智能化配電應用探討

董 佩

（陜西省燃氣設計院有限公司，西安 710043）

智能化配電系統將會是以后配電領域的必然要求，是走向工業智能化、智慧電網的必經之路，但是目前因智能化配電系統工程造價較高、系統相對接線復雜等因素，在配電領域未得到足夠重視，各行業的配電系統依舊采用常規的電氣元器件，未能實現智能化、信息化的要求。面對目前新能源消納的“源網荷儲”、低碳減排、運維問題，需進行智能化、信息化改造，否則控制信息采集不上，無法實現負荷及能耗的有效控制，也給運維帶來很大問題，也增加了企業電費成本。本文通過技術、經濟進行對比，提出配電系統采用智能化系統的必要性。

1 智能化技術方案

1.1 系統的基本組成原理

低壓智能配電系統借助智能化設備的技術優勢，以斷路器、接觸器、繼電器等為控制基礎，結合新型的智能斷路器、馬達保護器，通過后臺監視軟件實現對配電主回路主要電氣參數和開關狀態等參數的實時監測，輔以通信網絡、App 遠程監控、云平臺數據監控，實現對低壓配電系統的智能化監測和控制，廣泛服務于系統運維、能源管理、能效監測等。

1.2 智能化系統

智能化配電系統由系統監控主機、數據通信管理機、現場智能裝置和通信網絡等幾部分構成，各系統具體構成及功能如下：

1）監控主機，監控主機包括硬件系統和軟件系統。其硬件系統類似于常規變電站的監控系統，軟件系統通過數據采集通信管理機、網絡通信交換機等硬件系統，采集和記錄各個配電回路的運行狀態和數據，并下達控制指令，由配電開關、馬達保護器、智能電力儀表等實現對變配電設備的保護和測控功能。軟件系統完成圖形監視、報表、曲線生成和分析、系統應用等其他功能，并能夠進行數據的云上報，實現故障信息的共享和分析。

2）數據通信管理機。數據通信管理機用于不同智能裝置通信協議的轉換，轉換為以太網通信模式，通過電以太網或者光以太網傳輸至監控主機。

3）現場智能裝置。智能裝置通常有智能斷路器、馬達保護器、多功能電力儀表等，主要完成電力參數的采集和開關分合狀態的采集（遙信）等。目前最新的智能配電開關不論是塑殼開關，還是微型斷路器，均可以實現數據采集和傳輸，只是目前價格不占優勢，但筆者相信，在市場的不斷推動下，近兩三年之內，配電開關將全面普及信息化和智能化，價格也將趨于平常。

4）通信網絡。現場智能裝置至通信管理機之間可以通過RS485 通信，也可以采用ZGbee 等無線通信方式，通信管理機至監控主機采用以太網通信，傳輸通道可以采用屏蔽雙絞線或光纖[1]。系統的結構圖如圖1。

1.3 智能化低壓配電系統的主要特點

低壓電氣系統直接面向控制終端，設備多、配電系統回路多，設備頻繁操作，現場條件復雜，故障脫扣等產生的強電磁及諧波干擾等特點，智能化監控系統具有以下幾個特點：

圖1 系統結構圖Fig.1 System structure diagram

1）智能化。低壓配電系統由低壓智能開關或者低壓配電開關+多功能儀表的形式實現配電站開關設備運行管理的信息化、智能化。實施智能化配電系統可以有效監測供電品質，為連續性的自動化生產提供電力保證[7]，通過終端用能的負荷電量分析，有利合理安排生產，優化負荷分配，節約電力成本。實時數據給負荷分析、控制、調節奠定基礎，智能化配電系統具有的優勢是信息化，這是智能測控保護裝置區別于傳統儀表的根本性標志，大幅提高測量和保護精度，減少數據分散性，提高實時性、穩定性和可靠性，為負荷分析、負荷消納做了良好的數據基礎，這也為新能源消納，源網荷儲一體化創造了條件。低壓系統加裝絕緣監測、溫度監測、濕度監測等措施，實現對配電系統的全方位數據監測和管理，為故障隱患預警、排查、運維提供強大的支撐，方便運維管理。

2）元器件多功能化。智能化配電開關、馬達保護器等擺脫傳統元件功能單一不足，測量、控制、保護等多功能合為一體，大量減少了柜內的二次接線，使得系統更加緊湊、簡單，安裝和調試省時、方便、快捷，維護也簡單快捷。

3）信息化。目前的智能化設備均有RS485、無線Zgbee 等通信接口，企業供配電系統中微機保護裝置、智能斷路器與Modbus 通信的硬件接線、無線連接等方式，并提供該供電系統的監控界面。采用信息采集網絡，可在監控后臺、云平臺實現數據的實時采集、處理、存儲、遠程操作與程序控制、保護定值管理、事件記錄等、故障分析、各類報表及設備維護信息管理等多種功能，實現配電系統的信息化采集[2,3]，運維人員可通過云平臺實施掌握系統運行狀態及維護信息，故障信息共享等。

1.4 智能配電系統的典型應用

1）智能配電應用

某化工廠智能配電系統，由于配電柜要求封閉結構，盡量免維護，元件智能化、信息化程度高，實現元件少，功能齊全的要求。實現低壓配電系統各回路的基本參數記錄，并且記錄故障信息，監視開關的分合閘狀態，遠程對元件的保護參數進行調整，記錄和存儲配電柜的二次回路的更改信息，更改的圖紙，減少運維工作量及成本。通信數據無障礙快速準確傳輸，進行系統后臺的管理和分析，并能夠實現故障的遠程診斷。該智能化配電系統具有以下優點：

①配電系統結構簡單，可靠性提高

根據化工廠的配電情況及要求，所有的電壓配電回路進行數據監視，形成負荷電流曲線及開關狀態記錄，曲線異常報警，并告知運行人員進行可能的故障維檢修。推薦使用了集成測量和通信功能的智能化斷路器，取消多功能表、電流，整體上減少開關柜內的元件數量，節省開關柜內元件的安裝體積，增加散熱空間，保證設備安全。

②系統實現故障判斷功能

智能配電系統中，所有的斷路器均采用電子脫扣單元，開關通過內置互感器可以提供精確的全參數的電力測量，大幅減少了配電系統中測量表計。對開關狀態及數據進行記錄和比對，提供故障診斷和歷史記錄數據，清晰記錄配電回路中每個負荷點的歷史運行數據、波動情況。若出現故障，記錄故障出現時間、故障電流大小、持續時間，幫助維護人員提供詳細的分析數據，該系統等同于高壓電力系統的故障錄波[7]。

2）新能源消納“源網荷儲”的應用

源網荷儲：以“電源、電網、負荷、儲能”為整體規劃的新型電力運行模式，可精準控制社會電力系統中的用電負荷和儲能資源，有效解決電力系統因新能源發電量占比提高而造成的系統波動，提高新能源發電量消納能力，提高電網安全運行水平。

4 月24 日，國家發改委發布《電力可靠性管理辦法（暫行）》（下稱《辦法》）。《辦法》提出積極穩妥推動發電側、電網側和用戶側儲能建設，合理確定建設規模，加強安全管理，推進“源網荷儲一體化”和多能互補。

“源網荷儲一體化”是指通過整合本地資源，以技術突破和體制機制創新為支撐，探索源網荷儲高度融合的電力系統發展路徑，實現網內風能、光伏、光熱、電化學儲能等能源的出力及波動情況，充分利用負荷側調節能力，就地就近靈活發展，引導市場預期。隨著新型電力系統的構建，對新能源的消納提出更高要求。其重在源荷互動，通過源網荷儲一體化旨在通過提供一套具有行業特性，切合生產經營，符合管理工作要求的一體化綜合能源解決方案，幫助企業建立和完善能源管控制度體系；幫助企業量化考核，制定考核及獎懲辦法；幫助企業實現對各種能源的采購存儲、加工轉換、輸送分配，終端使用全生命周期監測、管控、優化；幫助企業實現對雙碳管控工作信息實時采集、電氣參數動態監控和數字化管理；采用微服務架構，利用物聯網、大數據、智能AI 等技術，實現電源側、負荷側、儲能側的各類可控資源的數據信息接入、數據處理，實現數據資源透明感知、特性建模、性能評估和建模應用，為電力系統提供資源信息管理、評估類服務、生產類服務、資源可調控能力及交易能力評估和可調負荷應用服務，夯實數據基礎，并提供準確的評估手段。負荷側的數據的準確收集是源網荷儲實現的重要保證，同時提升管理和運行效率，最終實現安全穩定，經濟平衡，節能減排，降本增效的基本目標。

3）分布式能源管理的應用

分布式能源管理是包含能源的生產、儲存、調節和控制等綜合利用系統，它通過對配電回路負荷進行采集，確定負荷發展情況，借助穩定可靠快速的光纖傳輸數據，利用實時數據技術、云平臺技術對實測數據進行處理，并通過系統負荷面控制，實現發電出力和用電負荷的匹配，構成源荷互動的模式，讓生產單位能夠快速、準確、可靠地得到能源管理信息[6]。

為了滿足分布式能源消納的有限控制和調節的要求，對生產單位中能源構成、價格因素進行詳細分類，結合峰谷能源價格，進行多能互補分析，合理安排生產，就需要完成數據采集與存儲、數據統計與分析、狀態監控與報警等系統功能。智能化配電系統的基礎數據采集、處理是其中不可或缺的內容。

2 智能化配電的投資成本

經過對智能化低壓配電系統與常規的配電系統進行對比，以40 面低壓柜系統的建設規模為例，目前市場上常規低壓配電柜設備價格在5 萬元/面，而智能化配電柜設備價格在7 萬元/面，40 面開關柜增加投資80 萬元。在運維方面，常規配電系統需要1 人作為專業電工，人工成本約在15 萬元/年，做正常維護、檢查。如采用智能配電系統，不需要專業電工來進行維護，要求其他人員進行兼任，配電系統的運維可以由智能系統進行隱患篩查，出現故障只需臨時請專業維保單位進行整改，減少人員成本，大約6年就能收回增加的成本。

配電系統可靠性提高。對于保障配電系統安全運行，配電系統事故少，排查時間短，降低系統運行過程中配電系統故障造成的損失是無法估量的。

系統運行成本降低。隨著國家新能源業務的大力發展，以傳統煤電、水電為主導的電力系統，將逐步發展成為光伏、光熱、風力并存，互補的新型電力系統，光伏和風電的發電成本將進一步降低，白天不再是用電高峰期，夜晚將成為用電緊缺的時段，峰谷差電價將更加明顯，如果考慮根據峰谷差電價因素，通過負荷端控制，降低電費成本，效益將進一步提高。因此實施配電智能化是必要的，經濟上是可觀的。

3 總結

隨著國家能源政策調整、工業智能化的加快，人力成本的不斷提高，智能化配電系統不斷發展成熟。加大以新能源為主體的新型電力系統政策下，配電系統采用智能化系統是一種必然的發展趨勢，智能配電市場在各領域逐漸占據主導地位，智能配電產品將在創新與科研方面飛速發展。另外，根據《智能建筑設計標準》規定需要增加智能化配電系統。工程設計中不論是工業配電還是普通民用配電系統，應加強智能化配電設計，做到高瞻遠矚，面向未來。