智能配电系统的核心内容和关键技术.docx

一、引言随着国家“双碳”战略的实施，国家“十四五”规划将推动传统产业高端化、智能化、绿色化、发展服务型制造，并构建系统完备、高效实用、智能绿色、安全可靠的现代化基础设施体系。为了承载低碳变革和实现碳中和承诺，国家电网的战略目标己经由“20092023年智能电网”向“2023-2060新型电力系统”方向迈进，将成为以“清洁低碳、安全可控、灵活高效、智能友好、开放互动”为特点，以交流同步机制为基础发挥大电网稳定性作用，以新型数字技术与传统技术深度融合的开放包容的渐进过渡构建过程的新型电力系统。在国家“双碳”和国家电网“新型电力系统”的双向夹持下，园区、企业、工厂和商业等大用户的传统配电系统均受到新科技、新技术、新思路和新市场的带动，正逐渐向智能化、节能化、低碳化和高效化方面发展。图1电的用途图2智能化的意义众所周知，如图1所示，“电”的用途主要表现在两个方面：能量流和信息流。能量流意味着电能的产生、电能的输送和电能的转化的流动过程，最终电能转化为光、热、冷、机械能等形式用于日常生活和工业制造。信息流意味着信息的产生、信息的传递和信息的接收的传递过程，最后转化为可识别的信息用于人类的决策。能量流智能化水平体现在如何利用最新的传感、时控和通讯技术，能动地实现闭环执行和开环提醒，满足各种岗位工作人员的决策需要。如图2所示，传统配电系统的信息流，从配电设备由电气自动化系统（ECS）传递给操作人员、工程师或值班人员，人员通过屏幕上的电流、电压、波形或报警信息去处理或解决相应的问题或事故，实现传统配电系统的信息流过程。该过程相对于八九十年代指针式仪表或电磁式继电器保护的配电系统有了非常大的进步，为各类工作人员提供了实实在在的便利。但这种带有电气自动化监控的传统配电系统仍然呈现出预警信息的不准确性、维护工作的唯计划性、故障信息的不完备性等问题，对值班、维护或管理人员带来了诸多不便。如果配电系统的信息源呈现的信息更加丰富，信息流传递更加方便，处理过程更加能动，更能体现智能化配电系统的“智能化”的实际意义。智能化配电系统的实际意义更多在于诸多信息流在信息接收时，给工作人员的真切感受，是便利、成熟和可靠，而不是干扰、单调和困惑。二、传统的配电系统园区或用户站配电系统发电厂地区电网枢纽变电站变电站&用专用：:.：'变电站¾w；“："；，1图3城市电网框架城市电网系统由电网公司负责建设和运营，包括：城市内输送电能的输电设施，分配电能的枢纽、区域和终端变电设施，为大型住宅、商业区域供电的箱式变电站或开闭站的变配电设施。园区（厂区）的配电系统由建设单位负责建设和运营，包括：为大工业负荷供电的工业区域变电站、中型工业负荷和大型商业负荷的专用变电站以及小型商业负荷、地产负荷的专用变电站。受主体投资的影响，城市电网系统的智能化水平比园区（厂区）配电系统的智能化水平要高出很多，而不同的园区（厂区）配电系统的智能化水平也参差不齐。重要场合衣网常见图4城市智能配电系统城市配电系统为中压系统，通常采用辐射式、开环式、闭环式或双环式进行供电。如图3所示，辐射式供电是从变电站呈放射状向多个用电点按地理允许的最短路径进行供电，线路上设置若干线路断路器，而每个用电点由杆上断路器、杆上变、箱式环网柜或箱式变引出下一级分支（电网公司规定馈电线路不允许设置二级分支），线路上断路器或用电点的断路器装设远动装置（FTU）,与调度中心实现无线远程监视和控制。一般来说，这类断路器为中压断路器，是没有保护功能。当线路上出现故障，整条供电线路只有变电站的中压断路器能够自动识别和断开将全线路停电。调度员断开故障点前的线路断路器甩开故障点后再送电，由单个电源供电，则故障点后的全部用户直到故障排除后才能恢复供电。而开环式供电则避免了这个问题，同样的故障只需要断开故障点前后线路断路器，由两侧电源供电则可恢复故障点前后大部分的用电。可见，开环式供电可靠性比辐射式供电可靠性有所提高。闭环式供电和开环式供电属于同一类型网络架构，只是运行方式不同，前者选择了开环后者选择了闭环运行（闭环运行技术难度大且目前案例较少）。双环式供电是在开环式和闭环式的基础上冗余了供电架构，提高了供电可靠性，但对于城市电网来说只有在重要的场合下才会采用，大部分的城市供电多数采用辐射式和开环式两种供电方式。电网公司所辖的城市配电系统的智能化，除了配电网架构、无线监控及其冗余的监控系统外，还实现诸多新技术的应用，如：用户可以通过手机APP办理电费缴纳和“一户多口提高基础用电档额度”等原来在柜台前才能办理的业务，中压配电系统通过直流传输连接两个交流系统的直流柔性互联，低压配电系统中可以将光伏、储能、直流负载构成直流供电系统的电能路由器等先进、便利、高可靠性的技术应用，较好地展现了新型电力系统的“清洁低碳、安全可控、灵活高效、智能友好、开放互动”等诸多优点。3、园（厂）区配电系统开环双环B要负荷图5园区配电系统大型工业区域变电站、中型工业区和大型商业负荷的专用变电站等园区（厂区）配电系统，与城市配电系统在辐射式、开环式、闭环式或双环式供电架构上有相似之处。如图5所示，辐射式供电中最常用的是放射式、树干式供电或由此构成的双电源供电，开环式供电在一些项目中会使用到，闭环式供电主要在与外资合作的园区中应用较多，双环式供电只用在某些特殊场合。当然，随着用户负荷类型不同、节能降碳程度不同、原材料加工或设备制造用电的可靠性要求不同，更多复杂的带有自备电源、分布式电源、可再生电源、不间断电源系统、直流供电系统的专项配电系统架构应运而生，如短程炼钢产业园、大型数据中心、精密加工产业园、低碳或零碳产业园、大型设备制造园区等新型园区（厂区）的复杂配电系统限于篇幅不再赘述。4、用户站常用接线图用户站常用的中压配电系统主要有：单电源单母线供电、双电源不带计量的单母线分段供电、双电源带计量的单母线分段供电等形式。低压配电系统主要为单变压器供电、双变压器暗备用供电、多台变压器构成多用一备的明备用供电。如图6和图7的简图可见，中压配电柜和低压配电柜是配电系统能量流的枢纽或节点，同时也是监视类和控制类信息流的采集地或汇集区，在智能化配电系统中担任着重要的角色。进线海愦线进线馈线图6中压配电系统简图图7低压配电系统简图5、传统中低压配电柜导体绝缘子CT/PT仪表操显断路器柜体导体绝缘子ISPD电缆低压配电商图8中压和低压配电柜简图为实现配电枢纽的基本目的，中压配电柜内会装设了载流导体、中压绝缘子、CT/PT、避雷器、中压电力电缆、控制/通讯电缆、中压断路器或隔离开关、分仓的柜体以及仪表仓内的操显装置、仪表装置或计量装置、保护装置等。低压配电柜内会装设了载流导体、低压绝缘子、浪涌保护器、低压电力电缆、控制/通讯电缆、框架断路器、塑壳断路器、接触器、热继电器、马达保护器、变频器、软启动等装置。中低压配电柜中的各类设备，种类繁多，是配电系统实现多样化、智能化、信息化、低碳化等绝大部分技术提升的承载体，技术提升的空间和潜力都非常大，因此中低压配电柜内设备或柜体，或者其本身技术的提高，更或者利用“第一性原理”重铸后再次创新，都将直接提升配电系统智能化水平，甚至未来达到智慧化的程度。6、传统配电系统的信息流酉痈设备维护人员管理人员中压S3电柜低压配电柜低压变压8S1急本需求2可再生能源3交流与流4变臧设备5数控车床6冲击负荷7节帆电.图9传统配电系统信息流电流互感器、电压互感器在传统配电系统中提供将不适合芯片采集的电流和电压信号转化为可识别的模拟量：仪器仪表中的复杂芯片采样这些模拟量为离散的数字量进行数值计算，得到有功功率、无功功率、电能量、功率因素、简单波形或谐波含量；保护单元中的复杂芯片采样这些模拟量迅速识别和计算为电压、电流的有效值或组合有效值与整定值比较，判断是否存在故障或提出预警信号。操显装置中的简单芯片则采集温度、湿度传感器信号，识别后驱动风扇和加热器，以使柜体中保持适当的温湿度；带有电磁、热磁的低压断路器基于电的磁效应和热效应的物理特性实现故障识别，并在误差范围允许内做出断开动作切断故障电流；变频器收到控制信号和反馈信号后，通过复杂芯片和晶闸管实现电机启动和运行时能量流的准确控制；软启动器收到控制信号通过复杂芯片和晶闸管实现电机启动时能量流的抑制，实现电磁转矩和启动电压控制的完美结合；电压继电器、电流继电器、时间继电器、中间继电器和辅助触点的配合，完成中低压配电系统的控制回路的构建和状态信号的反馈。这些设备呈现或接受的信息均受到人类需求的驱动，成为传统配电系统中最基本的信息流承载体。三、智能配电系统的核心内容1、智能电网与园区配电系统的通讯架构图10智能电网与园区配电系统通信架构简图智能电网信息化范围从广义来讲包括由电网公司投资建设运营的智能城市电网及其所辖的区域配电网和建设单位投资建设运营的园区（或用户站）配电系统。电网公司负责的智能电网信息化具有统一性，由调度数据网A、调度数据网B、防火墙和综合数据网构成城市电网通信系统；智能配电系统信息化由配电数据网A、配电数据网B（电网公司近年来增加的冗余架构）、防火墙和综合数据网构成区域配电网通信系统。调度数据网的冗余架构确保了电网运行调度监视和控制所必需的双向交互信息的通信系统的安全可靠，防火墙确保该系统免受外部网络的攻击，综合数据网则单向从调度数据网向外传递不会影响电网运行的公布类或管理类信息。配电数据网B随着近年来分布式电源呈现级数增长趋势而增补了冗余架构。但园区（或用户）配电系统的信息化与此有着巨大的差异，仅仅做了电气自动化系统（ECS）,用一个独立的孤单的局域网传递着一些最基本的信息。2、信息流的目的供电局综合能源管理图11信息流的目的如图11所示，不同场景下的信息流是不同的。在电厂和电网领域里，专业技术能力最强的值长或正值、副值、集控等运行人员，全天候倒班的值班人员与智能化的设备一同维护电网运行，构成人脑与电脑相配合的实时监视和控制的完美架构，外加专业能力强的维护人员和每日询问的管理人员，实现稳定可靠的他国无法比拟的中国式智能电网。在工业、商业、地产、产业园或科研机构等领域则呈现了另一种场景，有专业或者没有专业的运行人员、维护人员或管理人员等多种组合式的复杂情况。近年来，电网公司推出了综合能源管理服务，在一定程度上利用自身的专业技术优势提供了一些领域配电系统的无人值守和托管服务，负责用户配电站一定程度上的设备升级，实现其无人值守、远程统一监视和监控，定制化出具月报或年报，大数据式地分析用户配电系统的节能和优化内容，大大节省了用户的人力和物力，节约资金和能耗。由此可见，配电系统中信息采集、视频监控、通信架构等内容信息化的升级，其目的是随着人员有无、需求繁简、资金多寡来调整符合预期目的信息化，而非本末倒置的为信息化而信息化。3、用户侧的需求外部环境'R电效应、电池涡流发热导体发热；除店电化学腐蚀动稳定干扰热墩字面®图12信息流在用户侧的需求之所以信息化有很大的需求，是因为时代、用户、环境和电效应方面均呈现出显著的变化，需要顺势而为。首先，人类已经意识到时代变化产生的需求一一地球温升需要在2100年控制到不超过工业化之前的1.5,因此人类社会需要多采用节能型产品，做好用能统计，指导合理用能，在制热制冷运输等领域更多使用电气化设备和工具，为当下及未来的绿电广泛使用铺平道路；人类不可避免呈整体性休息所带来的用电低谷，可再生能源发电所需的备用发电容量自然造成了发电设备的过度浪费，电网传输效率低下必然会采用减少电网峰值时弃电和增加电网低谷时用电的智能蓄能装置；产生电能或消耗电能的单