新型農(nóng)村配電網(wǎng)數(shù)字化、智能化改造分析

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)村高質(zhì)量建設(shè)和高效有序運(yùn)行，同時(shí)改善人民的居住環(huán)境，這些需求讓農(nóng)村電力配網(wǎng)需求不斷涌現(xiàn)。據(jù)農(nóng)村的規(guī)模、戶數(shù)和用電設(shè)備情況，進(jìn)行詳細(xì)的電力需求計(jì)算?？紤]到基本用電負(fù)荷、公共設(shè)施（如電梯、照明、消防系統(tǒng)等）的電力需求，以及可能存在的高峰用電情況，確保供電系統(tǒng)能夠滿足整個(gè)樓宇的電力需求。該供配電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)以某新型農(nóng)村建筑作為研究對(duì)象，進(jìn)行電氣系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)3個(gè)子系統(tǒng)，分別是農(nóng)村建筑的供配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。對(duì)于供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先分析負(fù)荷計(jì)算的常用方法，分析鑒定該農(nóng)村區(qū)域的負(fù)荷級(jí)別，計(jì)算所需設(shè)備容量。接著依憑經(jīng)測(cè)算得到的設(shè)備容量數(shù)據(jù)，選擇導(dǎo)線和電纜的規(guī)格以及變壓器的容量。憑據(jù)負(fù)荷的性質(zhì)，選擇供電主接線模式和配電模式。對(duì)于火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警的設(shè)計(jì)，確定消防的防護(hù)級(jí)別，選擇適合的火災(zāi)探測(cè)器和聯(lián)合控制消防形式，繪制火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警平面圖和系統(tǒng)圖，其中討論火情探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)和聯(lián)合控制消防系統(tǒng)這2個(gè)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì);農(nóng)村;供配電系統(tǒng);數(shù)字化;智能化

中圖分類號(hào)：TM912 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）30-0128-04

Abstract： In order to achieve high-quality construction and efficient and orderly operation of the village， and at the same time improve the people's living environment， these demands have led to a continuous emergence of demand for rural power distribution networks in cities. Detailed power demand calculations are carried out based on the size of the rural area， households and power equipment. Taking into account the basic power load， the power demand of public facilities， such as elevators， lighting， fire protection systems， etc.， and possible peak power consumption conditions， ensure that the power supply system can meet the power demand of the entire building. This power supply and distribution system engineering design takes a new type of rural building as the research object to carry out the electrical system design. It mainly designs three subsystems， which are the power supply and distribution system， lighting system and automatic fire alarm system of rural buildings. For the design of the power supply and distribution system， first analyze the common methods of load calculation， analyze and identify the load level of the rural area， and calculate the required equipment capacity. Then， based on the calculated equipment capacity data， select the specifications of wires and cables and the capacity of the transformer. Select the main power supply wiring mode and distribution mode based on the nature of the load. For the design of automatic fire alarm， determine the level of fire protection， select appropriate fire detectors and joint control fire protection forms， and draw automatic fire alarm plan and system diagram， which discuss the two systems of fire detection and alarm system and joint control fire protection system.

Keywords： electrical system design; rural area; power supply and distribution system; digitalization; intelligence

隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，如何做好配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化，解決分配電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)問題，成為當(dāng)前控制的核心。在農(nóng)村配電網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)計(jì)過程中，圍繞智能化改造與數(shù)字化實(shí)踐，將多方配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行優(yōu)化，并且針對(duì)其中微型配電網(wǎng)小區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容作出分析，讓配電系統(tǒng)以及遠(yuǎn)程配電裝備能夠融為一體。在多單元柔性化配電設(shè)計(jì)過程中，符合控制需求。同樣也完成了基于配電網(wǎng)絡(luò)功能設(shè)備體系的突破，為我國(guó)配電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與改造創(chuàng)造有效空間，真正提高了配電網(wǎng)絡(luò)的有效性。

1 新型農(nóng)村配電網(wǎng)的數(shù)字化、智能化改造理論基礎(chǔ)

1.1 新型農(nóng)村配電網(wǎng)的數(shù)字化

農(nóng)村供配電系統(tǒng)是指為農(nóng)村地區(qū)提供電力的整個(gè)系統(tǒng)，包括發(fā)電、輸電、配電和終端用電等環(huán)節(jié)。在農(nóng)村供配電系統(tǒng)中，發(fā)電通常由當(dāng)?shù)氐陌l(fā)電廠或電站提供，輸電則通過輸電線路將電力從發(fā)電廠輸送到農(nóng)村地區(qū)的變電站，最終通過配電網(wǎng)將電力分配到農(nóng)村各個(gè)家庭和企業(yè)。電力系統(tǒng)由發(fā)電廠、輸電線路、配電線路以及用戶組成。該過程是發(fā)電廠把從自然界獲取的一次能源轉(zhuǎn)換成電力能源，電能經(jīng)過輸電網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)较乱画h(huán)節(jié)的變電站，再由配電網(wǎng)絡(luò)對(duì)電力能源進(jìn)行分配，用較低電壓供給用戶。農(nóng)村供配電系統(tǒng)屬于民用建筑供配電系統(tǒng)，其主要涉及的是電力系統(tǒng)中用戶用電的部分。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平的高低是關(guān)乎到建筑物內(nèi)部系統(tǒng)是否能安全可靠且經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵。大到一個(gè)地區(qū)的供配電系統(tǒng)，小到一個(gè)關(guān)乎日常的農(nóng)村供配電系統(tǒng)，這些都關(guān)乎人民的生命財(cái)產(chǎn)安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。如果沒有對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行全面策劃，則會(huì)浪費(fèi)資金，并且會(huì)拖延施工期限。作為設(shè)計(jì)單位在設(shè)計(jì)農(nóng)村的供配電系統(tǒng)時(shí)，就要和供電部門、開發(fā)商協(xié)調(diào)確定好供配電系統(tǒng)方案。在設(shè)計(jì)的過程中，所采用設(shè)備要選擇通過國(guó)家檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的合格產(chǎn)品，且要貫徹“適用、經(jīng)濟(jì)、綠色、美觀”八字方針，在社會(huì)推行綠色建筑和低碳環(huán)保的號(hào)召下，選擇綠色環(huán)保、節(jié)能高效的用電設(shè)備。

1.2 理論基礎(chǔ)

1.2.1 電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

通過對(duì)農(nóng)村配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，包括線路配置、節(jié)點(diǎn)布置、變電站位置等，以優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提高供電可靠性和穩(wěn)定性。利用拓?fù)浞治龇椒?，可以識(shí)別潛在的故障點(diǎn)，并提出相應(yīng)的改造方案。

1.2.2 電力負(fù)荷預(yù)測(cè)

通過對(duì)農(nóng)村電力負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析，了解不同時(shí)間段的負(fù)荷變化規(guī)律，為配電網(wǎng)的容量設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供依據(jù)。常用的方法包括時(shí)間序列分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等，可以有效地預(yù)測(cè)未來一段時(shí)間內(nèi)的負(fù)荷需求。

1.2.3 電網(wǎng)參數(shù)計(jì)算

針對(duì)新型數(shù)字化、智能化設(shè)備的應(yīng)用，需要對(duì)電網(wǎng)的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和分析，包括電流、電壓、功率因數(shù)等。通過數(shù)學(xué)模型和仿真軟件，可以模擬不同工況下的電網(wǎng)運(yùn)行情況，評(píng)估設(shè)備的性能和電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

2 新型農(nóng)村配電網(wǎng)的數(shù)字化現(xiàn)狀

2.1 智能化改造

部署智能監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)村電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，該系統(tǒng)可以通過傳感器和監(jiān)測(cè)設(shè)備收集數(shù)據(jù)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)到中心控制系統(tǒng)，并利用數(shù)據(jù)分析和人工智能算法進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決電網(wǎng)問題。引入遠(yuǎn)程控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)村電網(wǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制。通過遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，可以遠(yuǎn)程對(duì)電網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行操作和調(diào)節(jié)，提高電網(wǎng)的靈活性和響應(yīng)能力，及時(shí)應(yīng)對(duì)電網(wǎng)異常和故障。使用智能配電設(shè)備，如智能開關(guān)、智能斷路器等，提升農(nóng)村電網(wǎng)的安全性和可靠性，這些智能設(shè)備具有自動(dòng)檢測(cè)和保護(hù)功能，可以及時(shí)識(shí)別電網(wǎng)問題并采取相應(yīng)措施，有效減少電網(wǎng)故障和事故發(fā)生的可能性。利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對(duì)農(nóng)村電網(wǎng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和優(yōu)化。通過分析數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行中的潛在問題和優(yōu)化空間，提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行效率和性能。部署智能能源管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)村電網(wǎng)中各種能源的管理和優(yōu)化，該系統(tǒng)可以綜合考慮電網(wǎng)供需情況、能源價(jià)格和環(huán)境因素等，制定合理的能源調(diào)度方案，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)能源的高效利用和優(yōu)化配置。

2.2 數(shù)據(jù)采集和處理能力的提升

智能電表的安裝率達(dá)到100%，覆蓋率接近100%，這意味著幾乎所有的鄉(xiāng)村用戶都能享受到智能電表帶來的便利和功能。除基本的電量和需量計(jì)量功能外，智能電表還具備費(fèi)控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、事件記錄等功能，這些功能為用戶提供了更多的服務(wù)和管理選項(xiàng)。全省電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集量大約為1 700多TB，每天新增數(shù)據(jù)量達(dá)到2 TB，并呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。這些龐大的數(shù)據(jù)量需要強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)能力，以確保數(shù)據(jù)的及時(shí)分析和利用。這些數(shù)據(jù)將為電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)提供更多的信息，幫助優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行和管理。TTU型融合終端已經(jīng)安裝5.52萬臺(tái)，其不僅具備數(shù)據(jù)采集和事件記錄功能，還可以實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)監(jiān)控功能，具有較強(qiáng)的邊緣處理能力。這些融合終端的應(yīng)用可以提高電網(wǎng)的監(jiān)控和管理效率，更好地應(yīng)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行中的問題和挑戰(zhàn)。

2.3 數(shù)字化升級(jí)和智能化服務(wù)

數(shù)字化升級(jí)和智能化服務(wù)為鄉(xiāng)村電網(wǎng)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商可以通過分析大量的數(shù)據(jù)來優(yōu)化電網(wǎng)的運(yùn)行和管理，提高電網(wǎng)的可靠性和安全性，為鄉(xiāng)村居民提供更加穩(wěn)定和高效的電力服務(wù)。設(shè)計(jì)農(nóng)村供配電系統(tǒng)的過程中，經(jīng)常使用的負(fù)荷計(jì)算方法有3種。設(shè)計(jì)人員選擇負(fù)荷計(jì)算方法時(shí)，需要依據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，根據(jù)場(chǎng)所的類型和設(shè)備對(duì)象來進(jìn)行選擇。

一般計(jì)算時(shí)主要采用的方法是需要系數(shù)法;對(duì)于農(nóng)村住戶配電箱采用單位指標(biāo)法來進(jìn)行負(fù)荷估算;對(duì)于具有商業(yè)服務(wù)功能的場(chǎng)所和地下室車庫等根據(jù)建筑面積使用負(fù)荷密度法進(jìn)行計(jì)算。

單位指標(biāo)法

PC=，（1）

式中：PC為計(jì)算有功功率（kW）;P′e2為單位用電指標(biāo)（W/戶、W/人、或W/床）;N為單位數(shù)量（戶數(shù)、人數(shù)或床位）。

單位指標(biāo)法是用于估算農(nóng)村設(shè)計(jì)載荷最廣泛的方法。每個(gè)家庭的耗電量指數(shù)有2個(gè)屬性，在進(jìn)戶輸電線路和用戶電能表的選擇中，其值是每個(gè)家庭的用電功率。用于計(jì)算某區(qū)域的負(fù)荷計(jì)算，比如計(jì)算整個(gè)農(nóng)村樓盤時(shí)，則是每個(gè)家庭的設(shè)備功率。

影響單位指標(biāo)的因素有多種，如當(dāng)?shù)氐乩砦恢?、居住?xí)慣、當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)水平和使用能源種類等。每個(gè)地方所屬的供電公司制定的指標(biāo)不同，表1給出的數(shù)據(jù)是本次農(nóng)村工程設(shè)計(jì)的所在地供電公司南方電網(wǎng)的指標(biāo)。

1）用電設(shè)備組的計(jì)算功率

Pc1=Kd×Pe，（2）

Qc=Pc×tanθ，（3）

2）配電主線路或低電壓等級(jí)母線的計(jì)算功率

Pc2=KΣP×ΣPc1，（4）

Qc2=KΣq×ΣQc1，（5）

Sc=，（6）

Ic=，（7）

式中：Pc為有功功率（kW）;Qc為無功功率（kvar）;KΣP為有功功率同時(shí)系數(shù);KΣq為無功功率同時(shí)系數(shù);Sc為視在功率（kVA）;Ic為計(jì)算電流（A）;Kd為需要系數(shù)，見表2;θ為計(jì)算負(fù)荷功率因數(shù)角;Un為額定電壓（kV）。

當(dāng)多個(gè)用電設(shè)備同時(shí)工作時(shí)，各個(gè)設(shè)備不能同一時(shí)間段都以最大負(fù)載的形式運(yùn)行，所以在計(jì)算設(shè)備組負(fù)荷時(shí)，就要引入同期系數(shù)。KΣP可取0.8～0.9，KΣq可取0.93～0.97。進(jìn)行簡(jiǎn)化測(cè)算時(shí)，KΣP和KΣq取值可以一樣。

對(duì)于農(nóng)村的公共照明和公共電力負(fù)荷，需要系數(shù)值取0.8。

負(fù)荷密度法

PC=，（8）

式中：P′e1為單位面積功率（負(fù)荷密度）（W/m2）;S為建筑面積（m2）。

表2 民用農(nóng)村用電負(fù)荷需要系數(shù)

3 新型農(nóng)村建筑農(nóng)村商業(yè)服務(wù)網(wǎng)點(diǎn)電表箱

本新型農(nóng)村建筑共設(shè)置有20個(gè)商業(yè)服務(wù)網(wǎng)點(diǎn)位置，部分商鋪有2層。依據(jù)負(fù)荷密度法對(duì)該區(qū)域進(jìn)行功率測(cè)算，本新型農(nóng)村建筑的20個(gè)商業(yè)服務(wù)網(wǎng)點(diǎn)可分為6種配電箱，其中ALS1為4 kW配電箱、ALS2為6 kW配電箱、ALS3為9 kW配電箱、ALS4為12 kW配電箱、ALS5為15 kW配電箱和ALS6為21 kW配電箱。商鋪電表箱B1-1AWS1連接有12個(gè)配電箱，可分為4個(gè)ALS1配電箱、1個(gè)ALS2配電箱、3個(gè)ALS3配電箱、1個(gè)ALS4配電箱、2個(gè)ALS5配電箱和1個(gè)ALS6配電箱。所以商鋪電表箱B1-1AWS1總功率為

Pe3=4×4+6+3×9+12+2×15+21=112 kW。

依據(jù)需要系數(shù)法進(jìn)行測(cè)算，配電電壓為380 V，則需要系數(shù)Kd取0.9，cosθ=0.85，則

Pc3=Kd×Pe3=0.9×112=100.8 kW，

Pc3=×U×IC3×cosθ，

IC3==180.18 A。

商鋪電表箱B1-1AWS2連接有8個(gè)配電箱，分別是3個(gè)ALS1配電箱、2個(gè)ALS3配電箱、2個(gè)ALS4配電箱和1個(gè)ALS6配電箱。所以商鋪電表箱B1-1AWS2總功率為

Pe4=3×4+2×9+2×12+21=75 kW。

依據(jù)需要系數(shù)法進(jìn)行測(cè)算，配電電壓為380 V，則需要系數(shù)Kd取0.9，cosθ=0.85，則

Pc4=Kd×Pe4=0.9×75=67.5 kW，

Pc4=×U×IC4×cosθ，

IC4==120.66 A。

4 供配電系統(tǒng)優(yōu)化措施

4.1 智能電表的安裝和普及

推廣安裝智能電表是數(shù)字化、智能化改造的首要步驟。智能電表能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程抄表、費(fèi)控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，為電網(wǎng)管理提供了更多的數(shù)據(jù)支持。

4.2 采集終端和融合終端控制

類似于TTU型融合終端，推廣安裝采集終端和融合終端可以實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。這些終端具備數(shù)據(jù)采集、事件記錄、配網(wǎng)監(jiān)控等功能，有助于提高電網(wǎng)的運(yùn)行效率和安全性。

4.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)設(shè)備的連接和管理，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的信息交互和數(shù)據(jù)共享。通過在電網(wǎng)設(shè)備上部署傳感器和通信設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制，提高電網(wǎng)的智能化水平。

5 結(jié)論

農(nóng)村配電網(wǎng)元件荷載與電壓影響的研究對(duì)于保障農(nóng)村電力供應(yīng)的可靠性和穩(wěn)定性具有重要意義。在農(nóng)村配電網(wǎng)中，各個(gè)元件的荷載情況和電壓穩(wěn)定性密切相關(guān)。過高的元件荷載會(huì)導(dǎo)致設(shè)備過載、線路過熱等問題，嚴(yán)重影響供電質(zhì)量;而電壓波動(dòng)過大也會(huì)對(duì)設(shè)備和生產(chǎn)設(shè)施造成損害。因此，合理控制元件荷載和維持電壓穩(wěn)定性是確保農(nóng)村電力供應(yīng)可靠性的關(guān)鍵。通過對(duì)元件荷載進(jìn)行合理的分布，避免出現(xiàn)某些元件過載的情況。其次，可以采取調(diào)整變壓器容量、增加補(bǔ)償設(shè)備、優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)等措施，提高電壓的穩(wěn)定性。此外，還探討了智能監(jiān)控與管理系統(tǒng)的應(yīng)用，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析，提前發(fā)現(xiàn)問題并采取相應(yīng)的措施。

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第一作者簡(jiǎn)介：張舜博（1997-），男，碩士，助理工程師。研究方向?yàn)榕潆娮詣?dòng)化、配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)。