智能配電監測系統設計及研究

袁 劍，田 成，杜 滎，張 芹，余 鵬

（1.武漢市政工程設計研究院有限責任公司，湖北 武漢 430000；2.國網湖北省電力有限公司技術培訓中心，湖北 武漢 430000）

0 引 言

配電系統是建筑的總電源與建筑內各種用電設備間的電能傳輸通道的總和，也是進行電能分配裝置的總稱，是建筑電力系統中極為重要的一部分。大多數情況下，建筑在建設過程中會配置配電監測系統對配電系統的運行進行監測。過往傳統的配電監測系統在實際工作中主要通過在各個用電設備或電流傳輸關鍵通道處設置互感器的方式來采集建筑的用電信息，實現對建筑內電壓、電流的變化實時監測。但這種傳統的方式由于其功能單一、智能化不足、難以遠程管理等缺點，目前已漸漸無法滿足建筑配電監測的需求。智能配電監測系統已成為當下建筑配電系統發展的關鍵點之一。因此，本文針對智能配電監測系統展開設計與研究，具有一定的現實價值[1-3]。

1 智能配電監測系統的設計

1.1 智能配電監測系統的信息需求

對于智能配電監測系統而言，其主要工作目標與傳統配電監測系統是相同的，即實時監測建筑中電壓、電流等的變化情況。因此，智能配電監測系統應具備的功能包括：（1）收集系統監測到的配電網、電站等狀態變化信息；（2）信息的傳輸與反映；（3）智能決策并下達相應指令等。分析上述功能可以得出，構建智能配電監測系統所需求的信息如下：（1）上級系統與智能配電監測系統之間傳輸的遠程控制指令信息與配電網狀態變化信息等；（2）電源監測系統、建筑內用電設備等傳輸至配電監測系統的電站狀態變化信息、電路負載狀態變化信息、配電板絕緣狀態變化信息、設備負載運行狀態變化信息等；（3）配電監測系統向外傳輸的各種控制指令信息[4]。

1.2 智能配電監測系統的架構

本文設計的智能配電監測系統的主要結構如圖1所示，包括主站、從站、采控終端、通信網絡等。對于大多數建筑而言，一般一所建筑會配備1 個電力系統主站，在主站中會根據建筑用電需求設置一定的配電顯控終端，并同步設置相同數量的配電區域控制中心。其中，配電顯控終端的主要作用是為建筑管理人員提供控制配電的操作界面，而對應的配電區域控制中心則主要對日常配電操作進行數據儲存及智能化輔助控制等，這2 種裝置就是本文設計的智能配電監測系統的中心[5-7]。

圖1 智能配電監測系統架構

在主站的基礎上，從站的假設數量主要取決于建筑主要用電終端的數量。智能配電監測系統的從站工作主要由現場采集控制中心完成，現場采集控制中心首先會對自身控制區域的配電情況進行實時監測，同時還負責向采控終端傳輸來自上層通信網絡下達的各種控制指令，是智能配電監測系統中起到承上啟下作用的一層[8]。

智能配電監測系統的底層主要由大量采控終端組成，其主要作用為采集建筑中配電網的信息，并對建筑中的用電設備下達指令等。除此之外，智能配電監測系統還需要配備完善的通信網絡，以此支持系統主站、從站以及終端層之間信息的傳輸，為3 層網絡的溝通交流搭建渠道。

1.3 智能配電監測系統的網絡架構

在本文設計的智能配電監測系統中，系統的網絡架構主要由以太網、局域網2 種網絡的控制器、總線構成。影響建筑配電信息傳輸的因素較多，其中包括：（1）需傳輸的配電信息總量；（2）配電信息傳輸的整體距離；（3）建筑本身的網絡基礎設備配置；（4）網絡設備的硬件接口形式等。對于智能配電監測系統的上層網絡而言，其需傳輸的配電信息總量本身較多，因此在設計總線時主要以太網為中心；而對于下層網絡而言，其主要完成數據采集工作，則總線形式以生成式對抗網絡（Generative Adversarial Network，GAN）更加適宜[9-10]。

對比以太網網絡和GAN 網絡2 種總線方式，以太網更加穩定，傳輸信息的速度更快，拓展性較強，在后期進行網絡維護時也更加方便，而且在我國各種建筑中應用以太網建設配電監測系統信息網絡的頻率相對較高。在建設建筑配電監測系統時，將以太網作為上層網絡的基礎，可以在系統中將數據信息采集、配電指令下達、配電情況監測等功能進行分區，各個區塊的網絡節點獨立存在，使得網絡總線的工作壓力得到減輕，有效提升智能配電監測系統的使用年限，減少其在日常運行中受到的損傷。

與此同時，GAN 網絡在闡述信息時，其速度與距離呈現負相關關系，即信息傳輸的速度越快，距離就越短，而信息的傳輸距離較長，則速度就會相對減慢，具體如表1 所示。使用GAN 網絡作為建設智能配電監測系統下層網絡的基礎，能夠基本滿足下層信息數據的收集及指令下達工作，同時對于建筑的各種用電設備而言也更易進行接口配置。

表1 GAN 網絡信息傳輸速度與距離間的關系

1.4 智能配電監測系統的智能化設計

建筑智能配電監測系統的智能化設計主要集中在智能化電能提供與分配上。首先，智能化電能提供指智能配電監測系統能夠根據監測到的信息數據計算獲得建筑電路網絡的用電需求，進而對各大電站下達指令，智能化地對電站進行運行管理，實現電站的遠程管理，減少建筑電力管理中人力資源的消耗。其次，智能化電能分配指智能配電監測系統能夠根據建筑內各個用電設備的用電需求，對建筑整體電能資源進行科學合理的自動分配，減少電能在傳輸與使用中的消耗，同時減少管理人員綜述，是實現人員精簡的目標。

為了優化智能配電監測系統的電能提供與分配，本文展開的智能化設計主要包括智能分級負載體系和智能配電路徑選擇，具體如下文所述。

1.4.1 智能分級負載體系

智能配電監測系統中的智能分級負載體系的主要作用是根據建筑整體的電力負載要求，以多種算法將負載要求進行優先級排序，并自動進行負載的切除，盡可能在不影響建筑用電設施運行的情況下，減少電力負載壓力。

當建筑的配電網出現波動時，可能會使得建筑電站出現超負荷運作的情況，此時派點監測系統中的主站會下發減少電力負載的相關指令。從站收到主站的指令后，根據算法得出的優先級排序，向非重要終端發出指令，關閉電能傳輸。在此之后，若減少的電力負載依然不足，則從站繼續發出二級電力負載減少指令，科學合理地切除建筑中的用電負載。減少用電負載的全過程分別由配電區域控制中心、現場采集控制中心、采控終端自動執行，信息傳輸通道為建筑整體的通信網絡，全過程都不需要額外加入人力資源進行工作。

1.4.2 智能配電路徑選擇

當建筑需要同時使用多個用電設備時，各個用電終端向系統上層發出啟動申請，此時智能配電監測系統會立即分析建筑配備電站的運行情況，并結合各種算法給出各個用電設備的最優配電模式，以智能配合人力的形式向建筑管理中心提出配電的最佳路徑，實現智能配電路徑的選擇。

在實際應用中，智能配電路徑的選擇標準具體如下：（1）當建筑的主電站與備用電站二者在日常運行中為并聯模式時，電能主要提供電站應選擇實際上電力負載相對較小的電站，這樣能夠使得在電能使用總量增加后，主電站與備用電站之間的跨界電流較小，減少重電力負載對電站及其他設備的不良影響；（2）當建筑的主電站與備用電站的運行完全獨立時，則主用電源應選擇電源負荷率較低的電站，以此平衡電站中發電機的負荷率，提升電站的發電效率，維護配電網的電流穩定性。

在建筑的配電網運行穩定，建筑內多個用電設備發出啟動請求后，本文設計的智能配電監測系統中的智能配電路徑選擇功能會向主電站及備用電站下達主用電源選擇指令，2 個電站立即開始進行主備電源切換工作，工作完成后向系統上報信號。在此之后，智能配電監測系統向用電設備發出允許啟動信號。智能配電路徑的選擇以半自動模式運行，首先由專業人員根據建筑用電的實際情況做出配電策略，其次由智能配電監測系統進行智能優化，待配電策略制定完成后，后續執行工作不需要再次加入人力資源，由系統自動完成。

若在建筑的主電站與備用電站能夠實現主用電源的不間斷轉換，則用電設備已經被啟動，會導致建筑整體配電網受影響產生波動。此時主電站與備用電站的負荷率出現失衡現象，當不均衡的程度較嚴重，超出了危險指標時，智能配電監測系統會及時根據智能配電路徑的選擇策略自動調整此時建筑中的配電路徑。若主用電源無法實現不間斷轉換，則用電設備的啟動同樣會導致2 種電站的負荷率失衡，此時智能配電監測系統無法進行自動調整，會及時向相關管理人員傳輸警告信號，并給出配電路徑優化建議，結合人工完成配電路徑的調整。

2 結 論

目前，我國智能建筑的發展速度不斷加快，人們對配電管理、監測與控制有了更高的需求，對于相關系統的要求也越來越高，而傳統配電監測系統無法實現遠程操控，智能化程度較低，無法與現代智能建筑建設相匹配。因此，本文提出了一種智能配電監測系統的設計，詳細研究了其信息需求、系統架構、網絡架構和智能化設計，以期為我國建筑配電監測系統的智能化發展提供參考。