智慧配电系统监测软件的创新研究

汤纪元， 张雅维

(中国建筑设计研究院有限公司，北京 100044)

0 引言

随着我国经济和生活水平的不断提高，能源消耗与环境改善问题受到了社会各界的密切关注。为实现可持续发展的目标，节能降耗成为了首要任务。 为此，国家明确提出要加快智慧电网以及智慧城市的建设。 智慧城市的建设要求楼宇具有智慧的特性，这其中智能配电系统又是建设智慧大楼的重中之重。

在认识到传统的变配电监控系统缺少智能配电的功能后，笔者所在单位着手研究开发了一款智慧配电监测软件。 该软件以传统变配电系统框架为基础，建立了新型的智能配电保护与管理网络，除能实现配电保护、数据测量、故障报警等功能以外，还能实现配电系统及用电设备的协调控制、建筑物内电力的优化调度、运行数据采集及分析、潜在运行风险预知、系统维护辅助决策等功能。

1 智慧配电系统监测软件研究的必要性

传统变配电监控及能源管理系统采用分层分布式的网络结构，整个系统分为现场采集层、通信层及系统软件层。 系统通过现场智能仪表采集数据，经通信层将数据传输至监控主机，进而完成对各低压回路和特殊功能区的计量。 但对于所采集的数据，能源管理系统以计量为主要目的，缺少统计分析，管理人员无法直观地掌握建筑内各功能分区、各负荷等级的用电情况。

其次，现有的配电监控系统缺少低压侧负荷主动调配功能。 笔者调研发现，实际工程中经常会出现两台变压器负载率相差较大的情况，由于负荷分配不均匀导致变压器能耗加大。 由此考虑通过动态调整一、二级负荷的主备回路，以达到平衡两台变压器负载率的目的。 负荷的均匀分配可以使变压器整体的损耗降至最低，这对于节约电能具有重要意义。

第三， 当一路10kV 电源故障断电或一台变压器发生故障退出时，现有的配电方案为由另一台变压器负担全部的一、二级负荷，三级负荷均采用失压脱口器或分励脱扣器自动卸载。 但在实际工程中，此时变压器仍有大量冗余，而很多照明、空调等三级负荷同样重要且有使用需求。 导致此时管理人员往往难以根据变压器的带载情况选择重要三级负荷投入运行，导致断电范围大，浪费了可用资源。 通过改进，智慧配电监测软件预先由运维人员对三级负荷重要性进行排队，在故障发生时通过实时监测变压器负载率，在变压器可带载范围内按照三级负荷重要性自动进行投切，有效保障了各级重要负荷供电的连续性。

基于上述原因，笔者所在单位将对智慧配电管理系统研究的重心放在整体架构的顶层——系统软件层。 在充分利用现有终端智能仪表和传输系统完成数据采集后，通过更完善的数据统计分析及负荷智能调配，进一步优化楼宇监控系统。

2 智慧配电监测软件的主要功能

2.1 显示建筑供配电关系

软件首页显示该项目变配电系统关系图(效果同模拟屏)。 可在该页面点击进入一组变压器的低压系统图。

该窗口可整体显示低压配电系统图，也可局部放大，显示某一配电回路及该回路的运行状态和信息(电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、开关开合状态等)。 通过点击元器件或点击嵌套式下拉菜单，可以显示元器件参数及状态。 在低压系统图页面内，通过点击某一低压配电回路，即可显示该回路的干线系统图。

通过这种方式，管理人员可以清楚掌握建筑的供配电关系。 同时，系统设置有报警功能，如当变压器温度过高或是某个回路运行电流超过开关整定值时，系统会在首页予以闪烁提示，管理人员可以直接发现系统故障点。

2.2 分类别显示负荷运行情况

首先根据设计文件，人工录入各回路的初始参数，主要包括:(1)负荷等级(特级、一级、二级、三级)；(2)负荷性质(消防负荷、非消防负荷)；(3)负荷类别(照明、电梯、制冷站、热力站、空调设备、中水、给水、排水设备、景观照明、厨房、可再生能源、其他等)；(4)负荷功能区域(各租赁区、内部管理区、公共区、车库等在建筑内有独立运营需求的场所)；(5)设备容量(Pe)、计算容量(Pj)、计算电流(Ij)、功率因数(cosφ)等。

通过以上初始数据，系统后台可以计算出各等级、各类别负荷初始设计的计算总容量。

其次，由末端表计采集实际运行数据，主要包括:(1)总进线处运行数据:电流(I)、电压(U)、功率因数(cosφ)、有功功率、无功功率、频率、相位角、谐波电流、接线端子温度等；(2)馈出回路运行数据:电流(I)、电压(U)、功率因数(cosφ)、频率、相位角、谐波电流、接线端子温度等。

通过以上初始数据，系统后台可以计算出各等级、各类别负荷实际运行总容量。 并生成各类饼状图，主要包含:(1)生成各负荷等级(一、二、三级负荷)实际运行容量与设计容量之比；(2)生成各负荷等级运行容量占变压器额定容量百分比；(3)按负荷类别统计运行容量。

管理人员可以根据需要调取各类饼状图，实时掌握建筑物负荷运行情况。

2.3 变压器负载率监测与低压负荷动态调配

通过智能调配低压负荷，可以使变压器运行在经济运行区间内，从而达到节约电能、降低损耗的目的。 因此，首先需要计算确定变压器的经济运行区间。

(1)确定变压器经济运行区间

1)录入变压器原始参数

变压器装机容量(SN)；变压器空载电流百分比(I0%)；变压器短路电压百分比(UK%)；变压器空载损耗(P0)；变压器额定负载损耗(PK)等。

2)计算变压器空载无功损耗Q0

根据录入的变压器空载电流百分比I0%和变压器装机容量SN， 计算变压器空载无功损耗，如式(1)所示。

3)计算额定负载无功功率损失QK

根据录入的变压器短路电压百分比UK%和变压器装机容量SN，计算变压器额定负载无功功率损失，如式(2)所示。

4)计算空载综合功率损失P0Z

根据计算的空载无功损耗Q0和录入的变压器空载损耗P0，计算变压器空载综合功率损失，如式(3)所示。

式中，根据《钢铁企业电力设计手册》表6－1，KQ取0.04。

5)计算额定负载综合功率损失PKZ

根据计算的额定负载无功损耗QK和录入的变压器额定负载损耗PK， 计算变压器额定负载综合功率损失，如式(4)所示。

图1 变压器经济运行曲线

(2)实现一、二级负荷主备电源调配功能

在确定了变压器经济运行区间后，假设1＃变压器负载率超出区间，软件通过计算给出主备回路的调整方案，使部分由1＃变压器供电的负荷调整为由2＃变压器供电，使1＃变压器负载率重新回到经济运行区间内。 软件弹出提示，选择“是否调整主备关系，确保变压器运行在经济运行区间”，当运维人员选择“是”时，系统通过远程电动操控分合闸，完成主备电源调配。

(3)实现提示变压器退出运行的功能

根据GB/T 13462－2008《电力变压器经济运行》A.8 共用变压器经济临界综合负载视在功率的计算及式(A.18)推算可得式(6):

式中，β1、β2分别为两台变压器的负载率。 即当两台变压器负载率的乘积满足式(6)时，系统退出一台变压器，由另一台变压器负担所有负荷更为经济合理。 此时系统提示“变压器负载率过低，建议退出一台变压器”。 如果后续负荷用电量增加，变压器负载率超出最佳经济运行区间时，软件提示“恢复另一台变压器运行”。

此功能仅应用于一组变压器所带负荷均为三级负荷的情况下，如果初始设定时，低压馈出回路有定义为一、二级负荷的回路，软件自动关闭本功能，优先保证一、二级负荷供电的可靠性。

(4)实现当一台变压器非正常退出时，软件提示三级负荷投入和卸载的功能

在原始数据录入的过程中，运维人员首先根据项目需求情况，将所有低压馈出回路中的三级负荷回路按重要性进行排序。 当一路市电停电，或一台变压器因检修、故障等原因非正常退出时，另一台变压器除保证所有二级以上负荷正常运行外，还可以根据变压器剩余容量，按照重要性顺序投入部分三级负荷，尽可能缩小断电范围。 软件可以发出提示，经运维人员确认后按顺序依次投入三级负荷。如果后续负载率上升至设定的上限(如100%)，软件按反向顺序卸载三级负荷。

2.4 运维管理功能

系统登录后，菜单栏中包括档案管理、设备统计报表、系统管理三大板块，可分别点击进入。

(1)档案管理

该菜单下子菜单有:设备档案管理、设备分组管理、配电回路管理、变压器组管理、规章制度管理、技术资料管理、设备维护管理。

1)设备档案:该模块主要用于查询各类设备的档案，如变压器、配电柜、智能终端、柴油发电机组、智能中集器等设备的品牌、容量、安装日期等信息。

2)设备分组:该模块用于区分各类设备具体分组，可查看每个分组下具体设备。

3)配电回路:该模块用于管理设备回路信息，包括该回路的性质、类别、容量等。

4)变压器组与柴油发电机组:该模块包括变压器组和柴油发电机组的使用情况，并会根据变压器负载情况与突发应急情况调整各级回路的使用与卸载，并弹出相应的警告信息。

5)规章制度:该模块用于管理上传、下载各类规章制度。

6)技术资料:该模块用于管理上传、下载各类技术资料，包括竣工图、验收报告、产品资料等。

7)设备维护:该模块主要用于记录变压器、柴油发电机组等设备的维护、维修信息。

(2)设备统计报表

该菜单下子菜单有:设备功能分类记录、变压器运行记录、各级负荷及各类负荷计算容量统计及占比、建筑物用能设备卡、变压器曲线检测、回路电流曲线检测等。

1)设备功能分类记录:该功能用于查询设备功能分类报表，如照明、空调、动力、风机、电源等功能分类下查询所有设备信息。

2)变压器运行记录:该功能用于查询变压器24 h 内不同时间阶段变压器的使用情况。

3)负荷计算与容量统计:该功能用于统计变压器的各级负荷情况与各类负荷容量及占比，包括每台变压器、每组变压器、柴油发电机组的运行占比情况(饼状图统计)。

4)建筑物用能设备卡:该功能用于建筑物用能信息统计。

5)变压器曲线检测:该模块功能点主要有变压器负荷类别曲线、变压器负载温度曲线、变压器负载率损耗曲线等。

6)回路电流曲线检测:该模块查询变压器下所有回路的A 相、B 相、C 相电流曲线以及报警临界值对比。

(3)系统管理

系统管理菜单下有:用户管理、修改当前用户密码子菜单，该模块由系统管理人员维护用户信息时使用。

1)用户管理:该模块由管理员管理维护用户信息。

2)修改当前用户密码:该模块用于当前用户修改密码，管理人员系统初始化阶段会统一设置默认密码，后续由个人自主设置密码。

3 结束语

构建建筑智慧配电管理系统，有利于对系统和设备的全方位监管，便于后期运营维护，使传统变配电系统升级为在统一平台下具有高度信息化、自动化的互联互知的智慧配电网络，对实现各级配电系统的监控，保障供电的连续性、安全性、节能性、交互性和统一性均有积极作用。

建筑智慧配电系统涉及的内容庞大复杂，需要录入读取大量数据并进行计算分析，以满足各个子系统的应用需求。 由于时间仓促，本软件功能尚有很多不足之处。 尤其在变压器智能负荷调配方面，该功能实现需要考虑配电系统各种运行工况，本软件提供的调配方案可能还有很多不合理、难以实现的地方，需要后期在实际应用中不断的完善更新。不当之处请业内同行指正。