智能配电系统在智慧建筑的应用探讨

杨光辉, 唐 颖

[施耐德电气(中国)有限公司, 北京 100102]

0 引 言

随着城市人口的快速增长,各国都在为实现全球可持续发展目标而不懈努力,而CO2排放量占到40%的建筑成为了实现此目标的关键,建筑将向更高效、更绿色的方向发展。未来智慧建筑应具备可持续发展、高效、以人为本及弹性等特质[1]。建筑的智慧化升级势必要求配电系统随之升级。本文阐述和探讨了智能配电系统在智慧建筑的应用、智能配电系统关键功能,以及对未来智慧建筑的应用价值。

1 传统配电系统面临的挑战

智慧建筑将实现建筑的绿色、健康、高效、可持续发展,强调建筑使用者的安全性、便捷性、舒适性。智慧建筑除应满足建筑功能、使用等基本需求外,还应为建筑的使用人员提供100%可用且零安全风险的电力供应。电力供给在智慧建筑的运行中起着关键的作用。

随着智慧建筑的管理需求逐步提升,传统的配电系统在配电系统整体运行维护、设备资产管理以及供电连续性监测和分析等方面,已无法满足未来智慧建筑智慧化运营和对系统的全生命周期运行管理需求。

未来智能电网中,将会有越来越多绿色清洁的分布式能源作为新型的供电电源出现在智慧建筑中,在缓解能源危机和确保用能经济性的同时,也对电气系统提出了更高、更复杂的要求。

随着5G技术的应用、边缘端数据中心的建设,未来的智慧建筑对供电连续性也提出更复杂需求,配电系统为了实现更可靠供电供给,需要对潜在的故障隐患进行分析,配电系统需要关键的升级迭代来适应未来配电系统预测性维护的管理需求。

传统配电系统已无法满足智慧建筑的需求,配电系统需要进行智能化升级,以适应未来绿色智慧建筑提出的新要求。作为支持建筑运行的关键能源,建筑配电系统在未来必将融入智慧建筑的整体运行维护,智能配电系统作为智慧建筑的关键组成部分,应能与其他系统之间进行有效衔接和融合。

2 智能配电系统给智慧建筑带来的价值

智能配电系统是在传统配电系统基础上,通过智能硬件、网络通讯设备、监控管理软件Power SCADA和/或物联网(IoT)云平台,在网络安全要求前提下,完成智能硬件设备的统一接入、统一存储以及统一管理,实现配电系统的智能化升级[2]。智能配电系统可对配电系统实时运维监测、配电设备资产管理、电能质量的监测分析以及电能利用效率的持续追踪分析。从智慧建筑的监测管理和智慧运维角度,智能配电系统能给智慧建筑带来以下三大价值。

(1) 在传统运维管理的基础上进行关键产品的数字化迭代升级,实现配电设备资产管理,进行关键故障定位和预测性维护运维。

(2) 构建配电系统的全景数据,满足配电系统的数据完整性、一致性和准确性的要求,并和智慧建筑的其他基础设施有效衔接、关联分析,确保对关键负载的连续可靠供电。

(3) 有效监测分析供电质量和电能利用效率,对配电系统的信息统一存储和处理,提供统一规范的数据访问服务,对能源的质量,以及能源的使用状况进行有效分析评判,使智慧建筑中的智能配电作为智能电网的关键环节融入未来城市智能电气网络。

3 智能配电系统组成

智能配电系统包含配电系统软、硬件,应采用开放式的、易于扩展的体系架构和平台。配电系统中的关键设备可进行数字化升级迭代,在整体的架构上,分为现场设备层、网络通讯层、边缘控制系统和云端应用层。智能配电系统架构如图1所示,不同的层级最终功能应按照不同需求进行灵活配置来实现。

图1 智能配电系统架构

智能配电系统的数据来源于中低压配电系统的智能断路器、多功能电表、智能传感器、计量设备等,通过标准化接口实现运行、预警、报警、故障、资产运行信息、设备故障等信息的追踪和分析,实现配电系统的运行和运维、电气设备资产以及电能质量和能源效率的持续监测、追踪。

现场设备层由具有通讯能力的智能低压断路器、多功能电表、智能传感器、智能电能质量监测单元和智能辅助监测设备等构成。采集数据的关键设备如下:多功能电表,用于采集一次配电回路的运行参数;智能电能质量监测单元,可提供对电能质量的监测、分析、治理,并提供相关的数据通讯接口;智能传感器,用于在智能配电系统中辅助监测环境的信息、运行工况信息;智能辅助监测设备,提供操作辅助电源、特殊数据接口,具备完成报警和关键运行参数的采集和数据通讯功能。

网络通讯层包含支持特定架构的通讯处理设备。数据通讯网关提供关键的协议转换,通讯接口转换设备对部署在云端的IoT云端平台能够同时提供4G、5G等网络通道,打通数据向云端汇聚的通路。网络通讯设备包括交换机、路由器等通讯设备,为智能配电提供系统内通信服务。

边缘控制层包括为实现监测运维功能需要提供的监控系统软件,以及监控管理服务器、操作员工作站、工程师工作站、网络时钟源等设备。

云端应用层应包含IoT云端平台。IoT云端平台是满足智慧建筑管理需求而建设的数据计算和数据存贮资源,包括建立云端平台所需的数据中心硬件、软件环境,以及针对智慧建筑管理提供的网络通道、电脑软件以及手机应用APP。

智能配电系统需要系统规划和设计使用配置工具软件、监控控制终端软件。配置工具软件应用于配置现场设备层、网络通讯层、边缘控制层以及IoT云端平台。配置工具软件应具备以下特点:针对现场设备层设备,提供针对性的系统参数设置软件,对设备的运行参数、通讯参数以及资产信息进行设定;针对数据通讯网关,提供针对性的通讯参数、数据汇总和转发、端口进行配置的软件;针对监控管理软件,提供设备通讯参数、数据分析、数据保存、报警和历史数据、HMI图形界面编辑组态工具;针对IoT云端平台,提供云端平台的数据汇聚组态工具,在IoT云端平台提供界面显示和配置的界面。

智能配电监控控制终端软件用于智能配电整体监控,各个不同的工作站用于界面配置、显示节点,完成基本数据采集、冗余和集群部署以及数据存储分析。提供CS、BS部署方式等,需要满足未来智慧建筑运行管理需求。

智慧建筑中的智能配电系统纵向可与智慧建筑中某些特定应用中的特定上层信息管理平台融合,如与智慧建筑综合楼宇集成管理平台iBMS(智能建筑管理系统)进行信息分享和传输;与楼宇能效分析管理系统进行数据分析和传输。智能配电系统横向可以与智慧建筑中其他智慧子系统,或者设备、控制器进行有效的数据交互和功能融合,可以在监控管理软件或者现场设备中直接或者间接进行数据交换,方便不同的系统在专业平台层级进行有效的数据关联分析。

4 智能配电系统实现的功能

智能配电系统应能实现数据采集和处理、运行维护管理、电气资产管理、电能质量管理、电能效率管理功能。

(1) 数据采集和处理应具有状态数据采集、测量数据采集及数据处理和存储功能。

(2) 运行维护管理应具有远程浏览和监视、配电系统的可视化监测、操作与控制、智能报警、曲线和趋势、运行报表功能及检修工单管理等功能。

(3) 电气资产管理应可采集设备台账信息、具备设备缺陷管理、设备定值管理及电子文档管理功能。

(4) 电能质量管理应包括电能质量监测分析、电能质量的补偿治理功能,保证智慧建筑中设备用电可靠、安全。

(5) 电能效率管理应包括电能分析管理功能,通过分析图表,发现影响能源效率的关键因素,并帮助发现电能使用的最佳实践,帮助推进节能措施。

智能配电系统具备相应的智能算法,能够对历史运行的数据进行有效的管理分析,通过系统数据分析和发现配电系统的潜在隐患,帮助智慧建筑实现预防性运维管理。

5 智能配电在智慧建筑中的应用

智能配电在智慧建筑中应提供电脑客户端程序、Web客户端、手机APP等多种方式,供智慧建筑的运维工人、运维管理人员灵活选择。

(1) 对于智慧建筑中的关键用电负载,应设置实时监控管理系统,与智慧建筑管理大系统实现数据交互,同时关键电气资产设备与IoT云端平台同步,实现运行维护管理、电力资产管理、电能质量管理以及能源管理功能。

(2) 对于中小型智慧建筑,可设置实时监控管理系统并与智慧建筑管理平台融合,并完成关键电气资产与IoT云端平台同步,实现运行维护管理、电力资产管理,以及能源管理功能。

(3) 对于智慧建筑群或者集团性的智慧建筑,灵活设置实时监控管理平台和/或IoT智能配电管理平台,与集团性云端平台进行数据交互同步,完成关键电源的管理、运维和电子化工单,实现实时运行维护管理、离散站点统一管理功能。

6 智能配电系统网络安全

智能配电系统在设计规划时需要充分考虑数据安全性,满足智慧建筑特殊用户数据安全需求。在没有特定需求时,应充分评估数据安全性,满足GB/T 22239—2019《信息安全技术 网络安全等级保护基本要求》中相应等级的基本要求,根据GB/T 22240—2020《信息安全技术 网络安全等级保护定级指南》确定合适的网络安全保护等级。智能配电系统对网络安全需求包含可用性、完整性和机密性等,并应符合下列规定。

(1) 对接入系统的关键供电设备执行身份鉴别和访问控制,宜参考GB/T 37093—2018《信息安全技术 物联网感知层接入通信网的安全要求》。

(2) 确保智能配电系统的数据传输安全,宜参考GB/T 37025—2018《信息安全技术 物联网数据传输安全技术要求》。

(3) 确保接入系统的关键供电设备的自身设备安全,宜遵循GB/T 36951—2018《信息安全技术 物联网感知终端应用安全技术要求》。

(4) 智能配电系统应充分考虑自动保护、容错和恢复能力,通过对输入数据的有效性校验来确保输入的数据符合系统要求,并在故障发生时能自动保护当前所有状态,保证系统能够恢复正常运行。

(5) 如受条件限制,物联网设备无法实现上述要求时,应由智能配电监测管理SCADA后台或实现同等功能的系统,或通过管理手段实现控制,确保智慧建筑的供电安全性。

7 智能配电系统可用性和完整性

智能配电在规划、建设、运行期间需要充分考虑系统的可用性。智能配电可用性需要通过关键的中低压智能断路器的保护功能、控制功能、监测功能等不受到外部安全因素的影响,在其运行时能正确处理所需信息,在其遭受攻击时,有能力抵御攻击或快速恢复正常运行。智能配电可用性是智能配电系统最重要的安全需求,也是最重要的安全性能衡量指标。

智能配电系统应充分考虑完整性,保证智能配电的相关信息在传输、存储和处理过程中不能被未授权更改或破坏的特性,即信息在传输和存储过程中保持不被偶然或蓄意的删除、修改、插入等。

智能配单还应充分考虑保密性,关键信息不被泄露给未授权的用户、实体或过程,或其控制功能不被利用。

8 结 语

智能配电系统在实现安全、绿色、高效、舒适、智能的可持续发展的未来智慧建筑中起着至关重要的作用。针对不同的项目和应用场景,电气行业从业者应能在智慧建筑的设计、实施、检验以及运维阶段熟练掌握智能配电系统的系统构成、可实现的功能以及对于网络安全的要求。