智能配电系统与运维管理

李俊民， 裴元杰

(中国建筑设计研究院有限公司，北京 100044)

0 引言

建筑楼宇中的智能配电日益成为物业管理的重要手段，通信技术的提高，使系统传输加快，响应时间缩短，处理时间也就相应缩短；便捷的信息采集、快速响应的传输系统，使故障排除率的准确性、快速性得到有效的保障；大量的信息采集和分析，能快速帮助决策者进行结论判断，提高了供电可靠性的同时也提升了管理效率。构建建筑内智能配电管理系统，不仅有助于智慧城市建设的有效推进，对于物业人员如何正确运用智能配电系统，进行高效的运维管理也具有积极的作用。

1 建筑物智能配电系统发展

1.1 建筑物智能配电系统的产生

传统的变配电系统由高压配电系统、变压器、低压配电系统组成，通过断路器、互感器、仪表等元器件来实现配电保护、数据测量、故障报警等功能，但始终存在综合分析能力不强、电力能源共享不足等缺陷，不利于全方位监管系统和设备，造成后期运行管理维修、系统维护不利的困境。 同时，虽然拾取了大量的数据，但并未得到科学有效的运用，更谈不到信息的挖掘。

建筑物智能配电系统以传统变配电系统框架为基础，建立新型的智能配电保护与管理网络，除能实现配电保护、数据测量、故障报警等功能以外，还可实现配电系统及用电设备的协调控制、建筑物内电力的优化调度、运行数据采集及分析、潜在运行风险预知、系统维护辅助决策等功能。 使传统变配电系统升级为在统一平台下具有高度信息化、自动化的互联互知的智能配电网络，实现对各级配电系统的监控，保障供电的连续性、安全性、节能性、交互性和统一性，变被动管理为主动管理。

1.2 传统配电系统的局限性

(1)数据读取需要依靠数据仪表上传(数据上传包括物联网断路器、智能仪表、智能模块)，仅限于读取实际运行的数据，没有利用这些数据来实现保护特征配合调整，不利于管理人员的主动管理、主动调配负荷。

(2)未能充分利用变压器的负载能力，保障供电负荷的不间断运行。 也造成设计人员为应对用电高峰期的正常运行，变压器的装机容量偏大，有的办公建筑变压器装机容量甚至超过150VA/m2，但调研的结果大多办公建筑的高峰负荷也不到70VA/m2，造成很多建筑的变压器负荷率不到30%，大大浪费了变压器资源。

(3)传统的低压配电方式是具有联络功能的两台变压器，当一路发生故障时，保障一、二级负荷，卸载三级负荷。 通常采用两种卸载方式。

方式一:采用失压脱扣器自动卸载，即三级负荷配置失压脱扣器，当电源电压下降到规定值时延时脱扣。 缺点是只能卸载失电母线回路负载，非失电母线不能脱扣；另外当系统有大容量电机启动或系统低压侧发生短路故障，会引起短时电压跌落，失压脱扣器也容易误动作。

方式二:采用分励脱扣器自动卸载，即当进线开关脱扣后，利用三级负荷配置的分励脱扣器自动全部联锁卸载三级负荷。 缺点是为锁定卸载三级负荷，分励脱扣器线圈始终带电，即使变压器有裕量也无法及时投入有用电需求的三级负荷。

(4)没有对配电系统元器件的日常维护建立起自动化、信息化的管理机制，仍然处于被动的管理模式，即使重要的配电设备也不能处于监管状态。

1.3 智能配电系统的必要性

(1)对每个回路电气感知的数据进行采集，设定不同的数据采集信息值(即初始值、运行值、预警值、报警值)，并具有调配功能，使运维人员清晰了解每个配电回路正在运行的负荷状态，提前预警，规避突发风险。

(2)对变压器负载率、各等级用电负荷的用电量进行初始值效验，根据运行值来判定负荷卸载方案，即一、二级负荷为保障负荷，主要利用变压器的负载率余量对三级负荷进行再排队，利用智能管理平台对三级负荷的投切进行有序控制，充分利用变压器的裕量，使三级负荷也具有一定的供电连续性，满足业主非必要的停电需求，或保障必要情况下三级负荷的供电。

(3)对元器件电气感知参数进行信息统计，即对分断能力、保护特性、分合闸次数、开关电缆发热采集、使用年限等设定预警值，做到提前防备、主动管理。

(4)建设智能配电互联互知的平台，有效感知配电系统各个环节的运行状态，避免潜在的故障风险，系统针对运行情况，根据获取数据，分析并及时处理，设置多种应急故障排除解决方案，并快速、高效和安全地恢复供电。

(5)预设用电负荷的运行规律，合理调配负荷的运行时间，为削峰填谷起到积极作用，利用电器设备的功率调节能力、空调负荷的投切时机、照明负荷的调节、大功率负荷的运行报备制度，为负荷的柔性用电提供技术支撑。

2 智能配电与运维管理的关系

智能配电系统通过物联网断路器、智能仪表或智能模块，动态拾取有效的数据，分析、管理这些数据。 运维管理数据中预置大量的管理数据、管理图表，通过两者的比对，完成预设的目标。 智能配电系统有效提高了运维管理的水平，而运维管理反过来促进智慧配电系统最优化的构建。

(1)实现在统一平台下对各级配电系统的监控，保障供电的连续性、安全性、节能型、交互性和统一性。 具体包括负荷的运行管理与负荷减载控制、故障定位与诊断、负荷趋势分析、电能成本核算等功能。

(2)实现曲线及报表管理设置功能；系统运行状态的在线监视； 后台数据库管理；前台人机交互界面信息处理；分析报警、异常或故障事件。

(3)实现异地管理、手机APP 监管等，完成电气设备清单及相关管理措施。

3 智能配电系统的主要内容

3.1 变配电系统的框架绘制

建筑物内的变配电系统由高压配电系统、低压配电系统及应急柴油机发电系统组成，包含高压柜、高压断路器、保护和测量装置、变压器、低压柜、无功补偿、低压断路器、联络开关、柴油发电机组、互感器、测量仪表等元器件，实现了电能在建筑物内的合理分配与供应，并保证了整个系统安全可靠的运行。 由于变配电系统元器件众多，实现功能复杂，现对该系统功能及供电关系进行梳理，绘制出变配电系统框图，同时也可利用视频监控系统作为配电管理系统的辅助手段，如图1 示意。

图1 变配电系统框图

3.2 高压配电系统

高压配电系统一般由供电部门完成，使用单位多以监测为主。 由综合继电保护完成，保护设定由供电局取值。

3.3 变压器

变压器是智能配电系统中十分重要的装置，其负载率不仅与负荷调配有关，还与变压器的损耗、寿命关系密切。 通过监测变压器的低压侧电流掌握变压器的负荷率曲线；通过变压器温控器数据掌握变压器的运行温度曲线，确定变压器正常情况下的最佳负荷率，以及极端情况下的允许负荷率；通过变压器的运行温度曲线估算变压器的老化率，确定变压器的寿命。

3.4 低压配电

(1)通过智能仪表、智能开关、智能模块等智能终端实现数据采集和监控。

(2)对各级(进线、联络、配出)配电开关进行管理，即回路的数据采集功能、开关的保护功能及状态功能、配电回路的监测功能及远端控制功能，采集的数据与通过预先设置的初始值比对，实现对开关的有效控制。

(3)集中无功补偿部分:包括电容投切容量、投切时间、功率因数、集中补偿柜的进线开关的管理等。

(4)集中谐波治理部分:包括谐波次数、谐波量及前后对比等。

(5)各类型建筑负荷等级分析，重点将变配电室各回路的负荷按负荷等级、负荷性质、负荷类别、所属功能区分别进行标识，统计出各类负荷等级、各类负荷性质、各类别负荷、各功能区负荷的容量，实现对负荷的统计和管理。

3.5 柴油发电机组

启动条件、启动时间、电压、电流、频率及运行负荷，统计消防负荷和平时重要负荷的容量，为提高更多负荷供电的可靠性创造条件。

4 智能配电的关键技术

4.1 变压器的有效利用

(1)笔者调研发现，一般办公建筑正常情况下的负荷率不超过30%，文化、体育类建筑的负荷率更低。 但由于缺乏大量的数据支撑、没有方便查询的统一管理平台，设计人员难有第一手资料，若仅凭经验来估算变压器的装机容量，即使有详细的计算过程，由于需要系数、同期系数的不同取值，也是差别很大。

(2)变压器的有效利用涉及到变压器的节能运行、生命周期、温升变化、极限运行、低压侧的电压变化等诸多因素。 从现有的调研结果来看，变压器的装机容量普遍偏高，尤其是较为重要的建筑，其变压器的负荷率更小，一方面是末端负荷冗余量偏大，另一方面是一、二级负荷比重大，需要考虑一台变压器或一路高压故障情况下，另一台变压器有能力负担所有的一、二级负荷。 如何合理选择变压器容量，使变压器的容量得到有效的利用(避免变压器平时负荷率低至20%～30%)，需要设计阶段全面考虑各类负荷的搭配，充分利用错峰运行的负荷、季节性负荷、间歇性负荷、不同重要性负荷的特点，最大化的有效利用变压器。

1)掌握变压器运行容量，可以有效控制负荷容量的增减，优化其维护时间段，对于季节性调配负荷，可以考虑停歇处理，减少空载损耗。

2)充分利用变压器的冗余容量，当变压器一台故障时，另一台也可带载一些三级负荷。

3)当负荷率较低时，利用变压器满载可长期运行特点，通过智能管理平台统计结果，当一台变压器故障且另一台变压器允许带载全部负荷时，投切时不用卸载，保障了所有负荷供电的连续性。

4)在满足最佳节能效果的情况下，充分利用变压器的有效负载，最大化的提高变压器的利用率，有利于降低建筑物单位面积的装机容量。

5)在合理的温升范围内，最大化的提高变压器的利用率，不至于一味提高变压器的负载率而降低其使用寿命。

6)变压器的负荷变化对电压偏差的影响会随着季节变化，可适时调整变压器分接点的位置。

4.2 低压配电负荷的调配

4.2.1 调配的意义

(1)在变配电系统的设计阶段，根据用电负荷的负荷等级，采取不同的供电方法，以对其供电可靠性、安全性、连续性进行保障。

(2)在计算变压器容量时，并非按照所有用电设备的额定容量相加选取变压器，而是使用设备的计算容量。 根据平时和一、二级负荷总量来分别算出计算负荷容量的最大值，以最大值作为选取变压器容量的依据。

(3)变压器容量有限，为了使变压器工作在合适工况下，减少维护成本，在遇到变压器检修、火灾以及一路停电等非正常状态时，通常采取切除不重要负荷的方法，避免变压器长时间超载运行，保证重要负荷的供电可靠性。

(4)在遇到一路市电停电或者检修时，可通过联络母线，将一组变压器所带的负荷切换至一台变压器供电。 若实时用电负荷超过一台变压器的负载能力，则应该切除部分不重要负荷，保证其余重要负荷供电。 这种情况下通常是按负荷等级的高低，先切除全部三级负荷，再考虑切除二级负荷。

(5)当一台变压器运行时，若供电缺口不大，只需切除少部分用电负荷就能满足变压器安全运行的条件时，就需要对用电负荷按照重要性进行排序，依次切除更不重要的用电负荷，减少建筑物内的停电范围。 在确定出各用电负荷负荷等级的基础上，根据停电对建筑物内使用人的影响，对用电负荷进行重要性的排序，如建筑立面照明、屋顶亮化照明等装饰性用电负荷可优先切除，建筑内房间、走廊、楼梯间照明等用电负荷应优先保证。

4.2.2 调配的措施

(1)每个配电回路设定一个预估的电流运行曲线，高限报警、低限闪烁。 即实际电流高于计算电流的15%时报警，低于设定值的50%时闪烁。

(2)设定各馈出开关按稳定负荷(长期(一年)运行数据)自适应整定值。 当小于整定时自动调小；当大于整定值时，提出整定值调增建议、更换电缆或拆分负荷，增加回路。

(3)每个回路实际运行的电流曲线与预估曲线对比，形成年或季节经验电流曲线。

(4)整个母线段的一、二级负荷总值设定一个电流运行曲线。

(5)整个母线段的三级负荷总值设定一个电流运行曲线。

(6)变压器温升与负荷率的对应曲线(考虑环境温度的影响)；设置环境温度、变压器内线圈温度的显示功能，设定环境温度不大于40℃，高于报警。

(7)变压器损耗(最佳经济运行、可将各类变压器额定损耗列表)与负荷率的对应曲线。

4.3 建筑柔性用电技术

4.3.1 柔性用电负荷的重要性

低碳发展成为全球共识，低碳发展必将推动能源系统需求侧的电气化，预计终端电气化率将由25%增至68%。 民用建筑中涉及到照明、供热、空调、炊事、电动汽车充电等各个领域，利用电器设备的功率调节能力，通过有效管理建筑中的柔性用电负荷，采取转移用电负荷(削峰填谷)、削减用电负荷(调频、调压)，改变建筑的负荷运行规律，大型用电设备有计划地采用报备制工作等技术或管理，既能满足建筑用户的使用需求，又能提高供电的可靠性和经济性。

4.3.2 柔性用电的主要内容

通过智能配电系统建立一套用电负荷管理系统平台，实现建筑内部设备的灵活控制以及建筑与电网的通讯互动。 一方面可以为电网提供灵活性，保障电网的可靠供电，并在不断完善的峰谷电价、电力市场、需求响应等政策支持下获得经济收益；另一方面也可以促进建筑光伏的就地高效利用。

(1)照明系统:用电高峰时调节室内照明方式，必要时也可降低照度等级，进而降低照明负荷。

(2)空调系统:通过控制空调启停、改变变频空调的压缩机频率、切换中央空调末端风盘的风速档位、或者放开室内温度的控制精度，短暂地改变空调用电负荷，包括新风机组在保证室内CO2浓度在合理范围内时也具有相似的调节能力。 此外，在特殊情况或者用户允许的情况下，利用建筑良好的围护结构体系，放宽室内环境温度的控制精度(如适当提升室内温度)，使空调系统具有更大的调节能力。

(3)冷热源系统:通过配置蓄冷水箱、蓄热水箱，将冷热源的电力供应在更长的时间尺度下转移电力负荷，利用夜间谷电蓄冷(热)，削减白天高峰时段的用电负荷。

(4)电动汽车充电:通过有序充电技术，避开用电高峰而选择在用电低谷阶段充电，在保障电力安全的同时还可以让用户享受低电价。 通过双向充放电技术，电动汽车还可以在保证用车需求的基础上，利用富余的电池容量来为电网储存过剩电力或反向输出电力，充当可移动的储电池设备。

(5)蓄电池储能:接入建筑配电网的蓄电池一方面可以作为建筑或者设备的备用电源，在电力供给故障时为建筑或者设备提供短暂的电力供给；另一方面，结合峰谷电价或电力市场价格蓄电池还可以在低电价时段储存电力，在高电价时段释放电力，从而来实现削峰填谷。 特别适用于太阳能光伏系统的运用。

(6)厨房类设备:洗衣机、洗碗机、电热等智能设备，在非急用的情况下，可以延迟启动从而避开用电高峰。

(7)工艺类大用电设备:有些实验室等用电设备容量大，可以通过报备制方式提前有序安排适用时段。

5 运维管理

(1)管理要素:资料调取、设备建档、能效管理、负荷调配、应急预案、报表打印、信息上传等。

(2)管理目标:由分散管理向集中管理转变；由人工记录管理向集中统一平台管理转变；建立规范的运维保障管理流程，使管理实际化、针对化，提高用电质量，改善用电环境；应用先进、适用、高效的管理平台，使管理更加主动，岗位职责更加清晰。

(3)运维管理的构建思想:基于工程竣工资料，在运行过程中积累实际运行状况统计，形成与用户接近的数据统计资料，针对用户对项目的用电、用能管理需求，构建一套吻合的用电安全、用电保障、用电统计、机电设备管理的展示平台。

(4)运维管理方法:包括资料录入、规章制度建立、主要设备档案的建立、主要设备维修改造档案的建立、变电所运行记录、主要设备运行记录等。

6 结束语

智能配电管理系统涉及系统构架、硬件设备选择和软件的编制，需要在设计阶段有一个很好的统筹，绝不是简单的硬件升级，也不是一个软件编制就能解决的系统工程，需要通过建设方、使用方、施工方和设计方的通力合作，完成智能配电的系统构建。 智能配电系统和运维管理仍处于探索、总结、完善、提高的阶段，需要行业同仁一起为之努力。