儲直柔調(diào)控

本系統(tǒng)基于實(shí)時與預(yù)報的氣象資料、太陽能輻射強(qiáng)度、環(huán)境數(shù)據(jù)、光伏板衰減老化情況等多維度參數(shù)，采用深度學(xué)習(xí)算法，預(yù)測未來1h至7d的光伏發(fā)電量。基于用戶的用能習(xí)慣及各類負(fù)載的能耗特性、對未來1h至7d的負(fù)載能耗功率做出預(yù)測，結(jié)合大數(shù)據(jù)，采用深入學(xué)習(xí)算法，提高負(fù)荷預(yù)測的準(zhǔn)確性。綜合考慮光伏發(fā)電情況及用能特性，以及當(dāng)?shù)氐姆骞入妰r，生成對可控負(fù)載的調(diào)節(jié)策略。綜合考慮光伏發(fā)電情況及用能特性，以及需求側(cè)相應(yīng)下發(fā)的功率限制，生成對可控負(fù)載的調(diào)節(jié)策略，實(shí)現(xiàn)了對光伏系統(tǒng)應(yīng)用中發(fā)電效率及質(zhì)量的有效提高。

2.6 人機(jī)交互功能

集控型供配電系統(tǒng)中的人機(jī)交互是指用戶與監(jiān)控管理系統(tǒng)之間的交流和互動方式。作為一項(xiàng)雜的系統(tǒng)工程，涉及到界面設(shè)計、交互技術(shù)、移動終端設(shè)計等多個方面。本工程中的人機(jī)交互內(nèi)容大致可分為如下幾個方面：

集控型供配電系統(tǒng)的界面設(shè)計：界面設(shè)計作為人機(jī)交互的重要組成部分，它直接影響到用戶的體驗(yàn)感及工作效率。系統(tǒng)中的界面設(shè)計具體表現(xiàn)為簡潔明了且易于操作和理解。本系統(tǒng)采用典型的分層菜單結(jié)構(gòu)，滿足用戶使用過程中快速識別、定位及查詢的日常需求。

基于云計算的交互技術(shù)：隨著大數(shù)據(jù)的開發(fā)利用，云計算技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)和民用領(lǐng)域都越來越多的開始采用基于云計算的新型交互技術(shù)。該技術(shù)不僅可以很好的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中存儲和管理，而且能夠提供強(qiáng)大的計算能力和存儲資源，使得系統(tǒng)能夠擁有快速處理和分析數(shù)據(jù)的能力，從而為用戶提供更加精確的分析結(jié)果和良好的決策支持。

移動終端的人機(jī)交互設(shè)計：移動設(shè)備當(dāng)前在國民生活中得到了極大的普及，從而使得移動終端的人機(jī)交互設(shè)計變得舉足輕重。系統(tǒng)設(shè)計需要在滿足用戶的移動體驗(yàn)的同時兼顧到移動設(shè)備的特性和限制。采用當(dāng)前典型的觸摸屏技術(shù)，為用戶提供手指滑動、點(diǎn)擊等操作方式。

用戶體驗(yàn)評估策略：為不斷提升集控型供配電系統(tǒng)中人機(jī)交互的水平，系統(tǒng)采用了不同的用戶體驗(yàn)評估方法，主要包括問卷調(diào)查、訪談、可用性測試等。通過這些方法，系統(tǒng)能夠收集到用戶對系統(tǒng)的反饋和意見，從而分析和挖掘系統(tǒng)的潛力，提升系統(tǒng)的整體性能水平和體驗(yàn)感。

用戶體驗(yàn)優(yōu)化策略：基于收集到的用戶反饋意見以及評估結(jié)果，系統(tǒng)制定相應(yīng)的優(yōu)化策略和方案。具體包括簡化界面、增強(qiáng)交互性、提供及時反饋、個性化定制等。通過上述優(yōu)化策略及方案，進(jìn)一步提升系統(tǒng)人機(jī)交互水平和系統(tǒng)的易用性。

2.7 云服務(wù)管理

云服務(wù)作為一種高效、豐富的服務(wù)響應(yīng)模式，是對集控型供配電數(shù)據(jù)和設(shè)備的一種提升式服務(wù)，具有可擴(kuò)展性、安全性、可靠性、成本效益及可維護(hù)性等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)需將相關(guān)的信息匯總以后，在該設(shè)備上進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、分析和顯示。關(guān)鍵的云網(wǎng)關(guān)設(shè)備部署在配電室內(nèi)，通過手機(jī)3G/4G信號，將數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務(wù)平臺，供巡檢工程師通過末端移動設(shè)備，對各變電所內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行故障檢修、巡檢使用，實(shí)現(xiàn)對整個供配電系統(tǒng)級設(shè)備的檢測、管理和控制。

2.8 系統(tǒng)的安全性與開放性

集控型供配電系統(tǒng)作為智能電網(wǎng)的重要組成部分，客觀上要求其具備系統(tǒng)的開放性及安全性。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的開放性，需要系統(tǒng)在硬件上滿足物理連接的可能性及軟件連接的兼容性。所謂物理連接的可能性是指電氣設(shè)備應(yīng)具有相同的設(shè)備接口，或者接口可以轉(zhuǎn)成相同的接□；軟件連接的兼容性則是指設(shè)備應(yīng)支持相同的通訊協(xié)議，如常用RS-485協(xié)議及Modbus、TCP/IP協(xié)議等。

系統(tǒng)安全性則是指集控型供配電系統(tǒng)在信息傳遞過程中，確保信息的機(jī)密性、完整性和可用性等方面的能力。可通過綜合考慮安全認(rèn)證、風(fēng)險監(jiān)測、數(shù)據(jù)加密、密鑰管理、安全協(xié)議、物理安全、定期安全審計和評估等多個層面和技術(shù)手段，確保系統(tǒng)的安全性滿足現(xiàn)行國家標(biāo)注及用戶特定需求。

3結(jié)束語

通過前文分析探討可知，本工程所設(shè)計的集控型供配電系統(tǒng)，在技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都較為合理，通過對比不難發(fā)現(xiàn)，在同類或者類似工程中采用此類設(shè)計系統(tǒng)是能夠滿足可靠、經(jīng)濟(jì)、合理的基本設(shè)計原則。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及技術(shù)水平的突破與提高，在針對此類項(xiàng)目的設(shè)計時也需采用新方法、新技術(shù)及新材料，尤其對設(shè)備及人員提出了新的更高的要求。

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