运用物联网技术对配电箱进行能耗监控及安全监测

2022-04-22张玥

智能建筑电气技术 2022年1期

张玥

(上海铁路文化广告发展有限公司，上海 200000)

0 引言

自“十四五”规划以来，国家着重强调了“坚持节能优先方针，深化工业、建筑、交通等领域和公共机构节能”的重要性。节能降耗、低碳运行成为当前社会经济发展的主题[1]。在面对能源供需格局新变化以及国际能源发展新趋势下，将物联网技术应用于电力领域符合历史发展的潮流。

近年来物联网技术在各行各业都得到了具体的应用与发展。物联网技术在数据感知及采集、传输和共享等方面具有明显的应用优势，对配电箱的能耗监控、安全监测也是具体的应用场景之一。在高铁车站中广告媒体的配电箱数量众多且分布的位置十分零散，如何实时监测它们的运行数据和状态具有一定的挑战性。由于物联网技术应用具有全面感知、可靠传输、智能处理的特点，因此利用物联网技术能够很好地解决这一难题[2]。

本文将阐述如何运用物联网技术，同时采用配电箱环境感知、电气感知等物联网传感单元和配电箱智能化运行智慧装置，开发出配电箱电力监控系统，此系统具有数值异常、状态异常报警功能。通过电力监控系统能够对配电柜的运行情况进行实时准确的展示，并且能够根据配电箱运行的实时数据进行进一步分析，发现其运行所存在的安全隐患，及时整改。

1 项目背景

1.1 改造原因

(1)能耗高。正常情况下，每天的23:00至次日凌晨05:30为高铁夜间保养、维修时段，在此时间段内车站是没有运营任务的，而遍布全站的广告屏却仍然在工作，徒然消耗了大量的电能，缩短了广告设施的使用寿命。

(2)现场运维工作量大，耗费人力。为了防止广告媒体配电箱因为供电故障和用电安全问题而长时间停止工作，就需要配备专业人员定期对广告媒体配电箱做技术巡检，但因各配电箱所在位置分散，导致现场运维任务繁重，人力资源消耗大。

(3)用电量统计繁琐。因车站中广告媒体用电是单独计费的，在电量统计方面依赖现场纯人工统计，既繁琐又存在错漏的可能性；历史用电数据无法方便的查询和分享。

(4)发生故障险情无法及时传送与得知。配电箱内部若因接触不良或用电线路超负荷都会造成配电箱内部过热、甚至起火，负载故障也会出现严重漏电从而引发电气火灾危及人身和设备安全。但因各配电箱都处于较为封闭的配电间中，发生故障险情却无法及时传送与得知。

当前阶段，为应对能源供需格局新变化、国际能源发展新趋势，将物联网技术运用到广告媒体配电箱，对进一步强化节能、提高能效，对从根本上破解资源环境瓶颈约束、助力经济由粗放发展向高质量发展转变有着重大意义[3]。为此，以维护便捷、管理高效、安全体验、绿色低碳、系统协同为建设目标，运用信息化手段和物联网技术建立人机交互平台(电力监控系统平台)，达到“监、管、控一体化”的闭环式管理，让数据变得公开透明化，为用户提供可视化管理、态势感知的综合解决办法。最终实现用能与节能、控制与管理的最佳结合，实现万物互联、互联互通的崭新局面。

1.2 项目概况

电力监控系统的设计基于物联网技术，如图1所示。智慧用电在线监控装置在配电箱电力监控系统的结构中处于核心位置，它的作用就是对数据进行分析、处理和计算。温度传感器、烟雾传感器、电流互感器、剩余电流互感器等传感器设备所采集的数据信息都需传输至智慧用电在线监控装置进行处理，通过装置内部的芯片进行程序分析和逻辑运算，进而实现配电箱内部各项数据的统计，得出配电箱的整体运行状态。与此同时采用屏蔽双绞线连接到4G DTU的智慧用电在线监控装置将采集到的数据通过RS485总线(modbus 协议)传输至4G DTU。4G DTU将数据转换成以太网信号(TCP/UDP协议)后传送至电力监控系统。电力监控系统将数据进行更深层次的计算转换、分析汇总，进行智能化可视化处理，从而实现友好的人机界面等系统功能。

图1 配电箱电力监控系统结构图

2 物联网技术在配电箱中的应用

2.1 基于物联网的配电箱能耗监控

在配电箱中，选择带有RS-485通信接口(modbus 协议)的智慧用电在线监控装置作为数据采集的核心设备，智慧用电在线监控装置结构如图2所示。

图2 智慧用电在线监控装置结构图(出自智慧用电监控装置说明书)

根据配电箱线缆负荷及负载功率选取符合测量标准的电流互感器，并通过线路改造将电流互感器接入智慧用电在线监控装置中，同时通过智慧用电在线监控装置中的电压、电流模块采集三相电压、电流数据，通过其内部芯片对数据进行分析处理，得出配电箱的有功功率以及其所使用的总有功电能等一系列电能参数。然后通过4G DTU将数据传输至电力监控系统，再经系统智能化处理可以在手机端、WEB客户端显示出配电箱实时的电参数，包括三相电流、三相电压、有功功率、有功电能、功率因数等。现场电路图如图3所示。表1和表2分别显示了使用电力监控系统前后一季(三个月)的南京南站、合肥南站广告媒体配电箱总耗电量对比。

图3 现场电路图

2.2 基于物联网的配电箱定时控制

现场配电箱中，在总断路器下级增加接触器，智慧用电在线监控装置通过内置的DO信号(继电器触点信号)控制接触器。在电力监控系统平台中可以下达合闸或分闸的指令，通过4G DTU传输给智慧用电在线监控装置，再由智慧用电在线监控装置控制接触器吸合或断开并保持状态，以此达到控制接触器下端负载上电或断电的目的。现场电路图如图4所示。

使用电力监控系统前后一季的南京南站广告媒体配电箱总耗电量表1

使用电力监控系统前后一季的合肥南站广告媒体配电箱总耗电量表2

电力监控系统平台具有独立的定时控制模块，可以灵活设定定时任务，实现配电箱下端负载的定时上电和断电。结合前述高铁车站的夜间检修时间，设定好配电箱的定时断电与上电时间，从而达到节能降耗、广告设备延寿、降低生产运营成本的目的。

图4 现场电路图

2.3 基于物联网的配电箱电气火灾监控

关于电气火灾监控，主要监控配电箱剩余电流(漏电流)、三相相线线缆温度、环境温度及烟雾传感器状态。现场电路图如图5所示。

图5 现场电路图

在配电箱中的三相相线线缆上和环境中安装温度传感器，并将其接入智慧用电在线监控装置的测温模块上，使装置能读取到配电箱三相相线线缆的温度和环境温度。温度传感器所测量出的温度值上传至智慧用电在线监控装置中，通过4G DTU传输至电力监控系统平台。根据日常配电箱管理的经验，配电箱内部温度不宜超过60℃，可以在系统平台中设置温度阈值为60℃，当配电箱中的三相相线线缆温度和环境温度的其中一项或多项达到设定的阈值时，系统平台自动报警，并给系统平台运维管理员和用户的手机发送报警短信。短信中包含所属站点、所属设备、告警发生时间、告警类型、具体告警内容等信息；在智慧用电在线监控装置中的报警参数设置界面中开启温度保护，设置温度阈值为60℃，当温度达到或者超过阈值时，智慧用电在线监控装置会发出刺耳的警报声，并记录这一报警事件，让用户实时掌控现场配电箱的温度情况。监控配电箱中的漏电情况，通过在配电箱中加装剩余电流互感器来监控配电箱的剩余电流，剩余电流是指低压配电线路中三相相线和零线中的电流矢量和不为零的电流。如果出现剩余电流过大，原因有很多，例如导线使用年久失修，其绝缘层老化破损；导线安装施工不规范；下端用电设备故障；使用钢管穿线时钢管内壁刮伤导线绝缘层等。如果线路存在漏电现象，不仅容易发生触电安全事故，甚至还会引起电气火灾。根据现场负载数量和性质，在智慧用电在线监控装置和电力监控系统中都设置阈值为300mA的漏电告警。如果剩余电流大小超过300mA，现场配电箱中的智慧用电在线监控装置将会发出刺耳的警报声，同时系统平台发出告警提示，并且向用户和运维管理员的手机发送告警短信。

监控烟雾传感器的状态。在配电箱内顶部加装工业级烟雾传感器，由于配电箱处于密封状态，配电箱内部若出现过载或者接触不良造成的热量累积，导致电线或电器元件阴燃和冒烟，早期不会被配电间内消防系统的烟雾报警器所检测到。若不在配电箱内加装烟雾传感器，当配电间内消防系统的烟雾传感器检测到有烟雾的时候，配电箱内部冒烟起火的情况已经持续一段时间，后果可能就会比较严重。通过在配电箱顶部安装烟雾传感器，可以实现配电箱冒烟的早期检测和报警。烟雾传感器检测到烟雾后就会发出刺耳的警报声。同时其将信号传输至智慧用电在线监控装置，智慧用电在线监控装置再通过4G DTU将信号传输至系统平台。系统平台采集到告警信息后发出告警提示，并且向用户和运维管理员的手机上发送告警短信。

3 评估分析

3.1 电能消耗量分析

图7是2020年10月～2021年3月南京南站高铁站广告媒体配电箱耗能统计图，由于2020年10月～2020年12月没有详细的月耗电量，只能取2020年人工抄表的后半年月平均耗电量作为这三个月每月的实际耗电量。由图7可知，在2021年1月该高铁车站使用了配电箱电力监控系统后，广告媒体配电箱的电能消耗量明显降低。

图7 2020年10月～2021年3月南京南站高铁站广告媒体配电箱耗能统计

图8是2019年2月～2019年7月合肥南站高铁站广告媒体配电箱耗能统计图，由于2019年2月～2019年4月没有具体的月耗电量数据，所以将人工汇总的电费金额除以单价后计算的月均值，再剔除15%电损数据，再减去LED大屏数据后得到的数据作为这三个月的每月实际耗电量。由图8可知，在2019年2月该高铁车站使用了配电箱电力监控系统后，广告媒体配电箱的电能消耗量明显降低，电能消耗量总体平稳。

图8 2019年1月～2019年6月合肥南站高铁站广告媒体配电箱耗能统计

3.2 实际投资回收期

分析图7和表3内的数据可知，南京南站耗电量取2020年10月～2020年12月耗电量的平均值488 856.35kW·h为基准，2021年1月广告媒体配电箱耗电量减少58 108.78kW·h，2021年2月广告媒体配电箱耗电量减少118 651.44kW·h，2021年3月广告媒体配电箱耗电量减少78 590.82kW·h。

南京南站实际节能费用表3

表3给出了南京南站使用电力监测系统后实际的节能费用。由表3可知，实际投资回收期为1 047 468 元(合同费用)÷231 194.831 6元/季≈4.53季，折算成月也就是大概13.6个月成本即可收回。

分析图11和表4内的数据可知，合肥南站耗电量取2019年2-4月耗电量的平均值 279 860.08kW·h 为基准，2019年5月广告媒体配电箱耗电量减少46 891.47kW·h，2019年6月广告媒体配电箱耗电量减少33 825.06kW·h，2019年7月广告媒体配电箱耗电量减少41 368.38kW·h。