智能配电监测系统设计及研究

袁 剑，田 成，杜 荥，张 芹，余 鹏

（1.武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北 武汉 430000；2.国网湖北省电力有限公司技术培训中心，湖北 武汉 430000）

0 引 言

配电系统是建筑的总电源与建筑内各种用电设备间的电能传输通道的总和，也是进行电能分配装置的总称，是建筑电力系统中极为重要的一部分。大多数情况下，建筑在建设过程中会配置配电监测系统对配电系统的运行进行监测。过往传统的配电监测系统在实际工作中主要通过在各个用电设备或电流传输关键通道处设置互感器的方式来采集建筑的用电信息，实现对建筑内电压、电流的变化实时监测。但这种传统的方式由于其功能单一、智能化不足、难以远程管理等缺点，目前已渐渐无法满足建筑配电监测的需求。智能配电监测系统已成为当下建筑配电系统发展的关键点之一。因此，本文针对智能配电监测系统展开设计与研究，具有一定的现实价值[1-3]。

1 智能配电监测系统的设计

1.1 智能配电监测系统的信息需求

对于智能配电监测系统而言，其主要工作目标与传统配电监测系统是相同的，即实时监测建筑中电压、电流等的变化情况。因此，智能配电监测系统应具备的功能包括：（1）收集系统监测到的配电网、电站等状态变化信息；（2）信息的传输与反映；（3）智能决策并下达相应指令等。分析上述功能可以得出，构建智能配电监测系统所需求的信息如下：（1）上级系统与智能配电监测系统之间传输的远程控制指令信息与配电网状态变化信息等；（2）电源监测系统、建筑内用电设备等传输至配电监测系统的电站状态变化信息、电路负载状态变化信息、配电板绝缘状态变化信息、设备负载运行状态变化信息等；（3）配电监测系统向外传输的各种控制指令信息[4]。

1.2 智能配电监测系统的架构

本文设计的智能配电监测系统的主要结构如图1所示，包括主站、从站、采控终端、通信网络等。对于大多数建筑而言，一般一所建筑会配备1 个电力系统主站，在主站中会根据建筑用电需求设置一定的配电显控终端，并同步设置相同数量的配电区域控制中心。其中，配电显控终端的主要作用是为建筑管理人员提供控制配电的操作界面，而对应的配电区域控制中心则主要对日常配电操作进行数据储存及智能化辅助控制等，这2 种装置就是本文设计的智能配电监测系统的中心[5-7]。

图1 智能配电监测系统架构

在主站的基础上，从站的假设数量主要取决于建筑主要用电终端的数量。智能配电监测系统的从站工作主要由现场采集控制中心完成，现场采集控制中心首先会对自身控制区域的配电情况进行实时监测，同时还负责向采控终端传输来自上层通信网络下达的各种控制指令，是智能配电监测系统中起到承上启下作用的一层[8]。

智能配电监测系统的底层主要由大量采控终端组成，其主要作用为采集建筑中配电网的信息，并对建筑中的用电设备下达指令等。除此之外，智能配电监测系统还需要配备完善的通信网络，以此支持系统主站、从站以及终端层之间信息的传输，为3 层网络的沟通交流搭建渠道。

1.3 智能配电监测系统的网络架构

在本文设计的智能配电监测系统中，系统的网络架构主要由以太网、局域网2 种网络的控制器、总线构成。影响建筑配电信息传输的因素较多，其中包括：（1）需传输的配电信息总量；（2）配电信息传输的整体距离；（3）建筑本身的网络基础设备配置；（4）网络设备的硬件接口形式等。对于智能配电监测系统的上层网络而言，其需传输的配电信息总量本身较多，因此在设计总线时主要以太网为中心；而对于下层网络而言，其主要完成数据采集工作，则总线形式以生成式对抗网络（Generative Adversarial Network，GAN）更加适宜[9-10]。

对比以太网网络和GAN 网络2 种总线方式，以太网更加稳定，传输信息的速度更快，拓展性较强，在后期进行网络维护时也更加方便，而且在我国各种建筑中应用以太网建设配电监测系统信息网络的频率相对较高。在建设建筑配电监测系统时，将以太网作为上层网络的基础，可以在系统中将数据信息采集、配电指令下达、配电情况监测等功能进行分区，各个区块的网络节点独立存在，使得网络总线的工作压力得到减轻，有效提升智能配电监测系统的使用年限，减少其在日常运行中受到的损伤。

与此同时，GAN 网络在阐述信息时，其速度与距离呈现负相关关系，即信息传输的速度越快，距离就越短，而信息的传输距离较长，则速度就会相对减慢，具体如表1 所示。使用GAN 网络作为建设智能配电监测系统下层网络的基础，能够基本满足下层信息数据的收集及指令下达工作，同时对于建筑的各种用电设备而言也更易进行接口配置。

表1 GAN 网络信息传输速度与距离间的关系

1.4 智能配电监测系统的智能化设计

建筑智能配电监测系统的智能化设计主要集中在智能化电能提供与分配上。首先，智能化电能提供指智能配电监测系统能够根据监测到的信息数据计算获得建筑电路网络的用电需求，进而对各大电站下达指令，智能化地对电站进行运行管理，实现电站的远程管理，减少建筑电力管理中人力资源的消耗。其次，智能化电能分配指智能配电监测系统能够根据建筑内各个用电设备的用电需求，对建筑整体电能资源进行科学合理的自动分配，减少电能在传输与使用中的消耗，同时减少管理人员综述，是实现人员精简的目标。

为了优化智能配电监测系统的电能提供与分配，本文展开的智能化设计主要包括智能分级负载体系和智能配电路径选择，具体如下文所述。

1.4.1 智能分级负载体系

智能配电监测系统中的智能分级负载体系的主要作用是根据建筑整体的电力负载要求，以多种算法将负载要求进行优先级排序，并自动进行负载的切除，尽可能在不影响建筑用电设施运行的情况下，减少电力负载压力。

当建筑的配电网出现波动时，可能会使得建筑电站出现超负荷运作的情况，此时派点监测系统中的主站会下发减少电力负载的相关指令。从站收到主站的指令后，根据算法得出的优先级排序，向非重要终端发出指令，关闭电能传输。在此之后，若减少的电力负载依然不足，则从站继续发出二级电力负载减少指令，科学合理地切除建筑中的用电负载。减少用电负载的全过程分别由配电区域控制中心、现场采集控制中心、采控终端自动执行，信息传输通道为建筑整体的通信网络，全过程都不需要额外加入人力资源进行工作。

1.4.2 智能配电路径选择

当建筑需要同时使用多个用电设备时，各个用电终端向系统上层发出启动申请，此时智能配电监测系统会立即分析建筑配备电站的运行情况，并结合各种算法给出各个用电设备的最优配电模式，以智能配合人力的形式向建筑管理中心提出配电的最佳路径，实现智能配电路径的选择。

在实际应用中，智能配电路径的选择标准具体如下：（1）当建筑的主电站与备用电站二者在日常运行中为并联模式时，电能主要提供电站应选择实际上电力负载相对较小的电站，这样能够使得在电能使用总量增加后，主电站与备用电站之间的跨界电流较小，减少重电力负载对电站及其他设备的不良影响；（2）当建筑的主电站与备用电站的运行完全独立时，则主用电源应选择电源负荷率较低的电站，以此平衡电站中发电机的负荷率，提升电站的发电效率，维护配电网的电流稳定性。

在建筑的配电网运行稳定，建筑内多个用电设备发出启动请求后，本文设计的智能配电监测系统中的智能配电路径选择功能会向主电站及备用电站下达主用电源选择指令，2 个电站立即开始进行主备电源切换工作，工作完成后向系统上报信号。在此之后，智能配电监测系统向用电设备发出允许启动信号。智能配电路径的选择以半自动模式运行，首先由专业人员根据建筑用电的实际情况做出配电策略，其次由智能配电监测系统进行智能优化，待配电策略制定完成后，后续执行工作不需要再次加入人力资源，由系统自动完成。

若在建筑的主电站与备用电站能够实现主用电源的不间断转换，则用电设备已经被启动，会导致建筑整体配电网受影响产生波动。此时主电站与备用电站的负荷率出现失衡现象，当不均衡的程度较严重，超出了危险指标时，智能配电监测系统会及时根据智能配电路径的选择策略自动调整此时建筑中的配电路径。若主用电源无法实现不间断转换，则用电设备的启动同样会导致2 种电站的负荷率失衡，此时智能配电监测系统无法进行自动调整，会及时向相关管理人员传输警告信号，并给出配电路径优化建议，结合人工完成配电路径的调整。

2 结 论

目前，我国智能建筑的发展速度不断加快，人们对配电管理、监测与控制有了更高的需求，对于相关系统的要求也越来越高，而传统配电监测系统无法实现远程操控，智能化程度较低，无法与现代智能建筑建设相匹配。因此，本文提出了一种智能配电监测系统的设计，详细研究了其信息需求、系统架构、网络架构和智能化设计，以期为我国建筑配电监测系统的智能化发展提供参考。