智慧城市与智能配电系统研究

李绪彪

（广东省建筑设计研究院有限公司，广东 广州 510000）

1 智慧城市建设中传统配电系统存在的问题和智能配电系统相关概述

智能建筑发展对配电系统提出了更高的要求，需要在供电连续性、系统整体运维以及设备资产管理方面做出更多的努力，以满足智慧城市和智慧建筑的发展需求。全生命周期管理作为全面的管理方式，在这方面具有广阔的应用前景。该背景下配电系统实现稳定可靠的供电，需要分析潜在故障和潜在隐患，不断迭代升级适应发展。传统配电系统在目前智慧城市、智慧建筑发展背景下已经不能完全适用，因此要对配电系统进行智能化升级。

智能配电系统即智能配电，实际是借助网络技术、通信技术以及信息化技术引入智能化设备应用到传统配电系统，实现智能配电的构建，提升系统安全性和有效性。智能配电系统是智能电网发展的衍生物，充分考虑了用户侧的实际用电需求，为用电用户提供科学服务。经过不断探索和实践，该系统日益成熟。它充分融合了总线组网和物联网，借助采集器、传感器等智能化装置，结合计算机系统的中心软件进行数据采集、处理，可以为用户和工作人员提供数据支持[1]。

智能配电系统一般由一次强电回路、二次控制回路以及通信回路3部分构成。该系统不仅能够实现基本的智能配电系统功能，还能够实时监控整个电网的质量，同时能够面对突发的配电系统故障进行自我诊断与自我修复。应用智能配电系统能够对系统中的电器设备进行电压保护和电流保护，搭配智能电表，实现对系统数据的无纸化记录，并储存到系统中，以备后续需要[2]。

2 智能配电系统在智慧城市中应用的必要性

随着人类社会的不断发展，未来城市将承载越来越多的人口。为解决城市发展难题，实现可持续发展，建设智慧城市已成为当今世界城市发展的潮流。智慧城市建设必然以信息技术应用为主线，实现城市智慧式管理和运行，这是一个复杂、相互作用的庞大系统，但无论是城市服务还是工商业活动，无论是生活还是生产，都离不开电力的全方位保障。因此，智慧城市必须电力先行，智能配电是实现智慧城市的关键环节[3]。

智慧城市的能量分布复杂，要求电力应用具备几大特点。首先，配电复杂，需要分级保护。其次，电力要实现持续供给，且要更加稳定，具备高可靠性。再次，能源的使用效率是关键，与环境保护和社会的可持续发展密不可分。最后，需要实现高效检测和维护，这要求系统本身可以进行自我诊断和维护，快速解决问题，与物联网的发展关系密切。

3 智慧城市建设中智能配电系统设计

3.1 系统架构

智能配电系统设计需要充分考虑硬件系统和软件系统，保证系统具有易扩展性和开放性。面对日益升级的智能建筑和智能城市，智能系统中大量关键设备需要不断升级迭代。系统架构主要由云端应用层、网络通信层、现场设备层以及边缘控制系统层构成，不同层级具备不同的功能，同时应该结合用电侧用户实际需求进行灵活配置。

智能配电系统中的计量设备、多功能电表以及智能断路器能够采集系统数据，并上传至数据分析中心，实现故障分析、故障预警以及故障设备追踪分析等功能，对配电系统运维、电能质量监控以及能源效率的提高具有重要意义。

3.2 系统构成及功能实现

3.2.1 现场设备层

现场设备层作为通信能力层级，主要由智能传感器、智能低压断路器、智能电能质量监测单元、多功能电表以及智能辅助监测设备构成。智能低压断路器、多功能电表、智能电能质量监测单元、智能传感器以及智能辅助监测设备能够分别采集不同的配电设备数据，包括一次配电回路运行参数、电能质量运行参数以及监测环境信息等。

低压系统主要采用由智能断路器、智能仪表以及智能控制模块等组成的智能配电网络。具体到智能配电系统产品方面，各生产企业采用的技术路线不同。从智能仪表入手，完善仪表和后台的功能（主要以电力仪表生产厂家为主）。不少低压智能配电系统是在原有低压电力监控系统的基础上发展而来，可以满足基本的监控功能。从智能断路器入手，完善断路器的智能控制单元（主要以断路器生产厂家为主）。从配电柜入手，优化配电柜结构，由智能采样和智能控制模块构成标准化、模块化的智能配电柜（主要以成套配电柜生产厂家为主）。综上所述，需要完善的智能配电系统的功能[4,5]。

3.2.2 网络通信层

网络通信层主要由通信处理设备构成，能够提供关键的协议转换，为整个系统、云端提供数据通路。配电主干通信网方案有多种，主要有以太网无源光网络（Ethernet Passive Optical Network，EPON）、光纤工业以太网等方式。目前各种通信方式中，光纤通信具有高速可靠、抗干扰、网络自愈功能、配置灵活、扩展方便以及便于敷设等优点，是配电网通信系统的最佳方式。

3.2.3 边缘控制层

系统架构中的边缘控制层主要提供监测运维功能，由相应的监控系统软件提供技术支持。该层级由工程师工作站、监控管理服务器、操作员工作站以及网络时钟源等设备构成。

3.2.4 云端应用层

云端应用层主要由物联网云端平台构成，能够用于与数据资源的计算、分析和存储。为满足智能建筑管理的实际需求，该层级包括手机应用App、数据中心硬件、网络通道、软件环境以及计算机软件等。

3.3 智能配电系统应用实证及应用效果

3.3.1 全面多元的感知设备

智能配电系统中引入全面多元的感知设备，采用了新研发的智能型配电产品。这些产品具有框架式断路器（Air Circuit Breaker，ACB）、塑壳式断路器（Moulded Case Circuit Breaker，MCCB）控制单元和相应附件，同时具备互联互通能力。这些产品能够实现基本的控制功能，还能够通过通信模块将相应信息传回系统中心，完成更加复杂的功能。

3.3.2 匹配完善的边缘控制

智慧建筑建设中不断引入智能型配电产品，能够快速获取大量相关信息，并将信息应用于配电系统管理，以提高信息获取速度和处理速度，对配电系统中故障发现、故障排查以及运维管理效率提高具有重要意义。为实现上述目的，需要智慧配电管理系统和平台提供支持。配电产品厂商能够提供相应的智慧配电管理软件，对于特殊的需求还可以联系软件供应商进行私人定制，利用传输网络和感知设备获取配电系统信息，然后结合云计算技术、大数据技术、人工智能技术收集、整理和深入分析数据，并利用人工智能技术作出科学决策，最终实现整个系统状态的评估、全周期记录、精细化管理和高效维护，以保障配电系统运维的安全可靠性。传统电气管理系统并不能实现上述功能，因此引入智能配电管理平台和系统的变得尤为必要。智能配电管理平台、管理软件的应用实现了信息的全面获取和系统的高精度控制。在目前智慧建筑和智能配电系统的发展中，需要将建筑设备监控系统管理平台和智慧配电管理系统相互融合，并且和应急指挥平台互联互通，实现高效配电系统管理和智慧建筑科学的安全发展。

3.3.3 稳定可靠的分布部署

单点监控存在一定缺陷，会影响数据传输和设备管理，甚至可能引发故障风险。智能配电系统采用分布部署方案，能够解决上述问题。云端存储和系统本地存储相互交互、互为备用。机房就地、控制中心本地、云端3段平行设备执行管理，同时能够实现网页浏览操作、App浏览操作等功能。这些技术和方案的交互应用，可有效提高配电系统运维的稳定性、实时性以及便携性。

4 智能配电系统在智慧城市中的具体应用与展望

4.1 报警智能化实现功能

未来智能配电系统的预警、报警功能将会朝着更加智能化的方向发展。系统能够结合智能建筑的现状进行分级、分区，发现故障、报警事件时能够根据智慧建筑的实际状态将信息推送到手机终端，帮助检修人员及时、准确发现问题和故障，同时制定有效策略处理和采集各种遥测、遥信、电度信息和数据，如配电系统母线段电压值、电流值、各回路电量，实时采集电压不平衡度、电流不平衡度以及各断路器、手车状态、变压器温度和运行状态等，并实时计算这些数据（计算遥测量与多点遥信等）。系统对实时采集的数据进行各种统计分析，通过视频监控辅助智能配电系统技术实现变配电系统的无人值守，并通过对负荷等级的精细化分级，提高供电系统的可靠性、灵活性和可扩展性。

4.2 现场运行监测智能化

传统的配电系统运行状况主要依赖电气图，可以通过电气图分析了解现场设备的运行状态。在智慧建筑和智能配电系统发展的推动下，云端配置管理平台成为未来发展的必然趋势。结合智慧建筑进行信息建模，利用智慧配电平台实时监测配电系统的运行状况，将传统的电气图转化为各种图片、文本等信息，以更加直观、简单、可视化的方式展示给用户和工作人员。

4.3 智能配电系统的具体功能

传统配电系统运行监测直接采集设备的运行数据，进行人工解读分析，了解系统的运行状态。智能配电系统利用传感器、采集器实现对大量数据的全面采集。系统统计分析实时采集的数据，同时将采集的参数和数据上传到系统中心的云端，利用云计算技术和大数据技术进行分析，也会分析系统中负载的具体情况，最终将分析结果通知用户。智能配电系统还可以通过邮件、短信、App等传输方式将信息发送给运维人员，通过监控主机或远程工作站对现场的配电开关进行远程分合操作、设备定值管理和参数调节，并实时记录操作过程。

4.4 维护管理

传统配电管理系统在管理和运维分析中存在一定缺陷，不能进行维护管理。智能配电系统中引入不同技术能够实现对系统的维护管理，如大数据技术和通信技术的结合，能够根据工况设置运维信息的发送对象和发送层级，同时形成维护工单，将维护工单信息以邮件、短信或者App消息的方式发送给运维人员。整个配电系统能够实现对系统中所有设备的实时监测，得到运维数据，并对大数据进行分析，给出智能化结论与建议，辅助运维人员更好地开展运维工作。

5 结 论

智能配电在规划、建设和运行期间需要充分考虑系统的可用性。智能配电可用性需要通过中低压智能断路器实现保护功能、控制功能以及监测功能等，且不受到外部安全因素的影响。它能在运行时正确处理所需信息，在遭受攻击时抵御攻击并快速恢复正常运行。智能配电可用性是智能配电系统最重要的安全需求，也是最重要的安全性能衡量指标。