智能配電系統在核燃料后處理廠中的應用

車 皓，韓建偉，喬 睿

（中核龍安有限公司，浙江三門 317100）

核燃料后處理廠是我國核燃料循環戰略的重要環節，是核能利用可持續發展的必由之路。本文以某核燃料后處理廠配電系統設計為切入點，探索智能配電系統在建設先進的數字化工廠中實施的可行性。

1 項目背景

隨著物聯網、大數據和智能決策技術的發展和深度融合，越來越多的智能終端產品涌現出來，加速了工廠配電系統向智能化和數字化方向發展。智能配電系統的應用，可以加強工廠配電系統的智能化、精準化和便捷化，提升系統運維、監督和檢修管控水平，提供必要的信息以提高決策效率，有利于在能耗和運維管理等方面降低成本［1］。智能配電系統在工廠的安全、高效、節能運行方面發揮日益重要的作用，已經成為現代化數字工廠必不可少的組成部分。

本文研究的智能配電系統所依托的是我國正在籌建的某核燃料后處理廠（以下簡稱后處理廠），處理對象主要是國內二代和三代壓水堆核電站乏燃料，項目配套乏燃料貯存水池和MOX燃料制造設施。作為民用核設施，該項目配電系統特征有以下幾點：

（1）對供電質量和效率要求很高。供電質量將直接影響重要或精密設備的運行穩定，供電效率關系到全廠的運行經濟效益好壞；

（2）對供電安全可靠性要求很高。電源喪失可能導致非核后果（如工人受傷風險，車間損壞）或者間接核后果，間接核后果通常是由于確保安全功能的部件失效而導致的事故；

（3）工藝設施負荷類型明確，用電負荷運行環境多樣。根據設計階段工藝所提需求，確定用電設備類型和數量后，更新換代的可能性較小；工藝廠房運行條件可分為高放射性區域、中放射性區域、低放射性區域及控制區域，不同環境的負荷對供電系統的要求存在較大差異。

2 后處理廠智能配電系統總體架構

2.1 配電系統概述

后處理廠工業用電負荷容量初步估算約200 MVA，由兩路獨立的廠外電源為全廠負荷供電，擬設置一座110 kV開關站，高壓電源經總降壓變電站降壓為10 kV，送至主配電站進行電能分配，廠區范圍內通過10 kV配電網絡將電能送到用電廠房附近的中間配電站，經由中間配電站分配后送至各設施廠房，在廠房配電站完成10 kV向低壓配電的電能轉換，供給用電負荷使用。

根據核安全要求和負荷分類，配電系統可分為正常供電系統、備用供電系統、應急供電系統和不間斷供電系統，全廠配電系統的總體架構初步規劃如下（見圖1）：

圖1 大型核燃料后處理廠配電系統圖Fig.1 Large scale nuclear fuel reprocessing plant distribution system diagram

（1）正常供電系統

廠區正常供電系統由兩路廠外高壓電源供電。任何一路電源都能滿足廠區所有用電負荷的供電需求。在廠址范圍中，配電網絡擬采用雙母線雙分段的接線方式。10 kV配電網由兩段母線（A段和B段）組成，兩段母線為下游各中間配電站供電，這些中間配電站為不同的設施提供需求的電壓。

（2）備用供電系統

備用電源中心內包括三臺柴油發電機。備用電源中心可以為工廠兩個電源序列A和B提供10 kV電源。在備用運行模式下，這些柴油發電機組為兩段聯絡的10 kV母線供電。

（3）應急供電系統

應急供電系統在正常和備用電源均失效時，向廠區內應急負荷供電。應急供電站應就近設置在一個或多個需要應急供電的設施旁來提供電源。應急電源由兩套互為冗余的應急柴油發電機組提供，并具備在規定的時間內向應急負荷提供所需電源的能力，以避免出現不可接受的后果。每套獨立的發電機能同時為兩列互為冗余且相互獨立的應急負荷供電。

（4）不間斷供電系統

當外部電源失電時，不間斷供電電源是從蓄電池端經由一系列整流器/蓄電池/DC-AC轉換器產生交流電壓。電源通過A&B系列提供給下游設備（正常，備用以及應急負荷）。

2.2 智能配電系統總體架構

智能配電系統是配電電力系統信息化的產物，其本質為復雜的物理信息系統，智能配電網也是物聯網在工業配電行業應用的典范。雖然市場上主流配電系統公司開發的智能配電系統的系統構架有所不同，但產品核心均基于物聯網的數字化配電解決方案，通過將數據采集、處理和存儲將控制技術、云計算、大數據分析與服務集于一體，使配電系統中的智能設備互聯互通，實現主動和高效維護，保障配電運行更加安全和可靠，全方位改善配電系統，進一步提升后處理廠配電系統的數字化和智能化水平［2］。

后處理廠作為典型的工業電力用戶，智能配電網絡參考當前較為成熟的方案，分為管控層、配送層、終端層三層架構，業主方需要進行中低壓配電裝置的建設和運行維護［3］。在智能配電方面綜合考慮配電設備的智能化水平，配電系統網絡的堅強高效，配電管理系統功能全面且適用，配電系統功能構架及運行模式等需求，初步建立后處理廠智能配電系統的總體結構如圖2所示。

圖2 智能配電總體架構Fig.2 Overall structure of intelligent plant distribution system

（1）管控層分為主站管控層和中間管控層。主站管理是實現區域配電網的調度和控制，不在項目配電范圍內考慮；中間管控層包括對電源系統的管理、公用能量的管理、配電廠房（配電柜、環網柜等）的管理、變電站的管理、配電系統網絡拓撲節點的管控和工業重點負荷用電狀態的管理［4］。

（2）配送層由各電壓等級的配電站及輸電網絡構成，在實現能量輸送的同時，兼顧配電終端與子站、子站與子站和子站與主站之間的信息交互，信息流主要包含監測信號、控制信號和響應信號等。

（3）終端層包括電源系統與用戶系統。電源系統主要由備用柴油發電機、應急柴油發電機以及工廠可能采用的新型儲能裝置組成。用戶系統可分為兩類，一類是工業負荷，主要是參與工藝生產與保障工廠安全的四類用電設備，用電容量相對固定，且是全廠主要用電負荷；另一類是公用及輔助負荷，主要包括氣象監測中心、醫療中心、維修技術支持大樓、培訓測試中心、辦公樓、宿舍、食堂和停車場等公用建筑的用電負荷，可以考慮采用傳統負荷、新型可控負荷和智能用電設備等多種負荷類型，更加靈活多樣。

3 后處理廠智能配電系統的應用

有別于常規民用設施配電系統對于備用、應急和不間斷供電系統的要求，后處理廠配電系統主要體現在系統和設備的核安全相關要求上，需要滿足安全分級和抗震等條件，更加注重系統和設備在涉核領域的應用業績及其安全可靠性，因此智能配電系統在民用核設施中的應用應該考慮適用范圍。基于上述因素，在滿足基本安全要求、保障系統功能完備的基礎上，智能配電主要應用于正常配電系統。

配電系統在物理結構上主要包括總降壓變電站、10 kV主配電開關站、10 kV配電網、10 kV中間配電開關站、10/0.4 kV廠房配電站及其他相關輔助設備。以建設后處理廠正常配電系統作為智能配電系統的應用目標，對智能配電系統按照配電設備數字化、配電網絡信息化和配電管理平臺智能化三個層次進行建造和實施。

3.1 配電設備數字化

作為配電系統的底層基礎，配電設備除了完成電能輸送的功能外，還承擔智能配電系統的數據采集層的功能，按照一定的頻率實時監測和采集配電廠房及配電設備的下列運行狀態信息：

（1）電氣運行的實時電氣量的測量，利用光電電流、電壓互感器及直接采集數字量等手段，對電流、電壓、相位及諧波分量進行檢測；

（2）運行設備的狀態參數在線檢測與分析，如變壓器、斷路器和母線等設備在線監測溫度、壓力、密度、絕緣、機械特性以及工作狀態等數據；

（3）操作控制的執行與驅動，識別并執行控制命令，對動作精度進行控制，如使斷路器定向合閘，選相分閘等。

3.1.1 配電設備及狀態監測特征量

配電設備已基本實現模塊化集成設計，例如箱式變壓器和開關柜等。10 kV配電室開關柜主要包括：進線柜、計量柜、出線柜、聯絡柜和隔離柜等，可以實現電能分配、保護和計量一體化，一次與二次配電設備集成在柜體中，并就近安裝智能組件。完成數據采集后，使用現場總線或模塊I/O單元輸出采集信號，分別傳送到相應的監測服務器中［5］。實現配電設備數字化的重點是對電氣設備進行狀態監測與控制保護，重要配電設備主要的監測特征量如表1所示。

表1 配電設備及狀態監測特征量Table 1 Distribution equipment and condition monitoring characteristic quantity

3.1.2 智能配電設備

隨著技術和供配電理念不斷進步發展，當下許多配電設備已經完成本質上的革新，如智能配電變壓器、智能斷路器和電子互感器等，其基本特征詳見表2。

表2 智能配電設備基本特征Table 2 Basic characteristics of intelligent distribution equipment

（1）智能變壓器

即電力電子變壓器，使一種利用電力電子裝置實現電能轉換的設備。其基本特點有：具備交直流兩種類型的電能接口，提供標準化直流母線，接入分布式電源、儲能設備和直流負荷；除電壓等級變換、電能傳輸和電氣隔離等基本功能外，還具有控制功能，包括電能治理與線路功率優化功能；具有狀態檢測系統，并配備繼電保護裝置，可確保長期安全穩定運行。典型如PET型智能配電變壓器及HDT型智能配電變壓器。

（2）智能斷路器

智能斷路器是在斷路器內內嵌電壓、電流變換器及其光電測量系統，由微機控制的二次系統實現智能性控制的開關設備。智能斷路器主要特征有兩個方面，一是數字化接口取代硬接線完成對斷路器的智能控制和狀態監視，實現開關設備的順序控制、連鎖控制及受控分合閘，實時監測斷路器滅弧室的局放和介損、機構動作特性、開關動作時間和次數、機構內溫度、觸頭溫度和分合閘線圈電壓等，二是能智能的給出斷路器的健康狀況及檢修建議。

（3）電子式互感器

電子式互感器可分為兩類，一類是光學電子式互感器，實現光電轉換設備與高壓電路的完全隔離。另一類混合電子式互感器，將電量模擬采樣和光電轉換在互感器設備的高壓部分完成，光纖將數字采樣信息傳送至地面合并器。

3.2 配電網絡信息化

配電網絡包括物理輸電網絡和通信網絡兩部分，智能配電是高度融合的物理信息系統，要建設先進的工業智能配電網，就必須同步建設配電網和通信網，并實現配電網的物理節點（配電站和開關站）與通信網的信息節點（接入層和核心層）相融合［6］。配電通信系統的信息化是智能配電的集中體現，其通信網絡承載的業務需求復雜，要實現配電網的監測、控制和管理功能，便需要建立高速、雙向的通信系統。

根據配電系統的業務屬性和對通信網絡的要求，擬采用成熟的工業以太網標準技術作為通信網絡組網方案。在物理層采用智能斷路器或者專用智能模塊+專用網關模塊+斷路器的一體化組網模式，通過智能通信設備或智能組件完成數字化和智能化所需的信息采集，以及斷路器Modbus協議到以太網TCP/IP協議的轉換，使得底層開關設備和多功能儀表等信息以工業以太網的形式傳輸到后臺系統，構建智能配電系統的智能互聯。網絡拓撲圖如圖3所示。

圖3 智能配電系統網絡拓撲圖示例Fig.3 Example of network topology of intelligent distribution system

智能配電網業務根據其功能屬性，可分為保護類、控制類（遙控）、信息監測類（遙信、遙測）和視頻類。不同業務屬性對通信需求不同，具體分類見表3所示。

表3 不同業務屬性對通信的需求Table 3 Communication requirements of different attributes

3.3 配電管理平臺智能化

作為智能配電系統的管控層，開發搭建應用管理平臺是為了幫助運維人員實現可視化運維、定制化檢修和精細化管理等功能，主要特征詳見表4。

表4 配電系統智能化管控平臺主要特征Table 4 Main features of intelligent management and control platform for distribution system

3.3.1 可視化運維

可視化運維主要體現在設備信息可視化、拓撲結構可視化和視頻監視可視化三方面。

設備信息可視化：主要是一次和二次設備狀態運行參數顯示、報警信息及事件記錄顯示和數據報表顯示，并進行設備信息聯動分析與及時推送，生產資產報告，進行設備健康狀態管理，提高運行檢修的準確及時性。

拓撲結構可視化：虛回路可視化模塊基于SCD文件，搭建配電系統重要一次、二次配電虛端子和虛回路，并通過測量裝置識別端子和回路狀態，通過通信網絡實現物理鏈路與虛擬信息回路的實時關聯，從而實現配電拓撲結構的可視化。當發生故障時可以快速定位故障回路位置，可以提高運維的時效性與準確性。

視頻監視可視化：使用數字化視頻監控系統，實現專業監控功能（實時監控、錄像管理、數據轉發、語音對講、監控設備遠程控制、告警管理、視頻識別及移動偵測和視頻分析與互動）。

3.3.2 定制化檢修

定制化檢修需要應用智能診斷技術手段，對可預測的或已發生的故障位置、狀態進行定位和判斷，給出診斷測量，從而安排人工或使用自動化檢修技術實現定點定位的精確檢修。

智能診斷：運用先進的人工智能技術進行配電網狀態診斷和預測。對終端層采集的結構化和非結構化數據，使用合理的數據處理算法，進行數據信息挖掘，建立運維檢修信息知識庫，從而實現設備健康狀態評估、狀態預測、缺陷識別與故障診斷、設備壽命評估和運檢策略智能推薦等功能，全面診斷智能配電系統運維中存在的故障情況。

精確檢修：使用移動終端輔助運維人員工作，對于周期性巡檢和特殊性檢修采取有針對性檢修策略。移動終端根據標準化作業指導建立各項任務并自動發派，運檢人員接受任務后獲取工作任務所需資料，前往配電間執行工作任務，完成工作任務提交后，自動形成結果記錄，并存檔反饋，形成閉環。

3.3.3 精細化管理

智能配電系統的精細化管理，需要采取多種管理手段和策略。建立標準化管理制度，使用移動端設備，如手機和平板電腦，輔助進行配電系統狀態查看及檢修任務發布。使用非移動管理控制平臺和人機交互平臺進行配電系統的實時監控和調度，搭建開發智能配電系統管理的應用，主要包括設備資產管理應用、運維管理應用、能源效率管理應用和電能質量管理應用等，實現全業務的精細化集中管理。

4 結語

本文通過闡述后處理廠的建設背景，結合項目的配電系統模式和配電系統特征，提出了智能配電系統在后處理廠的應用構想，要實現配電設備的數字化、配電網絡的信息化以及配電管理平臺的智能化，并初步建立智能配電系統架構，將智能配電概念與項目正常配電系統的建設深度融合。

伴隨著配電技術的不斷發展進步，規劃建設先進的智能化配電系統很有必要。本文所述的技術方案充分利用現有和正在發展的先進技術，實現配電網的故障預測及快速恢復，提高系統的安全性和可靠性，盡可能降低停電帶來的損失并預防停電帶來的危害。同時采用能耗管理、電能質量管理及資產管理等應用軟件工具，減少電能消耗成本，提升運行管理效率，并提高資產利用率，從而建設可靠、先進及資源節約型工廠智能配電系統。