王 鋒， 翟富昌

（1.中國五洲工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，北京100053；2.北京德威特電氣科技股份有限公司，北京101300）

0 引言

低壓配電領(lǐng)域?qū)嶋H是電力能源利用的“最后一公里”，也是電力能源的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)。近些年，配用電領(lǐng)域雖然取得了很大的發(fā)展，但隨著科技的發(fā)展、復(fù)雜系統(tǒng)的應(yīng)用、客戶對(duì)用電要求水平的不斷提升，在某些領(lǐng)域、某些場合，產(chǎn)品比較固化、功能單一，智能化、數(shù)字化等創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用不夠，功能不夠融合等缺點(diǎn)逐漸顯現(xiàn)。主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面。

（1）元件多、配線多

低壓配電領(lǐng)域需要低壓保護(hù)、低壓儀表、電度表、常規(guī)互感器、漏電互感器、溫度傳感器等多種元件，元件之間的配電功能連線復(fù)雜。

（2）設(shè)計(jì)選型難、調(diào)試維護(hù)難、節(jié)能難

配電系統(tǒng)的元件多導(dǎo)致選型設(shè)計(jì)和后期調(diào)試復(fù)雜，維護(hù)不方便，柜型復(fù)雜；也會(huì)限制節(jié)能元件設(shè)計(jì)走線與布置空間，節(jié)能手段很難實(shí)施。

（3）高電氣故障、高通信故障、高能耗、高成本

元件多、配線多導(dǎo)致故障點(diǎn)多，漏接、虛接、短接等電氣故障發(fā)生。由于傳統(tǒng)的通信多是RS-485或者沒有通信接口，沒有通信數(shù)據(jù)或者傳輸速率低下，低壓配電數(shù)據(jù)無法有效收集、實(shí)時(shí)同步、進(jìn)行大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的邏輯分析和精準(zhǔn)利用，數(shù)據(jù)的利用維護(hù)成本高也帶來后期使用過程中的實(shí)際成本高。

（4）供電質(zhì)量低、節(jié)能效果低、可擴(kuò)展性低、數(shù)據(jù)可利用率低、智能程度低

傳統(tǒng)的低壓配電模式和產(chǎn)品特點(diǎn)決定了信息缺失或孤立、導(dǎo)致現(xiàn)有的供電質(zhì)量較低，節(jié)能效果較差。同時(shí)獨(dú)立、分立化的設(shè)計(jì)也造成了系統(tǒng)的擴(kuò)展性差，數(shù)據(jù)難以高效收集導(dǎo)致數(shù)據(jù)的可利用率低，整體的低壓配電智能化程度較低。

（5）三相不平衡、負(fù)荷容量等現(xiàn)實(shí)問題

近些年，新能源汽車產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，大量充電樁負(fù)荷的布置對(duì)小區(qū)原有配電系統(tǒng)，特別是對(duì)主變、線路沖擊影響較大，如何實(shí)現(xiàn)按需進(jìn)行負(fù)荷科學(xué)調(diào)度充電，如何確保主變?nèi)嘭?fù)荷均衡和主變穩(wěn)定運(yùn)行都是現(xiàn)在小區(qū)供電亟待解決的問題。

配電系統(tǒng)與設(shè)備暴露了諸多的現(xiàn)實(shí)問題和應(yīng)用過程中的尷尬，行業(yè)發(fā)展面臨進(jìn)一步提升的必然要求。從技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)上來看，變配電行業(yè)正呈現(xiàn)出多學(xué)科、多技術(shù)融合的態(tài)勢(shì)，信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化代表了變配電行業(yè)未來的發(fā)展潮流。在這一趨勢(shì)演變中，高低壓開關(guān)柜、變壓器、斷路器等變配電技術(shù)、電力自動(dòng)化監(jiān)控技術(shù)、電力繼電保護(hù)控制技術(shù)等與高性能微機(jī)軟硬件、物聯(lián)網(wǎng)、云平臺(tái)等IT技術(shù)的結(jié)合日趨緊密，一次設(shè)備與二次設(shè)備的結(jié)合度可以進(jìn)一步提高。

1 解決方案

為解決上述現(xiàn)實(shí)問題，筆者所在團(tuán)隊(duì)提出并開發(fā)實(shí)現(xiàn)了一種新型的智能配電系統(tǒng)。

在配電開關(guān)環(huán)節(jié)，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)低壓配電開關(guān)（斷路器）進(jìn)行集成化、智能化改造和物聯(lián)網(wǎng)化設(shè)計(jì)，賦予低壓斷路器更多的智能功能，使其成為能源互聯(lián)網(wǎng)的最終端環(huán)節(jié)。通過本開關(guān)的所有能量信息、電量信息均通過基于WiFi、5G（NB-IoT）通信及加密web API技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入到云端。徹底創(chuàng)新出一種能源與信息融合的智能斷路器。

（1）云端

架構(gòu)了一個(gè)基于智能斷路器的云服務(wù)管理系統(tǒng)，借助智能斷路器提供的模擬量、信號(hào)量、故障處理信息等數(shù)據(jù)，通過云服務(wù)平臺(tái)與電能源管控系統(tǒng)構(gòu)成無線互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，系統(tǒng)通過云技術(shù)協(xié)同物聯(lián)網(wǎng)上的多系統(tǒng)運(yùn)作，動(dòng)態(tài)響應(yīng)用戶的需求變化，為用戶提供自主定義的標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)和前瞻性的定制化服務(wù)。

（2）應(yīng)用層面

用戶可隨時(shí)隨地通過手機(jī)APP、系統(tǒng)網(wǎng)頁、電子郵件等方式，關(guān)注所監(jiān)控的設(shè)備或設(shè)備組群，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)送運(yùn)行告警信息推送給相應(yīng)的運(yùn)維人員，提供準(zhǔn)確定位，隨時(shí)了解各配電線路及設(shè)備詳細(xì)運(yùn)行信息，實(shí)現(xiàn)無人化值班和日常運(yùn)維，達(dá)到減員增效的目的。云服務(wù)智能配電系統(tǒng)體系圖詳見圖1。

圖1 云服務(wù)智能配電系統(tǒng)體系圖

2 系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)及特點(diǎn)

2.1 構(gòu)建了高效變配電節(jié)能云配電智能體系架構(gòu)及其應(yīng)用體系

系統(tǒng)融合了云計(jì)算、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、大數(shù)據(jù)分析等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)了SCADA系統(tǒng)、基礎(chǔ)能源管理系統(tǒng)、高級(jí)能源預(yù)測優(yōu)化系統(tǒng)、多介質(zhì)綜合優(yōu)化系統(tǒng)的云端處理。系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)；進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，通過各種圖形報(bào)表直觀顯示，提供良好的決策依據(jù)；支持無線設(shè)備接入，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器（私有云或公有云）可進(jìn)行集群化以及異地多重多種備份；數(shù)據(jù)在通信與存儲(chǔ)時(shí)，通過復(fù)式加密手段，保障數(shù)據(jù)與設(shè)備運(yùn)行安全。云服務(wù)智能配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖詳見圖2。

圖2 云服務(wù)智能配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 實(shí)現(xiàn)一二次設(shè)備真正完全融合的技術(shù)體系及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用

通過系統(tǒng)重構(gòu)設(shè)計(jì)（如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電磁兼容技術(shù)、一體化集成技術(shù)、鐵磁合金傳變技術(shù)、嵌入式技術(shù)等），將傳統(tǒng)斷路器與智能電子設(shè)備融合，成為智能低壓斷路器。該智能低壓斷路器兼具斷路器的分合電路、分?jǐn)嚯娀?，控制器的可編程遠(yuǎn)程操作，電力儀表的電能質(zhì)量監(jiān)測、電度計(jì)量，微機(jī)綜保裝置的故障綜合保護(hù)、測控、信號(hào)狀態(tài)監(jiān)測、工藝過程控制，節(jié)能補(bǔ)償裝置的無功投切，各類電參變送器的4～20mA信號(hào)輸出，溫控設(shè)備的4～20mA采樣，通信包含 RS-485、WiFi、5G（NB-IoT），實(shí)現(xiàn)了低壓電氣一二次的全面融合。融合后的設(shè)備可實(shí)現(xiàn)高度智能化運(yùn)算，具有人臉識(shí)別、信道復(fù)合加密、遠(yuǎn)程維護(hù)、移動(dòng)巡檢、空中升級(jí)等功能。智能斷路器與傳統(tǒng)元件功能對(duì)比圖詳見圖3。

2.3 將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與電力終端設(shè)備創(chuàng)新融合，并制訂了相關(guān)接口規(guī)范，成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用

圖3 智能斷路器與傳統(tǒng)元件功能對(duì)比圖

低壓智能一體化開關(guān)采用WiFi、5G（NB-IoT）通信，內(nèi)嵌物聯(lián)網(wǎng)通信平臺(tái)，將開關(guān)本體電量數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、診斷信息等主動(dòng)上傳到云中，設(shè)備信息全面放開，不需要任何專用規(guī)約和協(xié)議，即可為綠色智能化配電系統(tǒng)提供可靠、豐富的數(shù)據(jù)來源；用戶可以掃描設(shè)備上的二維碼或輸入網(wǎng)址通過網(wǎng)絡(luò)，訪問智能終端設(shè)備的網(wǎng)站；獲得包括設(shè)備運(yùn)行狀況、運(yùn)行波形圖、功率相量圖、開關(guān)狀態(tài)等直觀信息；還可通過設(shè)定實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)、維護(hù)提醒、超限值報(bào)警等交互信息。智能斷路器功能概略圖詳見圖4。

圖4 智能斷路器功能概略圖

2.4 支撐工業(yè)現(xiàn)場設(shè)計(jì)、施工、改造的新模式、新業(yè)態(tài)成為可能

智能斷路器有了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持，大大簡化了傳統(tǒng)電氣安裝的施工調(diào)試過程，有效降低了電氣調(diào)試的復(fù)雜度和聯(lián)調(diào)難度，由于采用WiFi、5G（NBIoT）通信，用戶只需完成設(shè)備的安裝、調(diào)試和通電，即可完成設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)，大大降低改造區(qū)域的設(shè)備停運(yùn)和系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場的分段、分時(shí)改造。

2.5 可為“中國制造2025”提供基礎(chǔ)支撐

智能斷路器是配用電系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，還能夠提供有效、實(shí)時(shí)的帶有時(shí)鐘標(biāo)志的各類信息，構(gòu)成智慧化工廠的信息組成部分，這些信息包括：供電回路的電量信息（電流、電壓、功率、功率因數(shù)、相位、電度量、諧波量）、斷路器的操作信息（合閘、跳閘、故障分閘）、斷路器金屬回路的溫度信息、供電回路的故障信息（保護(hù)動(dòng)作信息），生產(chǎn)過程的流量、壓力、溫度、角度、位置等過程信息。這些數(shù)據(jù)和智慧工廠的信息處理系統(tǒng)相融合，能夠?yàn)橹腔刍S提供多種基于大數(shù)據(jù)分析的運(yùn)維參考和決策依據(jù)。智慧工廠場景圖詳見圖5。

圖5 智慧工廠場景圖

3 結(jié)束語

本文所述系統(tǒng)從低壓配電的核心元件著手，通過對(duì)低壓斷路器的智能化創(chuàng)新和徹底的一二次融合技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，打造全新的智能低壓斷路器。通過改變現(xiàn)有電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)營模式，提高能源利用效率，強(qiáng)化電能能效管理，提升整體能效水平。綜合來說，本系統(tǒng)的建設(shè)能夠促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)方技術(shù)創(chuàng)新、設(shè)備制造研發(fā)、新材料應(yīng)用和新系統(tǒng)研究，對(duì)上下游產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)升級(jí)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新產(chǎn)生重要影響。

本系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)、云平臺(tái)，以專業(yè)和信息融合為特征，依托云計(jì)算進(jìn)行科技創(chuàng)新，拓展新興信息服務(wù)業(yè)態(tài)推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)與電力服務(wù)模式融合創(chuàng)新，對(duì)推動(dòng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、能源智慧利用、實(shí)現(xiàn)能源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)轉(zhuǎn)型等都有積極意義。

技術(shù)創(chuàng)新到工程創(chuàng)新、盈利模式創(chuàng)新和新業(yè)態(tài)還有很多路要走。從電力局、生產(chǎn)企業(yè)、智能建筑行業(yè)客戶應(yīng)用和反饋來看，本文所述的智能配電系統(tǒng)極大提升了客戶配電系統(tǒng)的智能化水平，符合行業(yè)和客戶預(yù)期目標(biāo)；同時(shí)行業(yè)、客戶也給出積極反饋，希望系統(tǒng)能將火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、智慧水務(wù)、智能能源開采等多行業(yè)整合，推出一系列更有針對(duì)性的行業(yè)解決方案。