智能云配电系统应用研究

徐茹越, 陈 波

(浙江省省直建筑设计院, 浙江 杭州 310007)

0 引 言

在未实施智能配电系统之前,传统的配电系统往往只保障供配电系统安全、可靠的运行,系统所有配电设备通常独立运行,不具备系统远程监视的功能,无法及时获得配电系统预警信息,并及时预处理故障。随着我国互联网产业的发展,新一代信息技术与制造业的深度融合,新一代智能配电产品的出现,同时在大数据、云计算的技术支持下,配电设备数据价值被深度挖掘,新应用类型和管理模式随之衍生,使得孤立的设备单元彼此连接,未来主要配电设备将会实现被监测、被管理、被有效利用,为精细管理和精准运维提供新方法、新工具[1-3]。

云配电系统基于上述情况,通过整合各类资源,赋予传统的配电领域以“智能”,并通过互联网云平台实现用电设备管理集成,形成全面监测、远程诊断、设备全生命周期管理等新型能力,实现民用建筑、生产用电设备管理各环节的互联互通。同时云服务可提升管理协同水平,将故障预警、远程运维、质量诊断、远程过程化等在线服务增值优化,形成数据资源、管理流程、制造过程、制造服务的大数据分析与关联挖掘,建立、健全、完善分析机制,以满足个性化、定制化、智能化生产的需求,对加速工业互联网生态环境建设及配电领域转型升级具有划时代的意义[4-6]。

1 传统智能配电系统与云配电系统架构对比分析

传统智能配电系统采用计算机控制技术、通信技术和网络技术等,通过网络通信采集模块和带通信接口功能的现场检测仪表、智能断路器、综合保护装置等把实时配电系统数据采集到中控站上位组态软件,实现系统数据远程集中显示、管理和调度。传统智能配电系统通常由管理层、通信层和现场层3部分组成。管理层一般位于监控室内,通过以太网通信接口负责收集通信层的数据,进行集中管理和分析,负责整个变配电系统的整体监控。通信层一般由数据采集模块和网关组成,对管理层采用TCP/IP协议上传采集数据,对现场层采用Modbus、Profibus、RS-485等现场总线协议通信将现场设备和传感器互连起来。对于民用建筑,现场层一般是各种类型的电力仪表、智能断路器和综保装置等设备。

传统智能配电系统架构示意图如图1所示。

图1 传统智能配电系统架构示意图

智能云配电系统的架构分为3层,分别为云端应用层、项目本地系统控制与管理层、现场智能云终端设备层(互联互通设备层)。

云端应用层可以实现云端工程情况构建、信息推送、监测及自动化控制等功能,通过搭配移动终端APP、微信公众号,实现线上线下的互动式管理、全新的数字化服务体验以及能源优化、过程优化、电力设备全生命周期管理。

本地系统控制与管理层是云配电系统的核心层,主要负责用户本地集中管理、本地计算任务和存储任务,并决定实现该计算任务和存储任务所需要的相应设备。此外,该层还负责整合计算结果,读取数据,将数据进行输出,并将计算结果向用户进行反馈。目前输配电系统得益于物联网创新的技术,配电网络可以从根本上提高安全性和可持续性[7-9]。

现场智能云终端设备层为基础层,是具备实现终端用电设备的保护、计量、监测、控制、数据传输、无功补偿等一系列功能的设备,主要包括智能云能管控终端、全新数字化万能式断路器、智能塑壳断路器带测量通信接口、无限能量传感器等智能终端,这些设备为智能云配电系统的继续发展提供坚实的基础。

智能云配电系统架构示意图如图2所示。

图2 智能云配电系统架构示意图

2 智能云配电系统的硬件组成及技术要求

智能云配电系统硬件基础设备主要包括云配电智能管控终端、内置通信模块智能断路器、通信型断路器加外置通信模块、智能数字计量仪表、智能配电柜、不间断电源(UPS)、双电源切换装置(ATSE)、智能微机保护装置等硬件设备。

本文重点介绍云配电智能管控终端和内置通信模块智能断路器的技术特点。云配电智能管控终端是基于物联网和互联网思维开发的最新智能配电产品,对原有的配电系统进行极大地简化,将断路器、电力仪表、电度表、系统及环境监测仪、电器火灾监控、微机保护器、可编程逻辑控制器(PLC)、工业变送数据通用接收器、数据传输设备、无功补偿控制器集成为一台智能管控终端,同时具备小型化、高性能、高可靠等特点。而智能云管控终端的智能化、网络化、可通信(IEC 61850+内置多协议Modbus、Profibus、Devicenet、CAN)、WiFi+蓝牙,方便实现云管理。通信模块整体内置,集遥测、遥信、遥控、遥调于一体,并实现断路器故障脱扣或报警信息无线监视。

目前,新型的智能一体化长寿命断路器无需外接电流互感器,具备遥测、遥信、遥调、遥控功能,可在后台对断路器的所有状态和参数进行查看和修改,实现远程无人值守。这些断路器无论是电气寿命还是分断能力均优于传统断路器,减少人员维护压力,具体具备以下功能:

(1) 一体化设计,内置电流互感器无需外接,简化现场安装,且内置通信接口,无需通信背包。

(2) 进线和母联万能式断路器电气寿命不低于10 000次,出线塑壳断路器电气寿命不低于7 500次。

(3) 高分断进线和母联万能式断路器优先采用低压真空断路器产品,出线塑壳断路器优先采用双断点产品。

(4) 测量功能全,可采集电流、电压、功率、频率、电能等,对于电能质量要求较高的场合,还可测量谐波。

(5) 故障通知和记录可将故障时的参数记录,并通过后台发送给相关的值班人员,通过分析故障参数,帮助值班人员快速定位和进行有针对性的处理,减少停电时间,实现主动运维。

(6) 远程控制在后台远程对断路器的整定参数和分合闸状态进行控制。

3 智能云配电系统的软件组成及主要具备功能

目前,国际、国内主流配电产品和电力监控的产品供应商都紧跟技术发展潮流,纷纷推出专用云管理平台。智能云配电系统的软件技术是在虚拟化模型中心的基础上,将各系统资源进行整合,构建共享资源池,实现配电高级应用系统间的互操作,共同集成为适应智能配电网管理要求的统一应用服务系统,即智能配电网模型云及应用服务系统。与传统配电网系统相比,传统分散式配电网服务系统功能单一且规模较小,只是面向单一的业务处理而进行的独立设计开发,不具备综合业务处理能力;服务系统的操作流程和业务功能等各方面兼容性能较差,交互共享能力不足,缺乏扩展性和灵活性,难以提供统一、完整的信息视图和信息展示,并无法动态适应业务环境可能发生的变化;还可能存在服务系统的软硬件资源不能得到充分使用,综合利用率偏低,其运营、维护以及管理成本较高。

智能云配电系统的云端应用层是支撑智能应用服务的系统,主要由基础支持云层、模型融合云层、配电业务云层和配电管理服务云层组成。基础支持云层利用虚拟化技术将系统软硬件资源以及相关管理功能进行整合,实现资源部署、数据处理、负载处理以及安全管理等功能,并向外层提供动态可伸缩的基础设施服务。模型融合云层对配电系统的异构信息模型进行对比分析和差异化研究,将配电网常用应用服务系统及软件等异构模型进行融合,实现配电网统一模型集成。配电业务云层是虚拟化模型中心的部署集合,利用虚拟化模型中心包含的配电系统常用应用系统以及各智能分析软件对配电系统的不同业务进行分析处理,实现配电系统的业务处理功能。配电管理服务云层主要实现智能配电网模型云,处理用户需求与系统响应间的关系,并以不同服务形式满足不同级别的电力企业用户需求。

目前,主流厂家云端应用服务系统主要包括云项目模型构建、云监测、云信息推送、云端自动控制和自动化、云节能、云维护、云协同、专家支撑系统等服务系统。

4 智能云配电系统的可应用场景

智能云配电技术优势在于每个配电环节配备具有全面综合感知能力、智慧决策能力和强力执行能力,同时在云端配备强大运算能力的大脑,通过对大数据的分析计算,提升云上云下的自动协同能力,故其具有极大的应用前景。

(1) 智能云配电系统在智能或智慧建筑中的应用。与传统元件装置相比,云配电智能终端克服传统元件功能单一的缺点,能够集测量、控制、保护等多种功能于一体,取代电量表、信号灯、继电器等常规元件,并且大量减少柜内的二次接线,使得系统更加紧凑,安装和调试更方便。

(2) 智能云配电技术在太阳能光伏发电系统中的应用。在太阳能电站系统中,智能云配电技术将太阳能屋顶运行数据连接至物联网,开创光伏电站的数字时代,可持续分析电能质量,跟踪生产趋势,实现资产效率最大化,并且进行预测性维护,最大程度地保证系统运行的安全、稳定。

(3) 智能云配电技术在建筑设备自动控制及监测中的应用。传统的自动控制系统设备必须包括水位计、水泵、流量计、PLC、流量变送器等传感器和控制器,低压配电柜内应包括高低压配电断路器、闭合器、各类电表、GPRS通信模块、工业交换机、警报装置、桥头警报器、管材及线缆等。若采用智能云配电系统,系统有如下优点:单点设备可通过WiFi或4G直接上云,无需经过中继设备逐层组网,节省设备造价;采用4G、5G、WiFi代替GPRS,可传输的数据量可达到上万字节;设备与传感器和控制器直接通过4～20 mA或0/1开关量相互连接,设备相当于数据交换机;无需现场数据显示终端和各类电表设备作为显示平台,仅需手机即可完成;无需上位机,云端相当于云上位机,可以布置在现场和监控数据中心及移动终端设备;无需组网设计,只需构建WiFi环境或直接使用4G/5G的现成运营商的网络;数据传输加密级别高,保障数据安全性。

(4) 智能云配电技术在电力监控系统中的应用。以计算机、通信设备、测控保护单元为基本工具,为变配电系统的实时数据采集、开关状态检测及远程控制提供基础平台;与检测、控制设备构成任意复杂的监控系统,在变配电监控中发挥核心作用;帮助企业消除孤岛,降低运作成本,提高生产效率,加快变配电过程中异常的反应速度。

(5) 智能云配电技术在节能系统中的应用。通过遥测和遥控可以合理调配负荷,实现优化运行,有效节约电能,并有高峰与低谷用电记录,为能源管理提供必要条件。同时民用建筑对电能按照明插座用电、动力用电、空调用电、特殊用电进行分项计量,工业企业可以对生产工段、生产流水线或机器进行三级计量,为企、事业单位电能节约审计提供依据。

除以上所述外,云配电技术还在智慧集约配电、安全供电管理、均衡负荷系统、社区智慧照明等各方面均发挥各种不同的作用。

5 智能云配电系统存在的技术问题

目前,传统配电系统需要电工巡视和手工记录系统的运行情况和数据。智能云配电系统由系统自动采集数据,后台分析、判断、处理,实时掌握系统的运行情况,高效、准确、及时、可靠是传统配电系统无法实现的。云配电系统技术优势明显,但也需要考虑云配电系统国家层面的技术标准规范不全面、部分应用技术不成熟、数据安全和网络安全风险等问题。需要关注的几个问题如下:

(1) 智能云配电系统国家层面的技术标准和规范不全面,行业主流设备制造厂家都在建立企业私有的云配电平台,行业缺乏统一规划和统一标准,制约云配电系统的长期发展。

(2) 智能云配电系统的控制是否可以采用远程自动控制,以及如何保障远程自动控制的系统安全,是提高云配电系统安全应用的关键技术。基于配电安全方面的因素,目前主流智能配电监控系统通常是“只监不控”,考虑配电系统安全原则,也合理。目前,远程控制在智能家居、智能照明等系统中已实现PC或手机APP的远程控制,但是智能云配电系统如果实施远程控制,需要充分验证该远程控制的必要性、准确性、可靠性。

(3) 智能云配电系统的网络信息安全和运行数据安全是系统安全性的关键要素。当前互联网安全和数据安全一直备受各国的重视,智能配电系统的信息安全同样重要。信息外泄可能给企业带来非常严重的危害和产生不必要的损失,严重时有可能会危及国家安全。因此,建立智能云配电系统的信息安全机制和保障体系非常有必要,这是需要重点关注的问题。

6 结 语

云技术和互联网是数据采集、处理、分析的重要技术手段。智能配电是大数据时代的产物,人工智能(AI技术)、物联网、互联网+传统配电系统实现供配电系统的智能化。目前,“安全可靠、高效便捷、节能环保、规范标准”的智能配电和云配电系统已逐渐成为未来供配电系统的主要建设方向。随着智能配电系统的稳步发展,对配电设备(智能化)和应用服务系统、平台也提出更多的要求。智能配电系统在可靠性、便利性、功能性、网络化、经济性等方面已体现明显的优点,在现代工程建设项目中得到广泛的应用。智能云配电系统未来将会得到进一步的发展,以适应智能配电系统发展的需要。