浅谈一种配电台区的新型智能配用电系统应用

赵湘文 黄恒硕 聂进培 冯学松 黄增武 李慧勇 汤逵

摘要：当前，智能电网的建设如火如荼。在配用电领域，配电领域智能化程度稍低，而要真正实现智能电网、电力能源利用的智能化，配用电环节很重要。而现实中存在一些困扰低压用电客户的问题或弊端，配用电环节的智能化改造与提升已提到了行业亟待解决的层面。本文从全新的视角，介绍一种新型的智能台区配电系统。包括低压断路器、智能配电系统应用。简单介绍了低压断路器的智能化创新重新设计，采用彻底的一二次融合技术，物联网技术，创新智能低压断路器，并通过云技术与云平台的搭建，可协同云端的多种应用与系统联动，为用电领域的精细化分析、行业解决方案、设备全生命周期全信息管理提供基础平台，为进一步提升配电智能化水平和信息利用水平提出全新思路。该系统在南方电网某现场的运行表明，本文所介绍的配电系统具有使用简单、功能集成、简化设计配线、智能运维的目的，符合未来配用电系统的创新与工程化方向。

关键词：智能配电系统;智能断路器;物联网;云平台

引言

过去的几年，智能配网项目和技术在一直走在智能电网普及的最前端。随着全球范围内主要国家智能电网建设的实施，各国政策和资金投入的加大，智能配网市场未来将迅速增长。我国的智能配网目前还处在起步阶段，仍处在刚刚开始试点和初步建设的阶段。随着国家加大智能电网建设，智能配网将成为我国电力行业新一轮的投资重点，未来市场空间广阔。未来几年配电自动化增长潜力巨大。

当前，智能电网的建设如火如荼。在配电领域，配电领域智能化程度稍低，现实中存在的这些困扰低压用电客户的问题或环节，已经在逐步推动配用电环节的智能化改造与提升到了行业亟待解决的层面。而要真正实现智能电网、电力能源利用的智能化，显然配用电环节很重要。

1 现状

低压配用电领域实际是电力能源利用的“最后一公里”，也是电力能源的出发点和落脚点。配用电领域这些年虽然取得了很大的发展，但随着科技的发展、复杂系统的应用、客户对用能要求水平不断提升。在某些领域、某些场合，产品比较固化、功能单一，智能化、数字化等创新技术应用不够，功能不够融合等缺点逐渐显现[1][2][3][4]。主要表现在：

1） 元件多、配线多：低压配电领域需要低压保护、低压仪表、电度表、常规互感器、漏电互感器、温度传感器等多种元件，元件多，之间完成整体配电功能连线复杂。

2） 设计选型难、调试维护难、节能难：配电系统的元件多导致选型设计复杂，元件多导致后期调试复杂，生产维护过程中牵一发而动全身，维护不方便，柜型复杂，元件多导致节能元件设计走线与布置空间局限，节能手段很难实施。

3） 高电气故障、高通信故障、高能耗、高成本：元件多、配线多引入较多的故障点，导致漏接、虚接、短接等高电气故障发生。由于传统的通讯多是RS-485或者没有通讯接口，没有通讯数据或者速率不高，低压配电数据无法有效收集，更不可能进行大数据为基础的分析、加工和利用，数据的利用维护成本高也带来后期使用过程中的实际高成本。

4） 供电质量低、节能效果低、可扩展性低、数据可利用率低、智能程度低：传统的低压配电模式和产品特点决定了信息缺失或孤立、导致现有的供电质量较低，节能效果较差。同时独立、分立化的设计也造成了系统的扩展性差，数据难以高效收集决定了数据的可利用率低，數据实际利用率更低，整体的低压配电智能化程度较低。

低压配网作为电网的末梢，直接面对用户，具有体量大、分布广、供用电环境复杂、需求多样化等特点。在低压配电领域，因缺乏有效的监控、测量，依然处于电话报修、故障抢修、人工巡检的模式，且存在设备停电恢复难，响应不及时，运维成本高等诸多问题。配电工区、乡镇供电所等供电服务组织，分别承担城区和乡镇低压配网运行、维护、抢修工作。抢修和部分运行维工作基本采用按区域外包的方式，作为直面市场、服务客户的最前端，传统的服务方式和服务内容已经不能适应新形势下客户多元化、个性化、智能化的需求。

配电系统与设备逐渐暴露了诸多的现实问题和应用过程中的尴尬，行业发展面临进一步提升的必然要求。从技术发展趋势上来看，变配电行业正呈现出多学科、多技术融合的态势，信息化、智能化、网络化和集成化代表了变配电行业未来的发展潮流。在这一趋势演变中，高低压开关柜、变压器、断路器等变配电技术、电力自动化监控技术、电力继电保护控制技术等与高性能微机软硬件、物联网、云平台等IT技术的结合日趋紧密，一次设备与二次设备的结合度可以进一步提高[5][6]。

目前国内各级电力公司都在全面建设基于能源服务中心的 “供电运检服务指挥平台”搭建了一个以客户为导向的“在线化、透明化、移动化、智能化”的新型服务架构，以营配调数据贯通和信息共享，促进专业协同和业务融合，旨在全面提升配网运营效率效益和供电优质服务水平。但是，低压配网因其信息化、自动化、智能化水平不高，未能形成对“运检平台”的有效支撑。

2智能配电系统的整体要求

2.1总体要求

在配电开关环节，应采用物联网技术，对低压配电开关（断路器）进行集成化化、智能化改造、物联网化设计，赋予低压断路器更多的智能功能。使其成为能源互联网的最终端一环。通过本开关的所有能量信息、电量信息均通过基于Wi-Fi、5G（NB-IoT）通讯及加密web API技术的物联网进入到云端。彻底创新出一种能源与信息融合的智能断路器。有物联网技术支持，可以大大简化传统电气安装的施工调试过程，有效降低电气调试的复杂度和联调难度，由于采用Wi-Fi、5G（NB-IoT）通讯，用户只需完成设备的安装、调试和通电，即可完成设备的联网，大大降低改造区域的设备停运和系统停运时间。

在云端，架构了一个基于智能断路器的云服务管理系统，借助于智能断路器提供的模拟量、信号量、故障处理信息等数据，通过云服务平台与电能源管控系统构成无线互联的物联网系统，系统通过云技术，协同物联网上的多系统运作，动态响应用户的需求变化，为用户提供自主定义的标准化服务和前瞻性的定制化服务。

应用层面，用户可随时随地通过APP，网页，邮件等，关注所监控的设备或设备组群，系统自动发送运行告警信息推送到相应的运维人员，供准确定位，随时详细了解各配电线路及设备详细运行信息。智能化手段实现无人化值班和日常运维，减员增效。未来低压配电的系统图可以抽象为下图：

2.2架构

未来的配电网，宜采用基于云和物联网的配电智能体系架构。系统融合了云计算、大数据存储、大数据分析挖掘等互联网技术，并实现了 SCADA 系统、基础能源管理系统、高级能源预测优化系统、多介质综合优化系统的云端处理。系统采用物联网技术，准确定位故障点;数据统计分析，通过各种图形报表直观显示，提供良好的决策依据;支持无限设备接入，网络服务器（私有云或公有云）可进行集群化以及异地备份容灾;数据在通信与存储时，通过严格加密，保障数据与设备运行安全

2.3硬件

硬件设备包含：智能断路器、多功能电表、非电量数据采集设备、通信设备。随着智能断路器功能的不断集成，能力不断提升，传统的多功能仪表、非电量数据采集日趋式微，本文不作赘述。

智能断路器或者多功能仪表可采集主回路或者分支回路的全电量信息、告警信息、开关位置信息、温度信息等等。宜采用一二次设备真正完全融合的技术体系。通过系统重构设计。对结构设计、电磁兼容技术、一体化集成技术、铁磁合金传变技术、嵌入式技术等，将传统断路器与智能电子设备融合为一，成为具有智能的低压断路器。低压智能断路器兼具断路器的分合电路、分断电弧，控制器的可编程远程操作，电力仪表的电能质量监测、电度计量，微机综保装置的故障综合保护、测控、信号状态监测、工艺过程控制，节能补偿装置的无功投切，各类电参变送器的4-20mA信号输出，温控设备的4-20mA采样，通讯包含RS485和Wi-Fi、5G（NB-IoT），实现了低压电气一二次的全面融合。融合后的设备可实现高度智能化运算，具有人脸识别、信道加密、远程维护、移动巡检、空中升级等功能。

2.4软件

低压配电的云端软件宜具有实时监控、智能管理、辅助功能、在线交流等功能组成，其功能组成如下：

1、具备多个台区站点地图定位功能，具备台区站点通信状态和负载率、最低健康指数监测，当设备动作或者告警等重要事件发生时，系统会自动发送短信、APP推送到相应的运维人员，快速通知并调配抢修人员抵达现场。

2、展示装机总容量，可查看多个站点容量详情。可查阅本月、上月、每天用电能耗详情数据。总告警统计数据，当前告警详情列表，当有告警时，自动播放告警信息。

3、展示各站点运维状态及当前维护/抢修列表详情，站点无故障运行时间/故障平均处理时间/总覆盖面积。

2.4.1实时数据监测

实时数据监测主要分为：总览、系统图、信息分析、四遥列表、通信工程几个界面。其功能详情如下：

1、可切换不同台区站点，可展示各台区站点多个回路的实时负荷、本日最大负荷、本月最大负荷值等数据，可监测台区站点的健康指數分数，以及当前功率因数、尖峰平谷用电统计数据和能耗分类占比详情。

2、可展示一次图进线总电流电压数据和日、月、年、总电量数据，点击视频按钮可远程查看配电房视频，视频可存储最近20天录像。页面底部主要展示最近两月能耗对比详情，只显示历史数据。

3、右侧可展示台区变站点具体位置和占地面积、当前运维管理负责人电话、告警/巡检统计、运维计划详情和配电房环境监控，点击环境详情页面直接调转到系统图环境页面详情，方便用户查看多个房间的温湿度、水浸、烟感等实时状态。

2.4.2台区变系统总览图：台区变系统总览可显示各设备详细参数、运行数据等等。其界面和功能如下：

1、设备总览界面，可查询台区变压器、配电柜、配电箱的运行数据。

2、配电柜界面点进去可查看设备一次系统图，点击对应开关，可查询实时运行数据，数据每10秒刷新一次。

3、环境监控页面主要展示该台区变站点多个温湿度、水浸、烟感等实时状态，方便用户能清楚的看到哪个状态是否正常，能及时处理。

2.4.3信息分析：信息分析页面主要包含：历史曲线、趋势分析、尖峰平谷、能耗分析、告警统计、报表等数据统计功能，其功能详情如下：

1、历史曲线：通过各种图形、报表直观显示，历史曲线主要展示当前设备电流电压等数据，记录本日最高电流和最低电流及平均电流数据。可点击查询本日、上周、上个月、近3个月等历史数据。

2、趋势分析：主要展示该站点所有设备电流、电度、功率因数等实时数据，分析最近3天趋势状态，还可点击查询当天、当月趋势状态。

3、尖峰平谷：主要记录当天所有设备电度所用的电量及总价详情，最新数据只能看到前1小时的，可点击查询时、日等历史数据详情。

4、能耗分析：主要展示该站点所有设备用电的能耗占比分析，及当月能耗走势趋势，数据只能看到前一天的统计，可按天、按月、按年点击查询能耗历史占比数据统计。

5、告警统计：主要展示该站点所有告警统计数据及当月告警走势趋势，当发生告警重要事件发生时，系统会自动发送短信、APP推送到相应的运维人员，快速通知。可按天、按月、按年点击查询历史告警统计数据。

6、报表管理：主要有日报表、月报表、年报表等，方便客户随时查询，取代值班人员抄表，数据详尽记录，可导出文档存储。

3 进线及母联涉及的几个问题

随着技术进步，高压保护的相关技术和原理也逐渐开始应用在10kV配电。由于以光纤为主的通讯线材成本逐渐降低，现在在低压配电领域，已经出现了以本文介绍的一种低压光纤纵联差动保护，并可以成功运用在10kV配电的主变进线和380V出线之间，把原来这部分由于管理责任切分开的，缺失的保护给配置完备。简单配置如下图所示：

3.1进线

宜具备并集成低压进线开关所需的常规保护功能。框架开关一般应具有瞬动、延时速断保护、过流保护（定时限、反时限;一般、非常、极度和I2t四种曲线）、过负荷保护（反时限：一般、非常、极度和I2t四种曲线）、零序（接地保护）。

如果现场敷设光纤方便，可利用通过集成光纤接口实现从上级变电所出线开关到本线路末端配电变压器出线端的光纤差动保护。除本体保护功能外，还应该具有光纤口，完成低压进线开关和低压母联开关之间配合完成低压母联备自投功能。

计量功能，应具备0.5级电度计量，减少设计和辅助仪表选型安装。应具有全电量监测、遥信、遥控分合闸。还应具有开关环境温度监测、开关触头温度监测（外部温度传感器进4-20mA信号）。

3.2母联备自投

集成低压母联开关所需的常规保护功能。一般应具备框架开关一般应具有瞬动、延时速断保护、过流保护（定时限、反时限;一般、非常、极度和I2t四种曲线）、过负荷保护（反时限：一般、非常、极度和I2t四种曲线）、零序（接地保护）。与双路进线开关配合完成低压母联备自投功能。计量功能，应具备0.5级电度计量，减少设计和辅助仪表选型安装。应具有全电量监测、遥信、遥控分合闸。还应具有开关环境温度监测、开关触头温度监测（外部温度传感器进4-20mA信号）

一般有下列几种典型运行方式，其他方式的均可以抽象为这几种根本方式：

依赖于光纤通讯，可实现多个开关之间无二次联络线的进行状态传递和逻辑判断。简化设计和接线。

3.3负荷转供

随着电网自动化技术的深化及现场实施的增多，快速负荷转供技术已逐渐受到电力公司及研究人员的重视。负荷转供是指配电网发生故障并进行隔离之后，通过开关的操作以及部分不重要负荷的切除，在满足安全约束的条件下，快速优先恢复故障下游因受故障影响而失电的重要负荷供电的同时，也尽可能恢复其它负荷的供电。负荷转供是在配电网故障分析基础上进行的二次分析与自动化处理，有母联备自投的功能，但也有切除故障负荷的综合分析和操控功能。更依赖于一种集中式的处理单元来处理，从这个角度来说，云平台具有天然的优势。

4现场智能设备选型及应用

4.1智能框架开关

选用智能框架开关。DW9Z系列智能控制器包含DW9Z-2000和DW9Z-4000两种型号，适用于交流50Hz（60Hz），额定电压400V，额定电流1000-2000A（DW9Z-2000型）或2000-4000A（DW9Z-4000型）的配电网络中及船舶电力网络中，配合低压断路器用来保护线路及电源设备免受过载、短路和单相接地等故障的危害。智能控制器采用先进高速芯片，进行电流信号、电压信号处理和控制，目前利用互联网进行通讯，通过Wi-Fi与云端的高效无线通讯，实现智能化远程维护、移动巡检、空中升级;通过手机或其他移动终端方便地对断路器进行高效管理和运行监控。功能特点如下：（1）高精度全电量测量，包括电压、电流、四象限功率、电度、48次谐波;（2）配套高精度保护用互感器，直接采集系统一次侧电流;可实现前文所述的多种类型的完备保护功能（3）具备RS485有线和Wi-Fi无线通信方式，满足各种对于不同数据传输网络方式的要求。（4）具备多路DI，多路DO，可以检测开关状态，控制断路器或微断开关分合闸。（6）可采集3-4组母排触头温度，实现母线动环检测和故障预警（7）用户可以通过手机APP实时查看数据及操作，调试方便。（8）掉电后中控模块仍可有效延时工作，实现停电后数据上传，便于故障分析。

该框架断路器可采集全电量数据，实现遥测。可直接对断路器电操回路的控制，实现手机APP或者WEB端的遥控分合闸。可采集框架断路器分合闸状态，和开关跳闸信号，实现遥信功能。通过对DI、DO的灵活定义，实现其他的开入采集和开出功能。

负荷转供联络柜断路器由均有北京德威特提供整系列配套，该系列断路器在前面已介绍，自带遥测、遥控、遥信、遥调的四遥功能，只需将设备通过Wi-Fi通信连接到云平台即可。

4.2智能塑壳开关

塑壳开关全部更换成北京德威特智能塑壳断路器DM6Z-400和DM5Z-250，便可实现遥控、遥信、遥调、遥测功能。

遥测：可测电流、电压、四象限功率、电度、功率因数、频率、谐波、导线触头温度、开关内环境温度等等。

遥信：三段过流报警、保护，过欠压报警、保护（可选），过温报警、保护（可选），抗晃电报警、保护，缺相报警、保护等。

遥控：所有塑壳开关都装有电操机构，在开通权限的前提下，操作员可通过手机APP或者WEB端，进行远程分合闸。

遥调：所有塑壳开关可远程设置整定参数、可远程进行软件的升级。

4.3视频监控与一体化应用

视频监控系统选用海康威视、大华等主流厂家摄像头。以海康威视为例，海康威视的视频信息直接上传至海康自有云平台，该平台视频数据可通过接口进行共享。将此视频系统联网后，可将此视频数据接入至德威特云平台，智能台区手机APP或者WEB端能直接接收现场视频信息，可实现观测框架断路器实际分、合状态，以及入侵报警等功能，实现视频、电气数据的综合一体化监视和监测。

4.4动环监控与一体化应用

环境监控主要包括：温度、湿度、烟雾、臭氧、SF6+O2、水浸等，动力监控主要包括：风机、空调等设备监控。这些温度数据可通过4-20mA通道或者RS-485通讯接入德威特的DN600系列智能网关，通过智能网关将所有动环数据接入至云平台，通过云平台的提供的服务，实现所有动环数据的检测、越限报警、报警联动等应用。

4.5通讯

一般推荐像有电房改造或新建电房时尽量以光纤通路为宜，以保障各设备的通信。每个電房内需安装一商业级无线路由器。环境监控、动力监控的信息，通过德威特提供的智能网关连接到无线路由器。电气信息通过各智能断路器可通过Wi-Fi直接连接到无线路由器，将数据上传给云平台。

5 系统试运行

此站是一期改造升级，由于有些设备不便于全部拆除升级，所以按照建设思路先改造了低压断路器、负荷转供、动环监测等，二期再根据具体投资计划、升级要求进行全部的智能化改造。通过一期测试及现场运行，简化了设计，优化了设备运行与参数设置，增强了设备全方位的电气监控、非电量监控，强化了供电回路的可靠性，实现了既定功能，达到项目开发前的设定目标。通过物联网、云平台以及手机APP的应用。实现了智能台区所有电气信息的智能监控，达到了智能配用电的初步设计要求。

6 结束语

本文所述系统从全新的视角，从低压配电的核心元件着手，通过对低压断路器的颠覆性智能化创新，通过彻底的一二次融合技术，物联网技术，创新全新的智能低压断路器，从改变现有电网结构和运营模式入手，提高能源利用效率;强化用能管理，提升整体能效水平，本系统的建设能够促进产业链相关方技术创新、设备制造研发、新材料应用和新系统研究，对上下游产业链的技术升级和产业创新产生重要影响。

本系统基于物联网、云平台，以专业和信息融合为特征，依托云计算进行科技创新，拓展新兴信息服务业态推进网络信息技术与电力服务模式融合创新，对推动产业转型、能源智慧利用、实现能源基础设施建设转型等都有积极意义。

当然，创新从技术创新到工程创新、盈利模式创新和新业态还有很多路要走， 2017年开始，在行业内已经逐步开始了智能配电系统的概念普及，2019年初，国网也提出建设“泛在物联网”。从电力局、生产企业、智能楼宇行业客户应用和反馈来看，本文所述的智能配电系统极大提升了客户配电系统的智能化水平，符合行业和客户预期目标;同时行业、客户也给出积极反馈，希望系统能和火灾报警系统、智慧水务、智能能源开采等多行业整合出一系列更有针对性的行业解决方案。电力智能化方向已经深入人心并有望有更多行业同道和上下游企业一起，推进包括配电在内的整个电力系统的智能化水平和信息利用率，推动科技创新、企业发展和社会进步。

参考文献

[1]  段绪金;万代等;;农村智能低压配电台区监控管理系统应用研究[J];自动化与仪器仪表; 2018年04期

[2]  李培;趙越;; 组合式一体化配电台区的特点及其应用;供用电;2016年12期

[3]  魏吉超;;农网智能配电台区建设模式及关键技术研究[D];山东大学;2015年

[4]  张春喜;李朝阳;;农网智能化配电台区建设[J];大众用电;2012年03期

[5]  王帅;张峰;;配电台区改造及应用[J];农村电气化;2011年01期

[6]  岳红权;吴仰宇;李玉成;;农网智能化配电台区建设的研究与探讨[J];陕西电力;2011年04期

作者简介：赵湘文（1985.9），男，硕士，工程师，研究方向配网运维、智能配电。

黄恒硕（1985.10），男，汉，本科，中级职称，研究方向：输电运维检修。

聂进培（1969.08）男，工程硕士，高级工程师，研究方向配网运维及可靠性。

冯学松（1975.06）男，工程硕士，高级工程师，研究方向电网规划、配电网运维。

黄增武（1985.08），男，学士，高级工程师，研究方向配电自动化、智能电网。

李慧勇（1977.2），男，硕士，高级工程师，研究方向电力系统、智能配电。

汤逵（1987.4），男，大学，工程师，研究方向智能配电系统。