數(shù)字化技術(shù)的智慧配電系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)應(yīng)用

ABB（中國）有限公司廈門分公司 鐘火榮

智慧配電系統(tǒng)是在考慮用戶實(shí)際需要的基礎(chǔ)上，依據(jù)配電系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范而設(shè)計(jì)的電能管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)適用于低壓配電系統(tǒng)，具有專業(yè)性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，在一定程度上，提升了配電系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性。新時(shí)期，人們對(duì)于智慧配電系統(tǒng)的應(yīng)用質(zhì)量提出了較高的要求，深化數(shù)字技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)成為智慧配電系統(tǒng)高質(zhì)量、高標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的內(nèi)在要求。

1 智慧配電系統(tǒng)現(xiàn)狀

配電網(wǎng)工程建設(shè)對(duì)于電力資源的配置、使用和管理具有深刻影響，在低壓配電系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)中，智慧配電系統(tǒng)能通過遙信、遙測(cè)和遙控等功能，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)需要的優(yōu)化調(diào)配，這不僅實(shí)現(xiàn)了整個(gè)電力系統(tǒng)的科學(xué)管理，而且有效地節(jié)約了電能。新時(shí)期，智慧配電系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用不斷深入，有效地滿足了新時(shí)期電力工程自動(dòng)化、智慧化的發(fā)展需要。但是不可否認(rèn)的是，智慧配電系統(tǒng)的建設(shè)應(yīng)用尚存在一定的問題。

首先安全性是配電系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)中需要考慮的首要內(nèi)容，但是在現(xiàn)階段的智慧配電系統(tǒng)建設(shè)中，各種保護(hù)機(jī)制以器件為主體，這些器件不僅受物理特性、保護(hù)機(jī)制影響，而且受配置狀況的直接作用，受此影響其在安全保護(hù)中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)不報(bào)警、不動(dòng)作及誤動(dòng)作，降低了配電系統(tǒng)整體的安全性。

其次受配電設(shè)備生產(chǎn)制作粗放、強(qiáng)弱電交叉、配電與用電管理結(jié)合不到位等因素影響，智慧配電系統(tǒng)在使用中還存在故障頻發(fā)的問題，當(dāng)智慧配電系統(tǒng)處于關(guān)鍵場(chǎng)合時(shí)，往往還會(huì)造成一些較為嚴(yán)重的后果。同時(shí)，隨著電力工程技術(shù)的發(fā)展及人們用電需求量的增加，電力用戶對(duì)于配電系統(tǒng)整體的功能設(shè)計(jì)也提出了較高的要求，但是現(xiàn)階段的智慧配電系統(tǒng)應(yīng)用還存在功能單一的問題，且在能耗數(shù)據(jù)精度、數(shù)據(jù)分析模式等層面的管理中存在較多問題，影響了配電系統(tǒng)整體的能耗管理能力。

最后智慧配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)營、維護(hù)和管理均需要工作人員參與其中，但是在現(xiàn)階段的智慧配電系統(tǒng)人機(jī)交互中，整體的交互界面較為簡陋，功能發(fā)揮空間有限，這降低了人機(jī)交互的整體質(zhì)量，影響了智慧配電系統(tǒng)的控制效果[1]。

2 基于數(shù)字化技術(shù)開展智慧配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要性

作為一項(xiàng)復(fù)雜、龐大的工程，智慧配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本身具有較強(qiáng)的專業(yè)性、綜合性和復(fù)雜性，其在設(shè)計(jì)過程中需要多部門專業(yè)的系統(tǒng)配合，并系統(tǒng)考慮配電系統(tǒng)運(yùn)行效率性、穩(wěn)定性、安全性等諸多因素，這樣才能提升智慧配電系統(tǒng)整體的應(yīng)用水平。新時(shí)期，依托數(shù)字技術(shù)開展智慧配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)于提升配電系統(tǒng)整體的設(shè)計(jì)水平具有深刻影響。一方面，智慧配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性運(yùn)行需要處理大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，且隨著智慧配電系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，與配電系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)正以幾何倍數(shù)的速度增長。數(shù)字化技術(shù)是信息技術(shù)的核心，其能通過0和1編碼的方式完成字符、聲音、語言、圖像等信息的準(zhǔn)確表達(dá)，這有效地滿足了智慧配電網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理需要，故而使用數(shù)字技術(shù)是智慧配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行的必然選擇。

另一方面，在以往的配電網(wǎng)工程發(fā)展中，智慧配電系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用尚存在較多的問題，具體表現(xiàn)為智慧配電網(wǎng)系統(tǒng)安全性不高、穩(wěn)定性不強(qiáng)、人機(jī)交互能力有限等諸多層面。新時(shí)期，在數(shù)字化技術(shù)的支撐下，電氣工作者能對(duì)配電系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且結(jié)合數(shù)字化技術(shù)下的監(jiān)測(cè)結(jié)果，可系統(tǒng)化地實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)系統(tǒng)管理和大容量清潔能源之間的關(guān)系協(xié)調(diào)，這有效地解決了以往智慧配電系統(tǒng)的應(yīng)用問題，提升了智慧配電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用的穩(wěn)定性和安全性。

3 數(shù)字化技術(shù)下的智慧配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式和功能特征

3.1 結(jié)構(gòu)形式

新時(shí)期，數(shù)字化技術(shù)在智慧配電系統(tǒng)中的應(yīng)用不斷深入，從實(shí)際應(yīng)用過程來看，其大致可分為智能終端模式和智慧電柜本地模式兩種形式。其中，使用智能終端模式進(jìn)行配電系統(tǒng)控制管理時(shí)，智慧終端本身具有強(qiáng)大的數(shù)字化功能，其能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各回路的監(jiān)控和精細(xì)化管理。而在智慧電柜本地模式下，具有較高一體化程度的智慧電柜不僅能構(gòu)建配電回路，而且能實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的全面管理，具有集中控制、簡化運(yùn)維的特征。

3.2 功能特征

通過數(shù)字化技術(shù)能實(shí)現(xiàn)智慧配電系統(tǒng)的全面優(yōu)化。一是使用數(shù)字化技術(shù)后，智慧配電系統(tǒng)的連續(xù)性更強(qiáng)，運(yùn)行狀態(tài)更加穩(wěn)定。就智慧配電系統(tǒng)本身而言，其具有為用電負(fù)荷持續(xù)供應(yīng)電能的作用，在數(shù)字技術(shù)的支撐下，智慧配電系統(tǒng)不僅能自動(dòng)化地完成電源轉(zhuǎn)化，而且能防止越級(jí)跳閘使事故擴(kuò)大化，這不僅提升了連續(xù)供電各種功能邏輯控制的智慧化程度，而且有效地避免了非故障停電事故的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)智慧配電系統(tǒng)的簡潔化、可靠化控制。

二是以往的智慧配電系統(tǒng)在應(yīng)用中存在一定的安全隱患，這不僅給電力工作者帶來較大的操作風(fēng)險(xiǎn)，而且威脅電力用戶的人身安全。在使用數(shù)字化技術(shù)后，電力工作者能通過多種創(chuàng)新技術(shù)進(jìn)行智慧配電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用過程的管理，確保了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。如傳統(tǒng)的智慧配電系統(tǒng)應(yīng)用中容易出現(xiàn)電氣火災(zāi)，而在使用數(shù)字化技術(shù)后，能充分利用數(shù)字化保護(hù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)異常電流的識(shí)別，這消除了異常電流對(duì)配電系統(tǒng)的傷害，減少了電氣火災(zāi)發(fā)生的頻率，滿足了系統(tǒng)安全運(yùn)作需要[2]。

三是可持續(xù)發(fā)展理念下，人們?cè)谥腔叟潆娋W(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，還對(duì)其系統(tǒng)的綠色節(jié)能效益提出了較高的要求。使用數(shù)字化技術(shù)后，工作人員在設(shè)計(jì)智慧配電系統(tǒng)的同時(shí)，還能為其設(shè)計(jì)用于能耗管理的智慧化子功能，該功能模塊不僅能從硬件層面實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的高精度采集，而且通過軟件系統(tǒng)的作用，其能將能耗分析的結(jié)果直觀地展示給該用戶，這大大提升了系統(tǒng)運(yùn)行能耗管理的效率和精準(zhǔn)程度。對(duì)比傳統(tǒng)系統(tǒng)僅提供簡單能耗數(shù)據(jù)報(bào)表的管理方式，數(shù)字化技術(shù)下的智慧能耗管理子系統(tǒng)不僅能顯示能耗的實(shí)際情況，而且能準(zhǔn)確的掌握能耗的異常點(diǎn)，這為電力用戶節(jié)能方案的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了指導(dǎo)。在一定程度上，數(shù)字化技術(shù)的使用減少了系統(tǒng)無效運(yùn)行的能耗，滿足了新時(shí)期配電系統(tǒng)綠色、節(jié)能的建設(shè)要求。

四是使用數(shù)字化技術(shù)還能較大提升智慧配電系統(tǒng)運(yùn)行中的交互效果。在新時(shí)期的配電網(wǎng)規(guī)劃中，無論是電網(wǎng)運(yùn)行信息監(jiān)控還是配電系統(tǒng)安全管理，其均需要實(shí)現(xiàn)工作人員與設(shè)備、集中平臺(tái)的高效交互。使用數(shù)字化技術(shù)后，智慧配電系統(tǒng)中的本地媒介和一體化電柜架構(gòu)得以融合，這能以相對(duì)集中的角度與工作人員進(jìn)行信息交流，滿足了整個(gè)智慧配電系統(tǒng)功能需要。值得注意的是，基于數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行人機(jī)交互時(shí)，智慧配電網(wǎng)系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了一定的專家診斷功能模塊，該模塊實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)異常情況的預(yù)判、警告及提供建議解決方案，為智慧配電網(wǎng)系統(tǒng)后期的控制和管理提供了有效參考。

4 數(shù)字化技術(shù)在智慧配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

4.1 參數(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)

使用數(shù)字化技術(shù)后，智慧配電系統(tǒng)運(yùn)行管理中的精細(xì)化程度更高。在系統(tǒng)初期階段，為滿足這種精細(xì)化管理的實(shí)際需要，還需要積極開展智慧配電系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)。智能終端和智慧電柜的參數(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)是數(shù)字化技術(shù)下，智慧配電系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。在智慧終端指標(biāo)設(shè)計(jì)包含了一體式終端和分體式終端兩種形式：其中，在一體式終端設(shè)計(jì)中，一級(jí)一體式智能終端在一級(jí)配電、主進(jìn)線柜中的應(yīng)用較多，同時(shí)在母聯(lián)柜、開關(guān)出線柜中也有一定的應(yīng)用；二級(jí)一體式智能終端在二級(jí)配電、配塑殼斷路器一般出線柜等場(chǎng)合中應(yīng)用較多。分體式智能終端多為三級(jí)智能終端，這些智能終端多用于三級(jí)配電和配電箱等場(chǎng)合，包含配顯示屏終端和無顯示屏終端兩種形式。

除考慮智能終端參數(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)外，電氣設(shè)計(jì)工程師還應(yīng)注重智慧電柜參數(shù)指標(biāo)的具體設(shè)計(jì)。在智慧電柜參數(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)中，除考慮配電柜具體的類型外，應(yīng)對(duì)其進(jìn)線柜、母聯(lián)柜、補(bǔ)償柜、出線柜、其他非標(biāo)柜等單元的寬度、深度、高度進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)嚴(yán)格控制回路數(shù)量和回路規(guī)格，這樣才能有效提升智慧電柜參數(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性，滿足智慧電柜的后期的使用需要。以某公司智慧型電柜為例，其進(jìn)線柜的參數(shù)設(shè)計(jì)需滿足表1標(biāo)準(zhǔn)。

表1 某型智慧電柜參數(shù)設(shè)計(jì)

4.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于數(shù)字化技術(shù)開展智慧配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，還須從適用場(chǎng)合選擇、設(shè)計(jì)方法兩個(gè)層面進(jìn)行整體系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)。在智慧配電系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到在數(shù)字化技術(shù)的支撐下，智慧配電系統(tǒng)的功能得到了極大提升，其應(yīng)用場(chǎng)合也隨之?dāng)U大。除適用場(chǎng)景設(shè)計(jì)外，深化數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用還應(yīng)注重智慧配電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法的設(shè)計(jì)。結(jié)合智慧配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)際可知，當(dāng)整體系統(tǒng)使用智能終端模式后，其主要實(shí)現(xiàn)方式是在已經(jīng)確定的配電回路上加裝智能終端及相關(guān)檢測(cè)設(shè)備和傳感器，然后完成各個(gè)終端的組網(wǎng)通信，這樣能實(shí)現(xiàn)所有終端的系統(tǒng)監(jiān)控管理。要值得注意的是，基于智能終端模式進(jìn)行慧配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用時(shí)，應(yīng)注重配電需求的系統(tǒng)分析，然后以此為基礎(chǔ)，確定系統(tǒng)涵蓋范圍，最后在相應(yīng)的回路上添加終端，得到完整的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)和拓?fù)鋱D。

4.3 變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及可靠性設(shè)計(jì)

在智慧配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，變壓器在整個(gè)配電系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，依托數(shù)字化技術(shù)，通過對(duì)變壓器負(fù)載管理、調(diào)配、運(yùn)行數(shù)據(jù)分析計(jì)算，使得變壓器運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)區(qū)間之內(nèi)，同時(shí)保證供電可靠性。一是在變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)通過變壓器原始參數(shù)計(jì)算變壓器綜合功率空載損耗，同時(shí)需考慮變壓器綜合功率額定負(fù)載功率損耗及負(fù)載波動(dòng)損耗系數(shù)情況。設(shè)計(jì)人員應(yīng)按照GB/T13462-2008的要求，進(jìn)行變壓器綜合功率經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)計(jì)算，如下式：

公式（1）中，βjz代表變壓器綜合功率經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)，而POZ、PKZ、KT分別代表綜合功率空載損耗、綜合功率額定負(fù)載功率損耗和負(fù)載波動(dòng)損耗系數(shù)。二是在實(shí)際設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師還應(yīng)考慮一二級(jí)負(fù)荷主備電源的調(diào)配功能，完成負(fù)荷電源調(diào)配需要。三是設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮變壓器退出運(yùn)行的功能替代，一般退出一臺(tái)變壓器時(shí)，應(yīng)有另一臺(tái)變壓器負(fù)擔(dān)所有重要荷載，以此來保證變壓器運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和供電可靠性。

4.4 其他設(shè)計(jì)要點(diǎn)

新時(shí)期，依托數(shù)字技術(shù)開展智慧配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢(shì)，其對(duì)于整個(gè)配電網(wǎng)的規(guī)劃建設(shè)和電力行業(yè)發(fā)展具有深刻影響。結(jié)合智慧配電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)際可知，在數(shù)字化技術(shù)融合應(yīng)用中，還應(yīng)注重以下要點(diǎn)的控制：一是在斷路器選擇中，應(yīng)結(jié)合數(shù)字化技術(shù)和配電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用需要，進(jìn)行斷路器型號(hào)的系統(tǒng)選擇，并在考慮實(shí)際用電需要的基礎(chǔ)上，須注重?cái)嗦菲鞯墓δ芘渲?，如通信功能等?/p>

二是使用數(shù)字化技術(shù)后，在電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，除主進(jìn)線斷路器、母聯(lián)斷路器外，還應(yīng)為油機(jī)切換斷路器及要求具備遙控分合閘功能的其他回路斷路器加裝電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，滿足整個(gè)智能配電系統(tǒng)快捷操作的實(shí)際需要。

三是智能終端、柜型設(shè)計(jì)是智慧配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。這樣能有效提升智能終端、配電柜與數(shù)字化技術(shù)和整體配電系統(tǒng)的匹配性，提升配電系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)效果。

四是在電力工程技術(shù)創(chuàng)新背景下，數(shù)字化技術(shù)設(shè)計(jì)在應(yīng)用中，還應(yīng)注重該技術(shù)融合應(yīng)用趨勢(shì)的深層次分析，即在智慧配電系統(tǒng)中使用數(shù)字化技術(shù)，還應(yīng)注意凸顯全面化、精細(xì)化、綠色化的特征規(guī)律，這樣能顯著提升智慧配電系統(tǒng)建設(shè)、運(yùn)行、升級(jí)、維護(hù)的整體效益，推動(dòng)配電網(wǎng)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

現(xiàn)階段，電力工作者只有深刻認(rèn)識(shí)到智慧配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用現(xiàn)狀和數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行數(shù)字化技術(shù)在智慧配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的深層次融合和應(yīng)用，這樣才能有效提升數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用水平，保證智慧配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)質(zhì)量，進(jìn)而在滿足系統(tǒng)配電、用電需要的基礎(chǔ)上，推動(dòng)配電網(wǎng)工程的持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展。