智能化低压配电系统组成原理及典型应用

重庆市电力公司江北供电局 张东

传统的低压配电控制方式,主要是通过断路器、接触器、熔断器、控制继电器、互感器及各种模拟指针仪表（电流表、电压表、功率表、电能表）等组合成的低压开关控制柜来实现配电的控制、保护、监视等功能。这种传统的开关柜以人工直接操作为主,如要进行计算机智能管理,则需采用电量变送器及微处理器或来实现。由于大量采用电量变送器,存在成本高、接线复杂、功能简单、精度低和可靠性差等缺点。现代工业技术的发展对低压配电系统运行的可靠性及其智能化管理提出了更高的要求,而微处理器技术的广泛应用及计算机系统可靠性的大幅度提高,使智能化低压电器元件得到快速发展,智能化低压电气管理系统应运而生。

一、系统的基本组成原理

智能化低压配电系统最大程度利用了数字时代的技术成果,它以现有的断路器、接触器、继电器等为控制基础,结合新型的智能电力仪表、监控模块、现场监视器件和后台监视器件、网络I/O,实现对配电主回路和各分路的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率、电量等电参数的实时监测,对控制电器的分合进行控制和监视。同时,配合通信网络和各种完善的远程监控软件,从而实现对低压配电系统的“四遥”功能:(1)遥测:实时采集各种电参数,显示和分析,并生成报表。(2)遥信:实时监视控制电器的运行状态,提示故障和报警信息,记录并打印。(3)遥控:控制相应电器动作,记录操作的时间、类型和操作对象等。(4)遥调:对各智能模块的运行参数值和故障报警保护值进行整定。

智能化低压配电系统主要由以下几个部分组成(见图1)。

(1)监控主机。监控主机通过通信及数据采集前端机获得来自保护及监控智能装置和现场智能装置的信息,并下达控制指令,由保护及监控智能装置和现场智能装置实现对变配电设备的保护和测控功能。监控主机完成图形监视、报表生成、曲线分析、系统管理等功能。

(2)通信及数据采集前端机。通信及数据采集前端机用于与底层现场设备通信并实现实时数据采集,以及同工厂DCS系统的接口。通信及数据采集前端机兼容工程所涉及的有关设备和系统的通信协议。

图1 智能化低压配电系统

(3)现场智能装置。现场智能装置完成低压开关的开关量采集(遥信)、模拟量采集(遥测)、开关操作(遥控)、开关保护、电动机保护等功能,以及电量采集和开关分合位置的开关量采集(遥信)等。

(4)通信网络。它是系统中关键部分。它像整个监控系统的神经网一样,系统各部分通过通信网络连接,在保证可靠性和抗干扰能力的前提下,通信介质采用屏蔽双绞线或光纤。

二、智能化低压配电系统的主要特点

智能化低压配电系统由低压开关设备具有通信功能的智能化元件经数字通信与计算机系统网络连接,实现变电站低压开关设备运行管理的自动化、智能化。系统可实现数据的实时采集、数字通信、远程操作与程序控制、保护定值管理、事件记录与告警、故障分析、各类报表及设备维护信息管理等功能。针对低压电气系统直接面向控制终端,设备多、分布广,而且现场条件复杂,系统本身及设备频繁操作、故障脱扣等产生的强电磁及谐波干扰等特点,智能化监控系统应能实现面向对象的操作模式,具有强抗干扰能力,主要控制功能由设备层智能化元件完成,形成网络集成式全分布控制系统,以满足系统运行的实时、快速及可靠性的要求。系统中的低压智能化元件就其功能而言总体上可分为:电能质量监测、开关保护与控制及电动机控制等。由于现场总线技术的应用,系统中智能化元件可不依赖计算机网络而独立运行,极大地提高系统运行的实时性和可靠性,满足低压电器设备运行管理的需要及工厂生产过程控制的要求。

（1）智能化。低压配电系统由低压配电开关配以具有通信功能的智能测控保护装置比如网络电力仪表 、微机无功补偿控制装置、微机电动机保护装置等经数字通信与计算机系统网络连接 ,实现配电站开关设备运行管理的自动化、智能化。实施智能化配电系统可以有效地保障供电可靠性和供电品质 ,为连续性的自动化生产提供保证 ,有利于合理安排生产计划 ,优化负荷分配 ,节约电力成本以及检修成本。相比传统型配电系统 ,智能化配电系统具有数字化优势 这是智能测控保护装置区别于传统仪表的根本性标志。由于采用了高速微处理器芯片以及高精度数模转换芯片 ,现场的各种被测参量全部采用了数字化处理 ,因而在大大提高测量和保护精度、减少产品分散性的同时 ,也大大提高了实时性、稳定性和可靠性。

（2）多功能化。智能测控保护装置摆脱了传统元件功能单一的弱点 ,集测量 、控制、保护等多种功能于一体 ,完全取代了指针式电量表、变送器、信号灯 、继电器等常规元件 ,并大量减少了柜内的二次接线 ,使得系统更加紧凑 ,安装和调试省时 、快捷 、方便。

（3）网络化。智能测控保护装置一般具备数字通信接口 ,通过网络与计算机系统进行互联 ,可在监控计算机上实现数据的实时采集、数据处理、数据存储、数字通信、远程操作与程序控制、保护定值管理、事件记录与报等、故障分析、各类报表及设备维护信息管理等多种功能 ,实现配电系统的无人值守和远程监控 ,这也是传统方式无法企及的重要功能。

三、智能配电系统在某广场的典型应用

某广场智能配电系统，有很多特殊需求:（1）由于配电柜要求全封闭结构，要求元件集成程度高，最少的元件实现最多的功能。（2）要求实现低压配电网络的遥测(监视元件所在点的电流、电压、功率、电量等参数，并且记录故障信息)、遥信(监视开关的分合闸状态以及抚掌状态)、遥调(远程对元件的保护参数进行调整)。（3）通信系统可靠，通信数据无障碍快速准确传输，预留无线通信接口，保留以后无线通信的要求。

根据某广场周围的情况，所有的广场照明控制景观用电以及其他临时用电等要求最高可靠性的供电，还需对所有的低压配电设备进行监视。推荐使用集成测量和通信功能的NSXMCCB以及UC100通信元件以充分满足高集成度的需求，减少开关柜内的元件数量，大大节省开关柜内元件的安装体积某广场的低压配电系统智能网络配置如图2所示。

图2 智能配电箱配置图

由NSX构成的ATS电源切换系统，为配电箱里所有的负载提供最可靠的电源保证。当主回路侧电源失电时，电源切换系统迅速切换到备用电源侧，由备用电源为负载供电，保证供电的连续性。

智能配电箱中，所有的NSX MCCB采用Micrologic5系列的脱扣单元，NSX通过内置互感器技术可以提供精确的全参数的电力测量，大大减少了配电箱中测量表计的元件数量。NSX还可提供故障诊断和历史记录功能，清晰记录下配电箱中各个负荷点的历史运行情况，若出现故障，记录故障出现的时间、故障电流的大小、故障的类型，帮助维护人员提供详细的数据分析。

UC100为智能配电箱提供可靠的数据传输通道，并根据供电局的需求，定制通信功能。可以即时采集所有检测数据包括电流、电压、功率、频率等数据以及断路器的状态，定期上传电量、故障历史记录等信息;若出现故障，故障信息优先上传另外，应为网络的扩展升级预留无线通信接口。

某智能配电箱的配置，合理利用了NSX高集成度的特性，实现了低压配电网络全面的电能管理功能。

四、总结

随着信息技术的不断发展,以及企业对自动化和输配电系统相结合的需求的增长,低压配电系统的智能化设计顺应了科学、合理地使用电力能源，节能降耗的时代潮流，是一种必然的发展趋势。智能化低压配电系统在我国正在向小型化、多功能方向发展，现场总线技术的不断发展与应用将逐步提高智能化低压电器产品在网络上的兼容性和系统运行的可靠性。

但智能化低压配电系统的生产商众多,系统的配置方式也不尽相同,但系统的功能应当是相同和相近的。工程设计者应当根据具体工程的设计特点提出系统详细的技术参数和系统功能要求。在设计中需坚持标准化、先进性、兼容性和可扩展性的选用原则。