基于工業物聯網技術的配電智能化系統設計及應用

薛素芹，李道真

（1.江蘇聯宏智慧能源股份有限公司，江蘇 南京 210046；2.東南大學總務處，江蘇 南京 211102）

0 引 言

配電智能化是目前高等院校后勤管理工作中的一個重點方向。為了滿足學校后勤管理部門日常運行管理的需求，提高配電系統運行的高效性、可靠性以及安全性，降低運行費用，減輕維護人員的勞動強度，有效提高學校的整體管理水平，東南大學九龍湖校區在學校整體配電網絡基礎上建設完成了基于工業物聯網技術的配電智能化系統。

1 項目概述

東南大學九龍湖校區配電智能化系統于2019年建設完成，主要完成了九龍湖校區5個10 kV開閉所、27處區域變配電室的供配電系統高低壓回路監控、變壓器溫度監控、配電室視頻聯動監控以及對10 kV高壓系統配電線路自動化故障隔離和故障自愈的聯鎖控制等內容。目前，系統運行情況良好，極大地提高了學校后勤供配電系統自動化運行管理水平。

系統總體建設目標包括4個方面。首先是電能在線計量，包括配電系統高壓側回路用電計量、配電系統低壓側總進線回路用電計量以及配電系統低壓側出線回路用電計量。其次是電力運行監測，實時監測高低壓側各回路電壓、功率因數、諧波以及頻率等電能質量和電力監控終端、斷路器以及微機保護等設備的運行狀態。再次是遠程智能監控，包括開閉所及變配電室的安防視頻聯動監控、高壓側及低壓側回路遠程通斷控制以及變壓器運行時的溫度監控。最后是電能安全管理，包括變壓器異常運行參數報警、高低壓回路異常運行報警、室內煙感、溫感及水浸等環境異常情況報警以及室內溫濕度等環境參數監測，且用戶電腦端和手機端同時接收報警信號。

2 需求分析

2.1 系統性

配電智能化系統建設必須與數字化校園建設相兼容。為實現用能安全、電能質量監測以及能耗計量，則配電智能化系統應具備可靠、穩定以及實時的技術特點，應采用系統化技術實現監、控、管一體化的目標。配電智能化系統的建設需從儀表裝置、計量信息接口技術、遠程傳輸網絡、系統平臺、應用軟件、系統可靠性以及環境適應性等方面綜合考慮，以滿足建設的系統性需求。

2.2 完整性

配電智能化系統的設計應充分考慮用能安全、電能質量監測、能耗計量以及節能控制等功能的完整性，從而建立一個實用、開放、先進以及完整的系統，為配電智能化系統建設提供堅實的技術基礎。

2.3 發展性

配電智能化系統設計須充分考慮系統的可擴展性、靈活性以及兼容性，通過增加網絡設備、電操機構以及智能終端等實現擴展升級，具備從主回路開關監控到各低壓出線回路監控的發展性，最終實現全校配電系統的全面智能化。

3 技術路線

系統采用國際先進的基于工業物聯網分布式的實時現場控制網絡技術，信息傳輸可靠性高、延遲時間短且帶寬較寬，具有拓撲結構靈活、傳輸穩定可靠、傳輸速度快以及抗干擾性強等優點，還可無限擴大網絡規模，與以太網實現無縫鏈接。該配電智能化系統綜合運用了計算機、物聯網以及智能控制等技術，建立了一種新型的配電智能化信息管理平臺。

通過對傳統配用電電氣成套設備配置高可靠性的多功能電力監控終端、視頻安防監控設備、智能傳感器、工業物聯網和工業以太網設備以及專業化遠程智能實時監控軟件，構建配電智能化測、控、管一體化的硬件和軟件系統，實現“遙測、遙信、遙調、遙控、遙視”的智能化運行監控，從而為用戶建立無人值守的高效配電管理提供智慧化監控手段。

4 系統設計

4.1 系統架構

配電智能化系統架構由監控中心、遠程傳輸網絡、現場網絡、網絡控制器、多功能電力監控終端以及智能網關等組成。系統硬件采用分層部署的思想，劃分為主站管理層、通信網絡層以及現場設備層。系統支持各類電力監控終端、控制器以及傳感器的靈活接入，運行后可根據需要擴大管理范圍或增加相關儀表設備，且不影響原有系統運行。

4.1.1 主站管理層

在校園的監控中心設置一套配電智能化系統。系統由系統軟件、服務器以及工作站等組成，支持以太網絡通信，具有大容量存儲空間。通過配電智能化系統進行電能數據的匯總、統計、對比、分析以及直觀展現，得出電氣容量負載率和電能平衡度等分析結果，并通過直觀的圖表等多角度展現給各級領導和各管理部門。此外，根據這些分析結果可幫助學校制定考核、管理制度，輔助領導決策[1]。

4.1.2 通信網絡層

通信網絡層是主站管理層與現場設備層的中間連接部分，負責上傳數據和下達控制指令。通信層可以儲存不少于30天容量的數據，以防止因網絡故障導致的數據丟失。該層的主要設備包括網絡控制器、工業網絡交換機以及協議轉換模塊等。

通信網絡層的傳輸通道包括現場總線網絡和100M/1 000M以太網網絡。其中，現場控制網絡負責網絡控制器和現場終端設備中數據的雙向通信，以太網網絡負責網絡控制器和主站管理層的雙向通信。

4.1.3 現場設備層

現場設備層是系統的基礎數據來源，也是執行控制指令的硬件基礎。所有設備需要具有遠傳通信接口，支持國際通用的通信協議，還可進行數據上傳和接收上層控制指令。該層設備主要包括多功能電力監控終端、微機保護裝置、變壓器溫度控制器以及傳感器等。

網絡控制器與現場設備之間采用符合國際通信協議標準的物理連接。網絡控制器支持周期方式數據通信、固定時刻數據通信以及當前時刻數據通信，同時支持本地及遠程配置功能和斷點續傳功能等。

4.2 監控中心

監控中心由監控工作站、服務器、顯示設備、系統軟件及應用軟件等設備組成。監控中心實時監控管理現場的電力數據和視頻數據，將配電系統的各種設備的運行狀態、電力測量參數、各類能耗數據、各類報警以及操作事件等信息存貯在服務器的實時數據庫，以便進行查詢、顯示及打印等操作。

4.3 主干通信網絡

為了保證配電智能化系統的實時性、安全性以及可靠性，配電智能化系統主干通信網絡采用獨立光纖網絡進行設計。主干通信網絡同時完成現場電力數據和視頻數據的網絡傳輸工作。由于電力數據和視頻數據在傳輸時所占用的帶寬存在較大差異，因此為了保持兩者數據的高效傳輸，選用具備帶寬劃分功能的光纖交換機合理劃分主干通信網絡的帶寬，以解決網絡延遲和阻塞等問題，從而提高網絡通信的質量。

4.4 開閉所智能化監控

4.4.1 高壓回路監控

高壓回路監控是通過在高壓配電回路上安裝多功能電力監控終端監測配電回路的各項運行參數，從而保障配電回路的用電安全。系統設備運行安全監測將與微機綜合保護裝置相配合，通過數據網關將現有的繼保裝置納入本系統中，并借助繼保裝置現有的控制線路對斷路器的電操機構進行操作，完成對回路的分合閘控制。

4.4.2 視頻聯動監控

視頻聯動監控主要對開閉所內的各種危險信號進行實時的反饋式監控。通過配置高清攝像機、紅外微波雙鑒控測器、感溫探測器、感煙探測器以及水浸傳感器等視頻監控和安防設備，可及時將入侵報警、高溫報警、煙霧報警以及水浸報警等報警上傳到監控中心。監控中心可以控制每個攝像機，遠程監控現場設備的運行情況。當有報警信號發出時，系統立即將攝像機轉動到發出信號的對應位置，將該位置的視頻圖像進行局部放大，并以彈窗的方式呈現在系統的應用軟件界面，同時發出報警信號，方便管理人員及時排除安全隱患。

4.5 變配電室智能化監控

4.5.1 高壓回路監控

通過在各變配電室的10 kV開關柜（環網柜）配置多功能電力監控終端，實現各高壓回路的用電實時計量監測功能；通過對高壓斷路器的電操機構進行操作，完成對各高壓回路的分合閘控制；通過對10 kV開關柜（環網柜）二次設備配置相應的繼電器、接觸器以及轉換開關等控制元件和信號元件，使各變配電室的10 kV饋線回路相互制約，實現各高壓饋線回路的電氣聯鎖控制，并配合各高壓開關柜中隔離開關和斷路器之間已有的機械聯鎖，保證各變配電室高壓側回路安全可靠運行[2]。

4.5.2 變壓器安全監控

通過配置具備通信模塊的變壓器、溫度控制器以及數據網關，將變壓器溫度監控接入系統，實現遠程監測變壓器運行時的溫度和冷卻風扇的運行狀態，實時將監測到數據反饋到系統平臺。依據監測到的溫度遠程對冷卻風扇做自動啟停控制，當風扇開啟后，如果監測到變壓器的溫度超過限定值，那么系統將發出變壓器超溫報警，并通過系統平臺發出報警信息。此外，當風機出現運行故障時或發出故障報警時，通過系統平臺及時通知檢修人員。

4.5.3 低壓回路監控

各變配電室的低壓總進線和母聯回路配置了多功能電力監控終端，監測配電回路的三相線電壓、三相電流、有功功率、無功功率、視在功率、有功電度、無功電度、功率因數、頻率、電壓不平衡率以及電流不平衡率等參數，保障配電回路的用電安全，并精確計量各對應回路的用電量。終端同時具備控制功能，可通過數字量輸出端口與低壓斷路器的數字量輸入端口進行通信，直接操作框架斷路器的電操機構，完成對回路的分合閘控制。

4.5.4 視頻聯動監控

變配電室安防視頻聯動監控的方案與開閉所的方案內容總體相同，不再重復闡述。不同之處在于除了對配電柜進行視頻聯動之外，它還將對變壓器進行聯動監控。當變壓器的溫度控制器監測到異常運行參數時，系統立即傳送變壓器的局部高清圖像并同時發出報警信號。

5 系統功能

5.1 配電系統實時計量監測

系統可根據實際配電系統組態模擬配電系統圖，對配電系統的配電回路和設備進行實時在線計量和監測。在配電系統圖上點擊相應回路和設備，可進行各種參數和狀態的監測與查詢。通過將整個配電拓撲信息圖清晰展示于界面，運維管理人員可直觀實時監測每一條用電支路的電壓、電流、有功電能、實時功率以及諧波等參數。

5.2 配電系統遠程分合閘

系統軟件可在模擬圖上通過用電保護裝置、環網柜或斷路器監控界面直接對回路進行分合閘操作。進入操作界面后，軟件將詳細列出該裝置或回路的各項具體參數和運行狀態，可通過選擇合閘或分閘按鈕遠程切換通斷運行狀態。此外，可根據控制策略實現自動故障定位、自動故障隔離、配電網絡重構以及高壓聯鎖控制等。當配電線路檢修或故障時，可在幾分鐘內迅速恢復供電，大大縮短了現場的停復電操作時間。

5.3 變壓器智能監控

系統軟件通過變壓器溫控儀實時監測變壓器運行時的溫度和冷卻風扇的運行狀態。依據監測到的溫度，可遠程對冷卻風扇做自動啟停控制。當監測到變壓器的溫度超過限定值時，系統將發出變壓器超溫報警，并通過系統平臺及時通知檢修人員。

5.4 視頻聯動監控

系統可通過高清網絡攝像機在監控中心實時監控開閉所和變配電室內設備的運行情況，并對其進行自動記錄。紅外傳感器可監測人員的進出，通過和攝像機的聯動功能監控進出所內的人員。煙霧傳感器可探測房間是否發生火災等險情。溫感探測器可探測房間是否有異常高溫。水浸傳感器可探測房間是否存在涉水險情。通過圖像監控、環境監控以及燈光聯動，可監視現場設備的運行情況及環境情況，同時與配電回路監控聯合工作，及時獲取異常設備的狀態信息。

5.5 安全實時報警

通過實時采集數據對系統各環節進行故障監測、報警及處理。報警包括電力參數報警、用能異常報警以及環境安防報警等。報警可通過視頻聯動等手段，幫助運行維護人員及時了解變電所內的運行情況，并及時采取措施。系統可依據需求生成各類數據趨勢曲線、各類統計報表以及未來負荷預測等，通過深層次對比分析海量監測數據，為學校電力運行管理部門提供豐富且強有力的信息化管理手段，加強重點用能單位的節能安全管理，提高能源利用效率和經濟效益。

5.6 電氣聯鎖控制

通過在各開閉所和變配電室高壓開關柜上配備微機綜合保護裝置、智能網關以及多功能電力監控終端等智能控制設備，實現各高壓饋線回路的電氣聯鎖控制。在配電線路發生故障時，及時對高壓配電系統進行故障快速切除與隔離、故障定位以及網絡重構，使現場終端設備的性能更先進，配電網絡更加安全可靠，實現遠程自動化操作[3]。

6 結 論

基于工業物聯網技術的東南大學九龍湖校區配電智能化系統的正常投運，極大地提高了校區供電的可靠性和安全性，實現了無人值守、自動投切、故障保護、遠程操作以及實時監測等各項功能，使整個校區的配電網處于安全高效的運行狀態。通過建設該系統，可使供配電系統合理、安全、高效且穩定運行，減少了運行管理人員和維護費用，且適應技術發展的需要。此外，該系統具有較高的可靠性、安全性、開放性以及擴展性。