淺析華南理工大學(xué)廣州國際校區(qū)智能配電系統(tǒng)

過仕佳華南理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣東 廣州 510010

在數(shù)字化與電氣化相容并進(jìn)的時(shí)代，更多智能化手段與應(yīng)用正逐步滲透于建筑領(lǐng)域。從建筑設(shè)計(jì)者的角度，如何看待數(shù)字化手段為建筑設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)維全生命周期的安全、穩(wěn)定、效率及能效管理帶來的效益？本文結(jié)合華南理工大學(xué)廣州國際校區(qū)的工程實(shí)踐，探討智能配電如何為建筑能源管理提供幫助和提升[1]。

1 項(xiàng)目概況

華南理工大學(xué)廣州國際校區(qū)位于廣州市番禺區(qū)南村鎮(zhèn)，校區(qū)總建筑面積約110萬平方米。其中一期建筑面積約50萬平方米，總投資36.79億元，于2018年8月開工，2019年9月開學(xué)。二期建筑面積約59萬平方米，總投資約53.7億元，計(jì)劃今年年底竣工。

校區(qū)變壓器總安裝容量約120000kVA，一期變壓器總安裝容量73800kVA，面積指標(biāo)148W/m2。（不包括網(wǎng)絡(luò)中心的總面積指標(biāo)為111.5W/m2。）二期建筑面積約59萬m2，變壓器總安裝容量為47950kVA，面積指標(biāo)為82W/m2。各組團(tuán)具體面積指標(biāo)見表1。

表1 校區(qū)用電面積指標(biāo)

2 學(xué)校的使用要求及配電系統(tǒng)的特點(diǎn)

目前在國際校區(qū)開設(shè)的專業(yè)有8個(gè)，分別是機(jī)器人工程、智能制造工程專業(yè)、微電子科學(xué)與工程、集成電路設(shè)計(jì)與集成系統(tǒng)專業(yè)、生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)、分子科學(xué)與工程專業(yè)、人工智能、數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)，均為當(dāng)前最熱門的前沿交叉學(xué)科專業(yè)。根據(jù)教學(xué)需要，校區(qū)已建成擁有化學(xué)中心、物理中心、電子電工中心、計(jì)算機(jī)中心等涵蓋各類實(shí)驗(yàn)室52間、設(shè)備2120臺(tái)/套。同時(shí)正在建設(shè)創(chuàng)新工場，努力打造成為國家示范性工程創(chuàng)新訓(xùn)練中心。創(chuàng)新工場將機(jī)器人、數(shù)字化、新材料等先進(jìn)制造技術(shù)引入教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)；規(guī)劃設(shè)計(jì)包括智能機(jī)器人、無人駕駛、機(jī)器學(xué)習(xí)、3D打印、數(shù)字化加工、傳統(tǒng)加工等25個(gè)實(shí)訓(xùn)模塊，采用全天候24小時(shí)“智能圖書館”的管理模式，引導(dǎo)學(xué)生開展前沿探究、創(chuàng)新訓(xùn)練、競賽驅(qū)動(dòng)與創(chuàng)業(yè)孵化。

創(chuàng)新工場模式的實(shí)訓(xùn)室對配電運(yùn)行和管理提出了更高的要求。設(shè)計(jì)提出了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室供電方案：通用實(shí)驗(yàn)室的動(dòng)力配電均采用母線，每個(gè)小實(shí)驗(yàn)室留插接箱，大空間的實(shí)驗(yàn)室每隔一定距離留插接箱。這樣可以大大提高供電的靈活性，也可以充分利用各個(gè)實(shí)驗(yàn)室的同時(shí)系數(shù)，提高供電效率。鑒于傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)在運(yùn)行維護(hù)、設(shè)備資產(chǎn)管理以及供電連續(xù)性監(jiān)測和分析等方面，已無法滿足本項(xiàng)目全生命周期運(yùn)行管理需求。設(shè)計(jì)在項(xiàng)目中采用施耐德的EcoStruxure智能配電平臺(tái)，力求在滿足更高穩(wěn)定性與安全性需求的前提下，通過數(shù)字化手段，將運(yùn)維管理及數(shù)據(jù)分析化繁為簡。通過預(yù)測性維護(hù)，進(jìn)一步提高運(yùn)維效率和質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗和可持續(xù)發(fā)展。使配電系統(tǒng)具有更高的靈活性和可靠性，再結(jié)合信息化和智能化的設(shè)備和管理手段來實(shí)現(xiàn)柔性供電。

3 學(xué)校智能配電系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 智能配電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

本項(xiàng)目智能配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由站控管理層、網(wǎng)絡(luò)通訊層和現(xiàn)場設(shè)備層組成。

站控管理層主要由系統(tǒng)軟件和必要的硬件設(shè)備組成。監(jiān)測系統(tǒng)軟件對采集的現(xiàn)場各類數(shù)據(jù)信息進(jìn)行計(jì)算、分析與處理，并以圖形、數(shù)顯、聲音等方式反映現(xiàn)場的運(yùn)行狀況。PSO本地電力監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程設(shè)備運(yùn)維管理平臺(tái)[2]。

網(wǎng)絡(luò)通訊層主要是由通訊管理機(jī)、以太網(wǎng)設(shè)備及總線網(wǎng)絡(luò)組成。該層是數(shù)據(jù)信息交換的橋梁，在負(fù)責(zé)對現(xiàn)場設(shè)備回送的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集、分類和傳送等的同時(shí)，轉(zhuǎn)達(dá)上位機(jī)對現(xiàn)場設(shè)備的各種控制命令。

現(xiàn)場設(shè)備層是數(shù)據(jù)采集終端，主要由智能儀表組成，采用具有高可靠性、帶有現(xiàn)場總線連接的分布式I/O控制器構(gòu)成數(shù)據(jù)采集終端，向數(shù)據(jù)中心上傳存儲(chǔ)的能耗數(shù)據(jù)。

3.2 硬件采集部分

3.2.1 中壓系統(tǒng)監(jiān)測

中壓系統(tǒng)直接利用綜合繼保的數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)中壓開關(guān)柜全狀態(tài)監(jiān)測。

3.2.2 低壓系統(tǒng)監(jiān)測

a.對于變壓器測量其溫度信號(hào)。

b.對于低壓柜進(jìn)線、母聯(lián)及重要設(shè)備的出線回路等關(guān)鍵位置，利用框斷路器內(nèi)置的通信接口，直接讀取斷路器內(nèi)部的測量數(shù)據(jù)。

c.低壓柜各個(gè)出線回路，利用多功能電力儀表讀取電流、電壓、功率因數(shù)等參數(shù)，實(shí)驗(yàn)動(dòng)力設(shè)備的供電回路還檢測諧波等電能質(zhì)量數(shù)據(jù)。通過斷路器輔助觸點(diǎn)讀取斷路器分合狀態(tài)、故障狀態(tài)。

3.2.3 樓層配電系統(tǒng)監(jiān)測

對于樹干式供電的回路，在樓層照明、空調(diào)及動(dòng)力配電箱分別設(shè)置多功能儀表，實(shí)驗(yàn)動(dòng)力的供電回路上儀表帶諧波檢測功能。

3.2.4 后臺(tái)操作系統(tǒng)及功能

電力監(jiān)控及能源管理系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)常規(guī)的“遙信”、“遙測”功能，不設(shè)置“遙控”功能。具體功能設(shè)置如下：

a.遙信：對開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)、保護(hù)工作等進(jìn)行監(jiān)視。監(jiān)控系統(tǒng)主監(jiān)控畫面顯示各回路的運(yùn)行狀態(tài)，斷路器變位時(shí)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒用戶及時(shí)處理故障。

b.遙測：顯示主要設(shè)備的電參數(shù)，包括：線三相電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、頻率、諧波、電流/電壓諧波畸變率、最大/最小值等。重要回路還要求記錄接地故障電流、故障分?jǐn)嚯娏鳌嗦菲饔|頭老化分析等數(shù)據(jù)。

c.顯示：可顯示各回路基本信息，以圖顯形式實(shí)時(shí)顯示各回路電參量。

d.運(yùn)維提醒：根據(jù)數(shù)據(jù)分析斷路器老化程度，判斷設(shè)備壽命，及時(shí)提醒維護(hù)。

e.能耗數(shù)據(jù)分析：系統(tǒng)對監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行能耗趨勢分析和對比，為電力系統(tǒng)的優(yōu)化提供決策依據(jù)。

4 智能配電系統(tǒng)對于項(xiàng)目運(yùn)維的幫助

華南理工大學(xué)老校區(qū)由上世紀(jì)二十年代使用至今，雖然新建變電所大部分設(shè)置了智能儀表，原有的舊變電所很多也經(jīng)過了改造。但是由于平臺(tái)不統(tǒng)一，管理效率仍然很低[3]。主要采用人工巡檢的方式管理，水電中心有約30位員工負(fù)責(zé)日常維護(hù)工作。當(dāng)發(fā)現(xiàn)問題或供電系統(tǒng)故障時(shí)要通知廠家或供電局進(jìn)行搶修，供電恢復(fù)時(shí)間往往比較長。這是典型的被動(dòng)/定期維護(hù)，沒有靈活性，效率低，響應(yīng)速度慢，維護(hù)管理水平不高。

而在國際校區(qū)設(shè)計(jì)按照智能建筑（智慧建筑）的標(biāo)準(zhǔn)來打造，通過在一些關(guān)鍵位置部署具有“自我感知”能力的設(shè)備，并以數(shù)據(jù)作為其狀態(tài)反饋信息的載體，配合智能化系統(tǒng)對不同區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)控，以更加精細(xì)化和動(dòng)態(tài)的方式，提升部署與樓宇內(nèi)電氣設(shè)備的能效和管理水平，才能為智慧、綠色校園帶來強(qiáng)健的基底。

為了更好地幫助運(yùn)維人員管理部署于校園內(nèi)的海量設(shè)備狀態(tài)，我們將智能配電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)植入了開放式的、可集成于BIM模型中的解決方案，以提升整體運(yùn)維效率。電力監(jiān)控的數(shù)據(jù)結(jié)合BIM模型，動(dòng)態(tài)直觀展示，操作更加簡便。

運(yùn)維階段采用數(shù)字化手段提升運(yùn)維和能源使用效率很關(guān)鍵。我們的系統(tǒng)植入了各種低碳節(jié)能環(huán)保策略、數(shù)字化管理策略，其目的是打造綠色、節(jié)能、智慧校園，營造出一種人與自然和諧共生的學(xué)習(xí)、生活環(huán)境。作為典型的智慧校園，國際校區(qū)通過分布于不同功能區(qū)的智能化系統(tǒng)，為使用者提供舒適、安全、便捷的環(huán)境，充分滿足信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和綠色節(jié)能的要求。

傳統(tǒng)電力監(jiān)控系統(tǒng)大部分基于智能電表采集數(shù)據(jù)，在電能質(zhì)量分析、能耗監(jiān)測和能源管理方面功能比較完善。但傳統(tǒng)電力監(jiān)控因缺乏對開關(guān)元件的測量手段，無法及時(shí)監(jiān)測到設(shè)備或系統(tǒng)存在的隱患，往往在故障發(fā)生并產(chǎn)生影響后，才會(huì)做出反應(yīng)。

而智能配電系統(tǒng)能夠更多地讀取斷路器內(nèi)部的數(shù)據(jù)，除了兼有傳統(tǒng)電力監(jiān)控系統(tǒng)的功能外，智能配電汲取了眾多數(shù)字化手段。通過對傳感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等手段的整合，賦能于建筑電氣設(shè)備與電氣系統(tǒng)，讓設(shè)備能夠“自感知”，電氣系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)信息的互聯(lián)互通，從多維度、全方位對設(shè)備、系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行統(tǒng)一管理與分散控制。智能配電還能隨時(shí)幫助運(yùn)維人員掌握系統(tǒng)隱患，并做到及時(shí)、有效的排除。同時(shí)，讓數(shù)據(jù)從收集到分析，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為切實(shí)可行的指導(dǎo)性建議。

以本項(xiàng)目為例，智能配電系統(tǒng)以數(shù)據(jù)作為從硬件、軟件到應(yīng)用層的重要連接，實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備連接、系統(tǒng)架構(gòu)、應(yīng)用場景的全面覆蓋，并實(shí)現(xiàn)了在多個(gè)領(lǐng)域的快速部署。該方案通過數(shù)據(jù)價(jià)值的深度挖掘，實(shí)現(xiàn)設(shè)備、系統(tǒng)互聯(lián)，能夠做到對區(qū)域內(nèi)設(shè)備、系統(tǒng)狀態(tài)全面感知、故障精準(zhǔn)判斷、集中在寒暑假對設(shè)備進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行，精益運(yùn)維，確保電氣系統(tǒng)持續(xù)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

與此同時(shí)，國際校區(qū)的智能配電系統(tǒng)預(yù)留了與云端的接口。如果遇到現(xiàn)場無法解決的問題，可以把數(shù)據(jù)上傳云服務(wù)器。借助設(shè)備廠家全球?qū)＜覉F(tuán)隊(duì)，獲取更專業(yè)的分析與咨詢服務(wù)。這讓解決問題的時(shí)間大大縮短，排故精準(zhǔn)度、效率、成本控制等方面都獲得看得見的提升。

5 智能配電系統(tǒng)存在問題分析及展望

5.1 監(jiān)控范圍與投資的平衡

一方面，系統(tǒng)需要更多更細(xì)致的數(shù)據(jù)支撐，但數(shù)據(jù)的采集需要借助各種設(shè)備，如帶有通信接口的智能斷路器、各類儀表、通信模塊及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。這會(huì)大大增加系統(tǒng)的建設(shè)成本。另一方面，海量的設(shè)備和繁雜數(shù)據(jù)如果不能變?yōu)橹庇^的問題報(bào)告和管理策略，那只能會(huì)使管理人員無從下手，反而成為負(fù)擔(dān)。這就需要系統(tǒng)的“大腦”主動(dòng)對數(shù)據(jù)的深度挖掘，使配電系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)和分析報(bào)告能更為直觀地呈現(xiàn)，幫助運(yùn)維人員做快速的決策。但目前部分產(chǎn)品本地主機(jī)自動(dòng)生成的報(bào)告可讀性不高，集成商對于遠(yuǎn)程診斷和運(yùn)維建議等服務(wù)，也是要額外收費(fèi)的。由于國內(nèi)用戶的消費(fèi)習(xí)慣，導(dǎo)致了此產(chǎn)品和服務(wù)的推廣有一定的難度。

5.2 智能配電系統(tǒng)的主要功能和任務(wù)

很多同行提出，目前建筑內(nèi)配電設(shè)備管理的智能化水平不高，無法打破建筑內(nèi)電氣系統(tǒng)間的“信息孤島”，各個(gè)子系統(tǒng)之間不能有效協(xié)調(diào)，導(dǎo)致監(jiān)控管理只能是點(diǎn)狀行動(dòng)，而不是整體性行動(dòng)，因此無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)能源使用不合理問題，更易造成能源的浪費(fèi)。有很多廠家提出柔性供電，需求側(cè)管理等理念[4]。有利用電池等方式儲(chǔ)能削峰填谷；也有針對空調(diào)和熱水系統(tǒng)的管理，錯(cuò)峰用電的方案等。

但目前來看，建筑內(nèi)部各個(gè)設(shè)備還是由一個(gè)個(gè)子系統(tǒng)分別控制，如智能照明、電梯、空調(diào)系統(tǒng)、水系統(tǒng)等，再通過BA系統(tǒng)對這些子系統(tǒng)進(jìn)行集成。BA系統(tǒng)經(jīng)過多年的發(fā)展，有相對完善的測量和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，也有成熟的控制程序，其針對電梯、空調(diào)、水泵等設(shè)備的運(yùn)行特點(diǎn)，有對應(yīng)的控制流程。以筆者的觀點(diǎn)看，目前智能配電系統(tǒng)還是應(yīng)該以BA的一個(gè)子系統(tǒng)存在。立足于配電系統(tǒng)本身安全運(yùn)行，同時(shí)將能耗情況反饋給BA，通過BA系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制調(diào)節(jié)電梯、照明、熱水系統(tǒng)水溫、充電樁的輸出等，讓用電負(fù)荷與供電系統(tǒng)匹配。

6 總結(jié)

華南理工大學(xué)國際校區(qū)智能配電系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)是通過電能質(zhì)量管理和電力監(jiān)控的整體解決方案，在確保供配電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)預(yù)測性運(yùn)維，提高能源效率和可持續(xù)發(fā)展。目前，一期已經(jīng)運(yùn)營了一年時(shí)間。我們基本實(shí)現(xiàn)了電能質(zhì)量監(jiān)控自動(dòng)化、能源使用管理精細(xì)化、運(yùn)維值守?zé)o人化的“三化合一”模式，讓整體效率更高，管理成本更低。

在能源世界正趨于更加數(shù)字化、低碳化、分散化、電氣化的當(dāng)下，基于新一代信息通信技術(shù)與新型配電需求深度融合，更加高等級(jí)的數(shù)字化智能配電解決方案及服務(wù)，將越來越多的被采用，服務(wù)更多的用戶。