運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對配電箱進行能耗監(jiān)控及安全監(jiān)測

張 玥

(上海鐵路文化廣告發(fā)展有限公司，上海 200000)

0 引言

自“十四五”規(guī)劃以來，國家著重強調(diào)了“堅持節(jié)能優(yōu)先方針，深化工業(yè)、建筑、交通等領域和公共機構(gòu)節(jié)能”的重要性。節(jié)能降耗、低碳運行成為當前社會經(jīng)濟發(fā)展的主題[1]。在面對能源供需格局新變化以及國際能源發(fā)展新趨勢下，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用于電力領域符合歷史發(fā)展的潮流。

近年來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各行各業(yè)都得到了具體的應用與發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在數(shù)據(jù)感知及采集、傳輸和共享等方面具有明顯的應用優(yōu)勢，對配電箱的能耗監(jiān)控、安全監(jiān)測也是具體的應用場景之一。在高鐵車站中廣告媒體的配電箱數(shù)量眾多且分布的位置十分零散，如何實時監(jiān)測它們的運行數(shù)據(jù)和狀態(tài)具有一定的挑戰(zhàn)性。由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用具有全面感知、可靠傳輸、智能處理的特點，因此利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠很好地解決這一難題[2]。

本文將闡述如何運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，同時采用配電箱環(huán)境感知、電氣感知等物聯(lián)網(wǎng)傳感單元和配電箱智能化運行智慧裝置，開發(fā)出配電箱電力監(jiān)控系統(tǒng)，此系統(tǒng)具有數(shù)值異常、狀態(tài)異常報警功能。通過電力監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)ε潆姽竦倪\行情況進行實時準確的展示，并且能夠根據(jù)配電箱運行的實時數(shù)據(jù)進行進一步分析，發(fā)現(xiàn)其運行所存在的安全隱患，及時整改。

1 項目背景

1.1 改造原因

(1)能耗高。正常情況下，每天的23:00至次日凌晨05:30為高鐵夜間保養(yǎng)、維修時段，在此時間段內(nèi)車站是沒有運營任務的，而遍布全站的廣告屏卻仍然在工作，徒然消耗了大量的電能，縮短了廣告設施的使用壽命。

(2)現(xiàn)場運維工作量大，耗費人力。為了防止廣告媒體配電箱因為供電故障和用電安全問題而長時間停止工作，就需要配備專業(yè)人員定期對廣告媒體配電箱做技術(shù)巡檢，但因各配電箱所在位置分散，導致現(xiàn)場運維任務繁重，人力資源消耗大。

(3)用電量統(tǒng)計繁瑣。因車站中廣告媒體用電是單獨計費的，在電量統(tǒng)計方面依賴現(xiàn)場純?nèi)斯そy(tǒng)計，既繁瑣又存在錯漏的可能性；歷史用電數(shù)據(jù)無法方便的查詢和分享。

(4)發(fā)生故障險情無法及時傳送與得知。配電箱內(nèi)部若因接觸不良或用電線路超負荷都會造成配電箱內(nèi)部過熱、甚至起火，負載故障也會出現(xiàn)嚴重漏電從而引發(fā)電氣火災危及人身和設備安全。但因各配電箱都處于較為封閉的配電間中，發(fā)生故障險情卻無法及時傳送與得知。

當前階段，為應對能源供需格局新變化、國際能源發(fā)展新趨勢，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運用到廣告媒體配電箱，對進一步強化節(jié)能、提高能效，對從根本上破解資源環(huán)境瓶頸約束、助力經(jīng)濟由粗放發(fā)展向高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)變有著重大意義[3]。為此，以維護便捷、管理高效、安全體驗、綠色低碳、系統(tǒng)協(xié)同為建設目標，運用信息化手段和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立人機交互平臺(電力監(jiān)控系統(tǒng)平臺)，達到“監(jiān)、管、控一體化”的閉環(huán)式管理，讓數(shù)據(jù)變得公開透明化，為用戶提供可視化管理、態(tài)勢感知的綜合解決辦法。最終實現(xiàn)用能與節(jié)能、控制與管理的最佳結(jié)合，實現(xiàn)萬物互聯(lián)、互聯(lián)互通的嶄新局面。

1.2 項目概況

電力監(jiān)控系統(tǒng)的設計基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，如圖1所示。智慧用電在線監(jiān)控裝置在配電箱電力監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中處于核心位置，它的作用就是對數(shù)據(jù)進行分析、處理和計算。溫度傳感器、煙霧傳感器、電流互感器、剩余電流互感器等傳感器設備所采集的數(shù)據(jù)信息都需傳輸至智慧用電在線監(jiān)控裝置進行處理，通過裝置內(nèi)部的芯片進行程序分析和邏輯運算，進而實現(xiàn)配電箱內(nèi)部各項數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，得出配電箱的整體運行狀態(tài)。與此同時采用屏蔽雙絞線連接到4G DTU的智慧用電在線監(jiān)控裝置將采集到的數(shù)據(jù)通過RS485總線(modbus 協(xié)議)傳輸至4G DTU。4G DTU將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)信號(TCP/UDP協(xié)議)后傳送至電力監(jiān)控系統(tǒng)。電力監(jiān)控系統(tǒng)將數(shù)據(jù)進行更深層次的計算轉(zhuǎn)換、分析匯總，進行智能化可視化處理，從而實現(xiàn)友好的人機界面等系統(tǒng)功能。

圖1 配電箱電力監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在配電箱中的應用

2.1 基于物聯(lián)網(wǎng)的配電箱能耗監(jiān)控

在配電箱中，選擇帶有RS-485通信接口(modbus 協(xié)議)的智慧用電在線監(jiān)控裝置作為數(shù)據(jù)采集的核心設備，智慧用電在線監(jiān)控裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 智慧用電在線監(jiān)控裝置結(jié)構(gòu)圖(出自智慧用電監(jiān)控裝置說明書)

根據(jù)配電箱線纜負荷及負載功率選取符合測量標準的電流互感器，并通過線路改造將電流互感器接入智慧用電在線監(jiān)控裝置中，同時通過智慧用電在線監(jiān)控裝置中的電壓、電流模塊采集三相電壓、電流數(shù)據(jù)，通過其內(nèi)部芯片對數(shù)據(jù)進行分析處理，得出配電箱的有功功率以及其所使用的總有功電能等一系列電能參數(shù)。然后通過4G DTU將數(shù)據(jù)傳輸至電力監(jiān)控系統(tǒng)，再經(jīng)系統(tǒng)智能化處理可以在手機端、WEB客戶端顯示出配電箱實時的電參數(shù)，包括三相電流、三相電壓、有功功率、有功電能、功率因數(shù)等。現(xiàn)場電路圖如圖3所示。表1和表2分別顯示了使用電力監(jiān)控系統(tǒng)前后一季(三個月)的南京南站、合肥南站廣告媒體配電箱總耗電量對比。

圖3 現(xiàn)場電路圖

2.2 基于物聯(lián)網(wǎng)的配電箱定時控制

現(xiàn)場配電箱中，在總斷路器下級增加接觸器，智慧用電在線監(jiān)控裝置通過內(nèi)置的DO信號(繼電器觸點信號)控制接觸器。在電力監(jiān)控系統(tǒng)平臺中可以下達合閘或分閘的指令，通過4G DTU傳輸給智慧用電在線監(jiān)控裝置，再由智慧用電在線監(jiān)控裝置控制接觸器吸合或斷開并保持狀態(tài)，以此達到控制接觸器下端負載上電或斷電的目的?，F(xiàn)場電路圖如圖4所示。

使用電力監(jiān)控系統(tǒng)前后一季的南京南站廣告媒體配電箱總耗電量 表1

使用電力監(jiān)控系統(tǒng)前后一季的合肥南站廣告媒體配電箱總耗電量 表2

電力監(jiān)控系統(tǒng)平臺具有獨立的定時控制模塊，可以靈活設定定時任務，實現(xiàn)配電箱下端負載的定時上電和斷電。結(jié)合前述高鐵車站的夜間檢修時間，設定好配電箱的定時斷電與上電時間，從而達到節(jié)能降耗、廣告設備延壽、降低生產(chǎn)運營成本的目的。

圖4 現(xiàn)場電路圖

2.3 基于物聯(lián)網(wǎng)的配電箱電氣火災監(jiān)控

關(guān)于電氣火災監(jiān)控，主要監(jiān)控配電箱剩余電流(漏電流)、三相相線線纜溫度、環(huán)境溫度及煙霧傳感器狀態(tài)?，F(xiàn)場電路圖如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場電路圖

在配電箱中的三相相線線纜上和環(huán)境中安裝溫度傳感器，并將其接入智慧用電在線監(jiān)控裝置的測溫模塊上，使裝置能讀取到配電箱三相相線線纜的溫度和環(huán)境溫度。溫度傳感器所測量出的溫度值上傳至智慧用電在線監(jiān)控裝置中，通過4G DTU傳輸至電力監(jiān)控系統(tǒng)平臺。根據(jù)日常配電箱管理的經(jīng)驗，配電箱內(nèi)部溫度不宜超過60℃，可以在系統(tǒng)平臺中設置溫度閾值為60℃，當配電箱中的三相相線線纜溫度和環(huán)境溫度的其中一項或多項達到設定的閾值時，系統(tǒng)平臺自動報警，并給系統(tǒng)平臺運維管理員和用戶的手機發(fā)送報警短信。短信中包含所屬站點、所屬設備、告警發(fā)生時間、告警類型、具體告警內(nèi)容等信息；在智慧用電在線監(jiān)控裝置中的報警參數(shù)設置界面中開啟溫度保護，設置溫度閾值為60℃，當溫度達到或者超過閾值時，智慧用電在線監(jiān)控裝置會發(fā)出刺耳的警報聲，并記錄這一報警事件，讓用戶實時掌控現(xiàn)場配電箱的溫度情況。監(jiān)控配電箱中的漏電情況，通過在配電箱中加裝剩余電流互感器來監(jiān)控配電箱的剩余電流，剩余電流是指低壓配電線路中三相相線和零線中的電流矢量和不為零的電流。如果出現(xiàn)剩余電流過大，原因有很多，例如導線使用年久失修，其絕緣層老化破損；導線安裝施工不規(guī)范；下端用電設備故障；使用鋼管穿線時鋼管內(nèi)壁刮傷導線絕緣層等。如果線路存在漏電現(xiàn)象，不僅容易發(fā)生觸電安全事故，甚至還會引起電氣火災。根據(jù)現(xiàn)場負載數(shù)量和性質(zhì)，在智慧用電在線監(jiān)控裝置和電力監(jiān)控系統(tǒng)中都設置閾值為300mA的漏電告警。如果剩余電流大小超過300mA，現(xiàn)場配電箱中的智慧用電在線監(jiān)控裝置將會發(fā)出刺耳的警報聲，同時系統(tǒng)平臺發(fā)出告警提示，并且向用戶和運維管理員的手機發(fā)送告警短信。

監(jiān)控煙霧傳感器的狀態(tài)。在配電箱內(nèi)頂部加裝工業(yè)級煙霧傳感器，由于配電箱處于密封狀態(tài)，配電箱內(nèi)部若出現(xiàn)過載或者接觸不良造成的熱量累積，導致電線或電器元件陰燃和冒煙，早期不會被配電間內(nèi)消防系統(tǒng)的煙霧報警器所檢測到。若不在配電箱內(nèi)加裝煙霧傳感器，當配電間內(nèi)消防系統(tǒng)的煙霧傳感器檢測到有煙霧的時候，配電箱內(nèi)部冒煙起火的情況已經(jīng)持續(xù)一段時間，后果可能就會比較嚴重。通過在配電箱頂部安裝煙霧傳感器，可以實現(xiàn)配電箱冒煙的早期檢測和報警。煙霧傳感器檢測到煙霧后就會發(fā)出刺耳的警報聲。同時其將信號傳輸至智慧用電在線監(jiān)控裝置，智慧用電在線監(jiān)控裝置再通過4G DTU將信號傳輸至系統(tǒng)平臺。系統(tǒng)平臺采集到告警信息后發(fā)出告警提示，并且向用戶和運維管理員的手機上發(fā)送告警短信。

3 評估分析

3.1 電能消耗量分析

圖7是2020年10月～2021年3月南京南站高鐵站廣告媒體配電箱耗能統(tǒng)計圖，由于2020年10月～2020年12月沒有詳細的月耗電量，只能取2020年人工抄表的后半年月平均耗電量作為這三個月每月的實際耗電量。由圖7可知，在2021年1月該高鐵車站使用了配電箱電力監(jiān)控系統(tǒng)后，廣告媒體配電箱的電能消耗量明顯降低。

圖7 2020年10月～2021年3月南京南站高鐵站廣告媒體配電箱耗能統(tǒng)計

圖8是2019年2月～2019年7月合肥南站高鐵站廣告媒體配電箱耗能統(tǒng)計圖，由于2019年2月～2019年4月沒有具體的月耗電量數(shù)據(jù)，所以將人工匯總的電費金額除以單價后計算的月均值，再剔除15%電損數(shù)據(jù)，再減去LED大屏數(shù)據(jù)后得到的數(shù)據(jù)作為這三個月的每月實際耗電量。由圖8可知，在2019年2月該高鐵車站使用了配電箱電力監(jiān)控系統(tǒng)后，廣告媒體配電箱的電能消耗量明顯降低，電能消耗量總體平穩(wěn)。

圖8 2019年1月～2019年6月合肥南站高鐵站廣告媒體配電箱耗能統(tǒng)計

3.2 實際投資回收期

分析圖7和表3內(nèi)的數(shù)據(jù)可知，南京南站耗電量取2020年10月～2020年12月耗電量的平均值488 856.35kW·h為基準，2021年1月廣告媒體配電箱耗電量減少58 108.78kW·h，2021年2月廣告媒體配電箱耗電量減少118 651.44kW·h，2021年3月廣告媒體配電箱耗電量減少78 590.82kW·h。

南京南站實際節(jié)能費用 表3

表3給出了南京南站使用電力監(jiān)測系統(tǒng)后實際的節(jié)能費用。由表3可知，實際投資回收期為1 047 468 元(合同費用)÷231 194.831 6元/季≈4.53季，折算成月也就是大概13.6個月成本即可收回。

分析圖11和表4內(nèi)的數(shù)據(jù)可知，合肥南站耗電量取2019年2-4月耗電量的平均值 279 860.08kW·h 為基準，2019年5月廣告媒體配電箱耗電量減少46 891.47kW·h，2019年6月廣告媒體配電箱耗電量減少33 825.06kW·h，2019年7月廣告媒體配電箱耗電量減少41 368.38kW·h。

合肥南站實際節(jié)能費用 表4

表4給出了合肥南站使用電力監(jiān)測系統(tǒng)后實際的節(jié)能費用。由表4可知，實際投資回收期為609 081 元(合同費用)÷110 535.677 5元/季≈5.5季，折算成月也就是大概16.5個月成本即可收回。

4 結(jié)束語