我国智能低压配电系统发展现状与趋势

何瑞华

［上海电器科学研究所(集团)有限公司，上海200063］

我国智能低压配电系统发展现状与趋势

何瑞华

［上海电器科学研究所(集团)有限公司，上海200063］

何瑞华(1941—)，男，教授级高级工程师，从事低压电器研究。

主要论述智能低压配电系统的内涵与特征，以及涉及的主要技术、发展现状。指出我国基本型智能配电系统技术上已经成熟，高级型智能配电系统关键技术研究已全面展开，并取得部分科研成果。因此，低压配电系统智能化、网络化已具备条件，未来发展空间巨大。

高级型智能配电系统;基本型智能配电系统;过电流保护;过电压保护

0 引言

传统低压配电系统从广义上讲，包括低压配电系统和控制系统。系统中主要电器设备为低压电器以及由低压电器组合而成的低压成套开关设备和成套控制设备。20世纪八九十年代，国际、国内相继出现了导轨安装的模数化终端电器，并形成了以终端电器和终端组合电器为基础的终端配电系统。

随着微处理器在低压电器中应用，出现了各种智能化低压电器。智能化断路器的功能在传统断路器基础上实现了跨越式提升，主要表现在:保护功能在原有三段过电流保护基础上大大扩展，几乎涵盖了配电系统可能出现的各类故障保护;在电量检测功能上首次从满足断路器过电流保护需要，扩展到电网各类电参数实时、快速采集并显示，取代了传统成套开关设备中各类指针式电表，为配电系统运行管理人员及时掌握电网质量提供了可靠数据;智能化断路器对配电系统中出现的各类故障进行记录与存储，为系统运行人员及时排除故障创造了条件;智能化断路器还具备内部故障自诊断功能，极大地提高了智能化断路器自身工作可靠性;智能化断路器通信功能又为配电系统网络化创造了条件等。

智能化低压断路器投放市场以后，电器工程师很快发现智能化断路器的强大功能，在配电系统未实现网络化与智能化情况下不可能获得充分、有效发挥。为此，开始对配电系统网络化、智能化技术开展了一系列研究，实现了主要低压电器可通信，并成功研制了典型的低压配电系统。从此，智能配电系统开始进入用户视线。

本文主要论述低压智能配电系统的内涵与特征，以及涉及的主要技术、发展现状与展望。由于智能配电系统涉及的范围较广，本文重点探讨与低压电器发展关系比较密切的部分。

1 低压智能配电系统内涵与特征

1.1 基本条件与内涵

基本条件:系统网络化、信息化，主要电器设备智能化。

内涵:充分、有效地发挥智能化低压电器的强大功能，实现配电系统高效、安全、可靠的运行。

实现范围:低压配电系统、低压控制系统、终端配电系统、新能源系统、微电网系统、分布式能源系统。

1.2 系统结构特征与功能特征

1.2.1 结构特征

(1)系统架构包括一次强电回路、二次控制回路以及通信回路。

(2)系统中主要电器元件必须具有智能化与通信功能。

(3)通信回路一般采用标准化、开放式现场总线系统，以工控机作为通信系统主站，各类智能化低压电器作为系统子站。

(4)系统及成套开关设备中不采用指针式电表，一般通过主开关智能控制器或综合测控装置测量并显示。

(5)通信系统带有开放式现场总线或工业以太网通信接口，以及相关通信适配器、网关、网络延伸器、网络连接器、网络电源等各种通信网络配套附件。

1.2.2 系统功能特征

为了叙述我国智能配电系统发展现状与趋向需要，本文根据用户需求和实践，把智能配电系统分为第一代(基本型)、第二代(高级型)。

基本型智能配电系统功能特征如下:

(1)实时采集系统中电器设备运行情况。

(2)实时采集电网主要运行参数。

(3)系统故障记录与存储。

(4)低压配电与控制系统实现“四遥”。

(5)电能计量采用智能电表。

高级型智能配电系统除具有基本型智能配电系统功能外，增加了以下功能特征:

(1)电网质量分析与监控。

(2)用电系统能效管理。

(3)系统设备内部故障自诊断。

(4)系统故障预警、故障隔离与自恢复。

(5)主要电器设备寿命指示。

(6)具有全选择性过电流保护。

(7)具有完善的过电压保护系统。

(8)方便分布式新能源系统接入。

(9)实现中压、低压配电系统通信网络“无缝”连接。

(10)智能电表能实现分时计价、双向计价、自动投切等。

(11)主要低压电器采用超级智能型，能全面满足高级型智能配电系统要求。

(12)控制电器安装在控制对象现场，并通过上位机与总线系统实现集中控制与操作，使传统控制系统大大简化。

2 现状

我国第一代智能电器诞生于20世纪90年代，第一代智能配电系统诞生于21世纪初。目前从技术层面看，第一代智能配电系统已完全具备条件，但是，低压配电系统网络化与中压配电系统网络化密切相关。由于我国管理体制上的问题，造成配电系统网络化、智能化发展十分缓慢。

2008年，美国总统奥巴马为提高电网安全及高效运行，提出建设智能电网要求以后，世界各国掀起了智能电网建设高潮。我国政府由国家电网公司牵头制订智能电网发展规划并组织实施，当时提出了分三步走设想:2009～2010年完成标准体系及主要标准制订;2011～2015年初步建成智能电网构架;2016～2020年完成智能电网建设。国家电网公司工作重点在中、高压、特高压电网。在这种形势下，以上海电器科学研究所(集团)有限公司为代表的专家适时提出了智能电网用户端概念。

电网中发、输、变、配、用五大部分中，配电与用电是智能电网的重要组成部分。智能配电系统作为智能电网用户端系统的主要组成部分，开始得到各级政府与国家电网公司重视。

目前，智能配电系统发展情况:高压、特高压配电系统信息化相对发展较快，中、低压配电系统发展相对较慢。从技术合理性角度看，中、低压配电系统网络化应统一考虑;由于管理体制和技术分工等原因造成中、低压配电系统网络化发展缓慢。从管理体制上看，中压配电系统由电力部门负责实施，低压配电系统大部分由用户(甲方)委托设计院及施工部门实施。从技术上分析，由于中压开关设备与继电保护是分开的，所以中压配电系统智能化一般用电子式可通信综合保护器替代原机电式继电保护系统即可实现中压配电系统智能化。由于不涉及开关设备本身，其实施相对简单。低压配电系统开关设备与保护单元集合在低压电器上，所以低压配电系统智能化离不开低压电器。电力系统相关部门不完全熟悉低压电器，特别是低压断路器内部结构，从而造成低压智能配电系统推广较为困难。在终端配电系统中，第一代智能电表采用已逐步开始。

总体上看，我国基本型智能配电系统技术上已经成熟，在推广应用上，中、低压配电系统智能化还处于起步阶段。高级型智能配电系统关键技术研究已全面展开，并取得部分科研成果。因此，低压配电系统智能化网络化已具备条件，其发展空间很大。

3 发展趋势

我国智能配电系统的发展从技术上看已基本跟上世界发展潮流，从推广应用角度却远远落后于技术发展和市场需求。2015年9月国家能源局发布了关于配电网建设改造行动计划(2015～2020年)的通知，其重点是城网、农网改造，核心是突出智能化，为我国低压智能配电系统发展带来极好的机遇。

新一轮配电网建设改造行动计划目标:到2020年中心城市(区)配电网智能化建设和应用水平大幅提高，供电可靠率达到99.99%，用户年均停电时间不超过1 h，供电质量达到国际先进水平;城镇地区供电能力及供电安全水平显著提升，供电可靠率达到99.88%以上，平均停电时间不超过10 h;配电自动化覆盖率达90%，配电通信网覆盖率达95%，智能电表覆盖率达90%。

从上述主要目标看，2015～2020年配电网建设改造计划要求很高。这项计划的实施虽然重点在中压配电系统，但离不开低压配电网建设与改造。从技术上分析，涉及基本型低压智能配电系统主要技术关键已经解决，可以作为第一批低压智能配电网建设改造方案使用。其主要技术目标如下:

(1)低压配电系统实现网络化、信息化。

(2)系统主要低压元件采用可通信智能化低压电器。

(3)采用智能电表取代传统电能表。

(4)应有较完备的过电压保护系统。

在第一批低压智能配电系统建设改造的同时，应加快高级型(第二代)智能化配电系统涉及的技术关键攻关研究，根据技术成熟程度在有条件的城市分阶段逐步采用高级型智能配电系统。由于高级型智能配电系统内涵十分丰富，在推广初期首先应满足以下基本要求，以后逐步完善与提升。

(1)具有电网质量分析与监控功能，包括电压波动、频率、功率因数、谐波系数、波形畸变等，并具有功率因数补偿装置、谐波抑制装置自动投切和非重要负载投切功能。

(2)具有能效管理功能:对配电系统每个负载电能消耗进行定时采集与监控，使系统总耗电量控制在设定的阈值以下。一旦接近阈值，将自动切除不重要负载。另外，根据分时计费标准，分时段自动投切负载，节省电费。

(3)具有全选择性过流保护整体解决方案。

(4)具有较完善的过电压整体解决方案。

(5)满足新能源和分布式能源并网要求。

(6)系统中主要低压电器采用超级智能型，能全面满足高级型智能配电系统要求。

在满足上述要求的基础上逐步增加以下要求，并开展相关平台建设。

(1)实现系统设备内部故障自诊断。

(2)系统故障预警、故障隔离与自恢复。

(3)主要电气设备寿命指标。

(4)中、低压配电网通信系统互联，实现过电流保护一体化。

(5)智能电表具有双向计量功能，进一步提高智能化程度。

(6)建设电动汽车智能充电服务网络，推广电动汽车有序充电、V2G及充放储一体化运营技术，实现城市及城际间充电设施的互联互通。2020年满足1.2万座充换电站、480万台充电桩接入需求，为500万辆电动汽车提供充电服务。

(7)建立港口船舶智能用电服务平台，实现船舶与电网双向互动。

(8)提高配电网自动化监控水平，实现配电网可观可控，变“被动保修”为“主动监控”，缩短故障恢复时间。

4 高级型(第二代)智能配电系统主要关键技术

实现高级型智能配电系统主要技术，关键是提升现有智能化低压电器功能，完成“超级智能化”低压电器研制，同时，提高与扩展第一代基本型智能配电系统功能。下面重点讨论涉及与低压电器发展关系比较密切的主要技术问题。

4.1 超级智能型低压电器研制

超级智能型万能式断路器(Air Circuit Breaker，ACB)在第一代智能型ACB基础上增加以下功能:

(1)实现新能源分布式发电系统更完善的控制与保护，如有功过功率、无功过功率保护、电流方向性保护(沿新能源至电网方向)及自动投切控制等。

(2)具有电能质量分析与监控功能，超级智能型ACB具有更高精度电流、电压、功率测量，能对系统电能质量进行分析，对功率因数、谐波系数、电压波动等进行监控。

(3)电力协调与能效管理功能。根据用电设备重要度及不同时间不同电价对负载进行分别控制。同时，对各用电设备用电量进行检测，以设定合理阈值，有效控制能耗峰值，节省电费。

(4)智能故障诊断。能对内、外部运行状态、运行参数及异常情况进行定时检测，实现内、外部故障预警，以减少故障的发生。

(5)机电寿命判断与显示，确保系统安全运行。

(6)实现可靠的全电流选择性保护。

(7)具有云管理功能。

超级智能型ACB能将实时采集的各种信息实时发送至云服务器，拓宽数据共享范围，使设备运行管理人员、设备制造商工程师能远程观察ACB现场运行情况，实现远程监察与诊断，以便快速处理。

4.2 研制完备的电网质量监控系统和能效管理系统

智能配电系统中除ACB具有此功能外，配电系统上位机应对整个配电系统进行电网质量监控，实现电能合理使用。

涉及的主要技术有:

(1)各类电量高精度检测技术。

(2)电能质量分析技术。

(3)电能需求响应技术。

(4)能效管理技术。

4.3 配电系统故障预警、隔离与自恢复技术

当配电系统发生故障，应使故障影响限制在最小范围，拟采取以下措施:

(1)故障快速定位与监测。

(2)故障快速切除与隔离。

(3)非故障区自动恢复供电，故障区快速恢复供电。

4.4 配电系统过电流选择性保护技术

两个串联的低压断路器全选择性保护在GB 14048.2—2008《低压开关设备和控制设备第2部分:断路器》标准中已有明确的规定。有关配电系统全选择性保护问题，目前尚无标准明确定义。为了高级型智能配电系统推广应用，确保配电系统安全可靠运行，过电流全选择性保护是必须解决的问题。

4.4.1 系统过电流全选择性保护基本含义

系统中任何位置发生任何大小短路电流时，只有最靠近故障位置的断路器跳闸(此断路器在一般系统中只有一个，但对于多电源系统可能有两个甚至更多)，其他相关联的断路器(指有短路电流通过)均应处于闭锁状态。只有当故障级断路器分断失败(包括故障)，上级断路器才解锁分断，使系统短路故障造成的停电限制在最小范围。

4.4.2 配电系统过电流保护现状

目前，配电系统过电流保护是通过上、下级ACB动作特性配合，借助ACB过电流三段保护特性实现的，在标准中称为局部选择性保护。

其特点及存在的问题:

(1)通过ACB短路电流整定和动作时间整定实现，其选择性保护只有在短路电流小于上级断路器瞬动脱扣整定值时才能实现。一旦短路电流达到上级断路器瞬动电流，上、下级断路器可能同时跳闸，甚至越级跳闸，造成选择性保护失败，故障范围扩大。

(2)实现选择性保护时间较长，一般每级断路器延时级差为200～400 ms，系统实现选择性保护总时间长达1～2 s。

(3)对系统中开关设备(包括成套开关设备)动、热稳定要求较高，不利于节材、节能。

4.4.3 实现系统过电流全选择性保护基本条件与方法

(1)ACB能实现全电流选择性保护。断路器实现全电流选择性保护基本条件:①大幅度提高断路器短时耐受电流(含短延时分断能力)，实现Icw=Ics=Icu;②改变传统电流、时间整定方法，采用区域联锁等新技术。

(2)大幅提高塑壳断路器(Moulded Case Circuit Breaker，MCCB)限流性能，采用具有超高限流性能的第四代高性能小型断路器(Miniature Circuit Breaker，MCB)，使系统全选择性保护整体解决方案有更多的选择。

(3)终端配电系统主开关、仪表箱开关采用有选择性保护小断路器，确保终端配电系统实现全电流选择性保护。

(4)根据不同配电系统，不同用户提供不同的过电流全选择性保护整体解决方案。

4.4.4 过电流全选择性保护优点

(1)确保配电系统发生短路时，使故障造成的停电限制在最小范围，这对配电系统运行可靠性，特别是智能配电系统工作可靠性具有十分重要的意义，对完成国家能源局发布的配电网建议改造行动计划提出的配电系统可靠性、停电时间等目标要求具有不可或缺的现实意义。

(2)系统实现全选择性保护时间大大缩短，各级选择性保护时间总和可控制在200 ms之内，能有效降低系统母线、电缆、成套开关设备、低压断路器的动、热稳定要求，有利于节能、节材，有利于成套开关设备、低压断路器进一步小型化。

4.5 系统过电压保护技术

由于智能配电系统中大量采用网络化、信息化技术及相关设备，这些设备中含有大量电子器件，相当一部分设备本身就是电子产品，它们极易受雷电和系统中其他电器操作的过电压伤害。

另外，智能配电系统中分布式新能源系统，无论是发电设备还是控制系统都同样易受过电压伤害。因此，智能配电系统过电压保护尤为重要。涉及的主要关键技术如下:

(1)智能配电系统用SPD配置技术(整体解决方案)。

(2)智能配电系统SPD产品结构与性能研究。

(3)智能配电系统SPD使用安全性研究。

(4)智能配电系统SPD组合技术研究。

(5)风电系统过电压整体解决方案。

4.6 智能化低压电器寿命指标技术

低压电器寿命一般分为机械寿命和电气寿命。机械寿命指示只要记录其动作次数就能实现。电气寿命的检测由于低压电器每次分断的负载电流不同而变得十分复杂。借助理论与试验研究，建立不同分断电流(包括短路电流)时触头磨损数学模型，通过计算机统计其电寿命，理论上是可行的，实际上难度很大。

低压电器电寿命判定最简单、有效的方法是测定触头超程，当触头超程达到或接近0时，电寿命终止。真空电器由于真空灭弧室结构特殊性，只要在动导电杆上设置寿命指示线就能实现，这在中低压真空电器中已经使用。

其他低压电器要在实际使用中测定其超程有一定困难，直动式交流接触器相对容易些。随着距离传感器技术的发展，可通过测定低压电器触头超程，实现电寿命指示。

5 结语

国家新一轮配电网建设改造计划将进一步推动我国智能电网建设全面开展，它为我国智能配电系统全面推广提供了极好的机遇，同时对低压智能配电系统和智能型低压电器提出了更高的要求。超级智能型低压电器的诞生将为智能配电系统发展提供强有力的技术支撑。展望未来，智能电器与智能配电系统将有更美好的发展前景。

参考文献

［1］何瑞华.智能电网用户端讲座第二讲:智能电器与智能配电系统［J］.低压电器，2012(7):58-64.

［2］GB 14048.2—2008低压开关设备和控制设备第2部分:断路器［S］.

［3］国能电力［2015］290号配电网建设改造行动计划(2015～2020年)［G］.

Development Status and Trend of Intelligent Low Voltage Power Distribution System in China

HE Ruihua
［Shanghai Electrical apparatus Research Institute(Group)Co.，Ltd.，Shanghai 200063，China］

This paper mainly expounded the connotation and characteristics，major technologies，development status of intelligent low voltage power distribution system.It is pointed out that the technology of basic intelligent power distribution system is very mature，and the research of key technologies is completely carryied out in China，which some achievements of scientific research are obtained.The intelligence and networking of intelligent low voltage power distribution system have the suitable conditions and the low voltage power distribution system has a tremendous development in future.

advanced intelligent power distribution system;basic intelligent power distribution system; over-current protection;over-voltage protection

TU 852

A

1674-8417(2015)11-0001-06

2015－11－18