摘 要
       智能配电系统是随着国家双碳战略、“十四五”规划以及“2021~2060新型电力系统”的背景下发展起来的，与新型电力系统一样，具有“清洁低碳、安全可控、灵活高效、智能友好、开放互动”的特点。本文通过比较传统配电系统和智能配电系统的供电接线形式和通信架构模式，阐述了配电系统的能量流与信息流的传递过程，进一步阐述了智能配电系统的关键在于传感器的选取和通信的架构，又详细拆解了智能化中低压配电柜、中低压断路器以及智能化配电系统网络基本架构等关键技术。

引言
       在国家“双碳”和国家电网“新型电力系统”的双向夹持下，园区、企业、工厂和商业等大用户的传统配电系统均受到新科技、新技术、新思路和新市场的带动，正逐渐向智能化、节能化、低碳化和高效化方面发展。
       传统配电系统的信息流，从配电设备由电气自动化系统（ECS）传递给操作人员、工程师或值班人员，人员通过屏幕上的电流、电压、波形或报警信息去处理或解决相应的问题或事故，实现传统配电系统的信息流过程。该过程相对于八九十年代指针式仪表或电磁式继电器保护的配电系统有了非常大的进步，为各类工作人员提供了实实在在的便利。
      但这种带有电气自动化监控的传统配电系统仍然呈现出预警信息的不准确性、维护工作的唯计划性、故障信息的不完备性等问题，对值班、维护或管理人员带来了诸多不便。如果配电系统的信息源呈现的信息更加丰富，信息流传递更加方便，处理过程更加能动，更能体现智能化配电系统的“智能化”的实际意义。智能化配电系统的实际意义更多在于诸多信息流在信息接收时，给工作人员的真切感受，是便利、成熟和可靠，而不是干扰、单调和困惑。

传统的配电系统

▲图1 城市电网框架

      城市电网系统由电网公司负责建设和运营，包括：城市内输送电能的输电设施，分配电能的枢纽、区域和终端变电设施，为大型住宅、商业区域供电的箱式变电站或开闭站的变配电设施。

▲图2 城市配电系统

      城市配电系统为中压系统，通常采用辐射式、开环式、闭环式或双环式进行供电。如图4所示，辐射式供电是从变电站呈放射状向多个用电点按地理允许的最短路径进行供电，线路上设置若干线路断路器，而每个用电点由杆上断路器、杆上变、箱式环网柜或箱式变引出下一级分支（电网公司规定馈电线路不允许设置二级分支），线路上断路器或用电点的断路器装设远动装置（FTU），与调度中心实现无线远程监视和控制。

▲图3 园区配电系统

      大型工业区域变电站、中型工业区和大型商业负荷的专用变电站等园区（厂区）配电系统，与城市配电系统在辐射式、开环式、闭环式或双环式供电架构上有相似之处。如图5所示，辐射式供电中最常用的是放射式、树干式供电或由此构成的双电源供电，开环式供电在一些项目中会使用到，闭环式供电主要在与外资合作的园区中应用较多，双环式供电只用在某些特殊场合。

智能配电系统的核心内容

▲图4 智能电网与园区配电系统的通讯架构

      智能电网信息化范围从广义来讲包括由电网公司投资建设运营的智能城市电网及其所辖的区域配电网和建设单位投资建设运营的园区（或用户站）配电系统。电网公司负责的智能电网信息化具有统一性，由调度数据网A、调度数据网B、防火墙和综合数据网构成城市电网通信系统；智能配电系统信息化由配电数据网A、配电数据网B（电网公司近年来增加的冗余架构）、防火墙和综合数据网构成区域配电网通信系统。
      调度数据网的冗余架构确保了电网运行调度监视和控制所必需的双向交互信息的通信系统的安全可靠，防火墙确保该系统免受外部网络的攻击，综合数据网则单向从调度数据网向外传递不会影响电网运行的公布类或管理类信息。配电数据网B随着近年来分布式电源呈现级数增长趋势而增补了冗余架构。但园区（或用户）配电系统的信息化与此有着巨大的差异，仅仅做了电气自动化系统（ECS），用一个独立的孤单的局域网传递着一些最基本的信息。

▲图5 信息流在用户侧的需求

      之所以信息化有很大的需求，是因为时代、用户、环境和电效应方面均呈现出显著的变化，需要顺势而为。首先，人类已经意识到时代变化产生的需求——地球温升需要在2100年控制到不超过工业化之前的1.5℃，因此人类社会需要多采用节能型产品，做好用能统计，指导合理用能，在制热制冷运输等领域更多使用电气化设备和工具，为当下及未来的绿电广泛使用铺平道路。其次是用户侧新设备加入产生的需求——更多晶闸管类如变频器、能量路由器、滤波装置等能源转换或治理设备的应用，维持高供电可靠性而更多分布式备用电源、不间断电源（UPS）的加入，可再生能源发电单元和直流配电系统逐步应用的变化。再次是环境变化产生的需求，随着城市（或园区）向地下空间、地上空间、广度空间，甚至向蓄滞洪区、高海拔等地区延伸，用电设备的环境更需要在预防浸水、防范动物、温度、盐度、湿度、海拔高度等方面需要进行必要的探测和预警。最后是电本身的电化效应、电磁效应、热效应及波形畸变等变化而产生的需求。
      可见新时代、新用户、新环境和电气化本身带来的前所未有的变化所带来的诸多信息，是信息的接收者需要改变过去认真接收而又需要思考的内容，像神经末梢一样触及到用电每一个角落，需要更好的处理信息策略来配合信息的变化，同时还要减轻信息过载的压力。

智能配电系统的关键技术

▲图6 中压配电柜的智能化

      智能中压配电柜是在传统的中压配电柜的柜体架构中，利用当前的科学技术加入多重感知的新型配电柜。感知传感器有弧光、红外、烟雾、湿度、粉尘、浸水以及导体、触头和电缆头测温等传多种类型。这些传感器通过I-Bus类有线或ZigBee类无线的通讯方式上传数据，实现数据的收集。而原来在传统中压配电柜中所具有的保护装置、仪器仪表和操显装置仍然保持原有功能性、安全性和独立性，确保电气一次稳定供电和电气二次可靠保护。

▲图7 低压配电柜的智能化

      低压配电柜的馈出线较多、电流过大，为了避免干扰，智能低压配电柜更多通过数据总线的形式单独走弱电通道，将柜体温湿度，各个馈线单元的开光状态、远控、测量信息、故障信息、维护信息、开闭次数、故障信息、功能信息和设备信息进行上传，可视化智能信息与断路器的操作与控制保护采取不干涉原则进行架构，实现低压配电柜的智能化。中压配电柜和低压配电柜的智能化，主要完成了两种功能：其一是加入多种功能性传感器，增加了柜内各设备运行状态的物理性状态的监视，提高了信息的广泛收集功能；其二是实现信息化的可靠传递功能。

▲图8 中压断路器的智能化

      中压断路器是中压配电系统的关键部件，对于馈电线路，开断和合闸正常电流与开断故障电流的能力是最基本的要求。为此，中压断路器的本体和控制回路，可以增设了弹簧储能马达状态监控，分合闸线圈电流、开关位置和动作次数的状态在线监测，分合闸时间、速度、开距、超程的机械特性在线监测、基于非介入式霍尔传感器的电压电流测量、中置式断路器的电动化底座、非介入式监控合分闸线圈完整性等智能化所需的功能。

▲图9 低压断路器的智能化

      低压断路器，包括微型断路器、塑壳断路器、框架断路器。随着物联网技术的应用，三种类型的智能断路器均能实现无线远程分闸和合闸的功能，同时增加电流、电压、计量、显示等功能，大大简化馈线上的设备，是未来的发展方向。

结语
      智能配电系统应具有“清洁低碳、安全可控、灵活高效、智能友好、开放互动”等特点，具备反映复杂配电系统的电量特性和非电量特性的功能，具备较强视觉效果的可视化呈现，具备便于搭建信息网络的能力，具备为各类人员的需求而呈现必要的信息流的能力。随着物联网和通信技术的提升，传统配电系统已经向智能化配电系统进行逐步的变迁，相信未来在芯片技术和AI技术的广泛应用下，智能化配电系统一定会向智慧化配电系统全力地跃迁。

来源|电气新视界
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