浅谈智能化供配电系统设计

摘要：智能化供配电系统是建筑设备自动化系统中的一个重要部分，随着建筑智能化水平的提高，对供配电系统设计要求也越来越高，因此本文对智能化供配电系统设计中的网络结构、监控设备、节能措施等问题进行了探讨。

关键词：智能建筑，供配电系统，检测，节能

Abstract: Intelligent power supply and distribution system is an important part of BAS building automation system. With the improvement of the intelligent level of building, the demand for design of power supply and distribution system are more and more. The paper have a brief discusses about network configuration, monitoring installations and energy-saving measures.

Keywords: intelligent building，power supply and distribution system，monitoring，energy-saving

U223

前言

在智能建筑中，除常规的建筑设备外，还配置有众多的智能化系统设备，因此智能建筑对供配电系统的要求较一般建筑物高许多，它不仅对供电的可靠性要求很高，而且对节能措施、电能质量的要求也大大提高。因此，如何做到最大限度地节电以及充分利用可再生能源，使智能建筑成为节能环保的绿色建筑等是当今智能建筑的供配电系统应该完成的重要任务。

一、智能化供配电系统的监控功能

智能化供配电系统与常规供配电系统最大的区别是具有供配电监控系统，根据2008年建设部修订后颁布的JGJ 16-2008《民用建筑设计规范》规定：建筑设备监控系统应对供配电系统下列电气参数进行监测：（1）10（6）kV进线断路器、馈线断路器和联络断路器，应设置分、合闸状态显示及故障跳闸报警；（2）10（6）kV进线回路及配出回路，应设置有功功率、无功功率、功率因数、频率显示及历史数据记录；（3）10（6）kV进出线回路宜设置电流、电压显示及趋势图和历史数据记录；（4）0.4kV进线开关及重要的配出开关应设置分、合闸状态显示及故障跳闸报警；（5）0.4kV进出线回路宜设置电流、电压显示、趋势图及历史数据记录；（6）宜设置0.4kV零序电流显示及历史数据记录；（7）宜设置功率因数补偿电流显示及历史数据记录；（8）当有经济核算要求时，应设置用电量累计；（9）宜设置变压器线圈温度显示、超温报警、运行时间累计及强制风冷风机运行状态显示。

柴油发电机组宜设置下列监测功能：（1）柴油发电机工作状态显示及故障报警；（2）日用油箱油位显示及超高、超低报警；（3）蓄电池组电压显示及充电器故障报警。

但在许多工程中，实际的需求往往已经超过了上述规定。对于某个具体的系统而言，究竟需要哪些功能要根据用户的具体要求来定，可以增加也可以减少。

二、智能化供配电系统的网络结构

智能化供配电系统实质上是一个局域网系统，同时也是实时过程控制系统，其网络结构包括集中式控制系统、分布式控制系统、现场总线控制系统、网络集成系统。 其网络结构的合理性决定了整个系统的稳定性、可靠性以及投资的合理性，因此必须认真规划，仔细设计。智能化供配电系统网络结构的选定一般应符合下列设计原则:（1）满足集中监控的需要。（2）网络结构应与系统规模相适应。（3）尽量减少故障波及面，实现“危险分散”。（4）减少初投资。（5）系统扩展易于实现。

根据《民用建筑电气设计规范》JGJ/T16-2008的规定，建筑设备自动化系统宜采用分布式系统和多层次的网络结构，并应根据系统的规模、功能要求及选用产品的特点，采用单层、两层或三层的网络结构，但不同网络结构均应满足分布式系统集中监视操作和分散采集控制的原则。

供配电监控系统和其他建筑物自动化系统一样采用分布式系统和多层次的网络结构，其结构由三层组成：现场I/O设备、控制层、管理层。现场I/O用于现场设备状态信号和运行参数的采集，对现场设备进行操作进行控制；控制层是整个系统的控制中心，检测和控制供电系统的运行；管理层用于人机对话、数据处理和存储管理，以及与建筑设备管理系统通信。供配电监控系统的结构如图1所示。对中小型系统，可以忽略控制层，将其功能分散到管理层，此时的控制层设备就是通信控制器或者网关一类的设备。

三、智能化供配电系统的监控设备

1．现场I/O设备

智能化供配电监控系统的现场I/O设备包括综合保护装置、网络电力仪表、电能质量检测装置、远程数据采集模块等。所有现场I/O设备相对独立，按一次设备对应分布式配置，完成供配电系统的保护、控制、检测和通讯等功能，同时具有动态实时显示开关设备工作状态、运行参数、故障信息。

现场I/O设备的配置方式一般有集中式配置和分散式配置两种。分散式配置方式是将各种现场I／O设备分别安装在各配电柜中，与配电柜融为一体，构成智能化配电柜，经RS485通讯接口接入现场总线，这种配置方式优点是柜间连线少，通常只有通信电缆和监控管理系统电源线；缺点主要是增加了配电柜制造和安装调试时的协调工作量，另外系统只能在现场进行调试，周期较长。集中式配置方式是将各种现场I／O设备集中配置在监控柜中，优点是监控管理系统和配电柜分别制造和安装，相互间通过二次信号线相连，协调配合比较简单，另外监控管理系统的硬件和软件都可以实现标准化、产品化，从而进一步提高了系统的可靠性；缺点主要是配电柜与监控柜间的连线加大了安装布线的工作量。

（1）综合保护装置

综合保护装置用于检测和保护3～10kV电力设备和线路，比如变电站进出线保护、母线及馈线保护、变压器保护、电动机保护和发电机保护等，综合保护装置和控制单元安装在开关柜上就构成了中压开关柜微机保护监控系统。微机综合保护装置集保护、网络诊断、开关设备诊断、遥测、遥控、遥信、通信等于一体，一般提供网络通信接口，如RS-232、RS-485可以接入BAS系统，实现远程监控。

（2）网络电力仪表

网络电力仪表是针对电力系统、工矿企业、公共设施、智能大厦的电力监控需求而设计的。它能测量所有的常用电力参数，如三相电流、电压，有功、无功功率，电度、谐波等。网络电力仪作为远端监控系统（SCADA）的前端，可联网使用，亦可单独使用。

网络电力仪表采用异步半双工 RS485 的通讯接口和 MODBUS-RTU 通讯协议，在一条线路上可以同时连接多达几十个网络电力仪表，每个网络电力仪表均可设定其通信地址。

（3）电能质量检测装置

电能质量检测装置是高性能的数字化仪表，具有数据采集与控制功能的设备，可以通过以太网和嵌入式网络服务提供许多测量功能，并为集成提供方便。电能质量检测装置主要用于供电质量及可靠性要求很高的场合，通常用在高压或低压的主进线和带有敏感设备的主回路上，为用户提供控制成本、提高电能质量、减少设备故障所需的信息。不同档次、不同品牌的电能质量检测环视功能和测量精度各不相同。

（4）远程数据采集模块

远程数据采集模块是用于检测变配电设备状态、故障报警、相关参数采集和控制信号输出的一种智能仪表。它通过现场总线与可编程控制器或监控计算机相连，并受可编程控制器或监控计算机的监控。常用的远程数据采集有开关量输入（遥信）模块、脉冲量输入（遥脉）模块、开关量输出（遥控）模块和模拟量输入（遥测）模块。所有的RTU都具备带光电隔离的RS485通信接口，支持MODBUS-RTU等现场总线：具有一定的防护等级，如IP40等；一般都能在较恶劣的环境中工作；既有卡装在标准导轨上的，也有面板安装的。

2.控制层

控制层对现场发生的过程量作数字采集和存储，并通过控制网络向上传送，同时本身也完成局部的闭环控制或顺序控制，是整个系统的控制核心。控制层应由通信总线和控制器组成。通信总线的通信协议宜采用TCP/ IP、BACnet、LonTalk、Meter Bus和ModBus等国际标准。控制层的控制器(分站)宜采用直接数字控制器(DDC)、可编程逻辑控制器(PLC)或兼有DDC、PLC特性的混合型控制器HC(HybridController)。在民用建筑中，除有特殊要求外，应选用DDC控制器。

3.管理层

管理层应具有下列功能：监控系统的运行参数；检测可控的子系统对控制命令的响应情况；显示和记录各种测量数据、运行状态、故障报警等信息；数据报表和打印。管理层是供配电监控系统的监控中心，由监控软件、服务器、监控计算机、大屏幕监视器、打印机、动态模拟显示屏、通信机柜、UPS电源及其他附属设备。其中服务器和监控计算机是整个系统管理层的核心设备，主要作用是人机对话的界面；数据和信息的处理、存储及管理；模拟屏的驱动与控制；与BMS等通信联网。

监控站的服务器与监控计算机的数量应根据实际需要确定，对于单个变电站的小型供配电监控系统可以只设一台监控计算机，对于多个变电站的中大型供配电监控系统，应设服务器专门进行数据的处理和数据库的管理，同时可设多台监控机。

4．网络通讯

网络通讯是现场I/O设备与管理层设备实现数据交换的通讯设备和通讯线路的总称，包括以太网关、以太网交换机、光纤收发器、光交换机以及路由用的光缆、通讯电缆等，根据每个项目的实际情况，设计相应的网络结构，配置相应的通讯设备。对于单个变电站的小型系统采用现场总线和以太网的网络组织形式。对于多个变电站的大中型系统，采用光纤通讯网络与现场总线、以太网相结合的网络组织形式，其中站站之间采用光纤星型网络或光纤冗余环型网络，站内采用现场总线和以太网的网络。

5．供配电监控系统应用软件

供配电监控系统的应用软件一般和设备配套，采用专用软件，如配电系统监控和能源管理软件，也可以采用通用软件，又称监控和数据采集软件（SCADA）。对软件的要求是：（1）具有良好的人机界面，丰富、方便；（2）具备完全开放的面向各种智能监控设备的通讯驱动程序；（3）满足楼控系统、上级管理系统、供电调度中心等系统的数据交换和管理。

四、智能化供配电系统设计中的节能措施

供配电监控系统除了对供配电系统安全运行、正常供配电进行监视外，还应对系统中的电力设备及参数进行控制与调度以达到节能的目的，这些节能措施主要体现在以下几个方面。

1.合理设置变电所位置

变压器尽可能靠近负荷中心，这样可以缩短低压（220/380V）配电线路长度，降低线路损耗。在送电功率(P)不变条件下，线路电流(I)与电压(U)成反比，见式(1):

低压380V为中压10kV的线路电流的26.3倍，而线路的电功率损耗又与电流的平方成正比，见式(2):

则用380V送电为10kV的功率损耗的690倍。因此，智能化供配电系统如使10kV线路深入、靠近负荷中心(如制冷机、泵等)，对大型建筑可降低年损耗约几万千瓦时。

2.无功功率的自动补偿

智能楼宇中用电设备的功率因数较低，如：冷冻机、水泵、送排风机等，功率因数约为0.5～0.65，功率因数偏低将使线路电流加大，从而大大增加线路损耗；同时，电流加大，将增加变压器损耗，降低变压器利用率。在智能建筑中可以采用电力电容器作为无功补偿装置就地补偿，也可以采用高低压配电柜中设置电容器柜进行集中补偿。

智能化供配电系统设计中可根据检测到的无功功率或功率因数自动进行补偿电容的投切，从而保证系统中的无功功率或功率因数始终在设定的范围内。

3.变压器选用与节能

一座大中型建筑，变压器容量可达5000～10000kVA，年用电总量达几百万至千多万千瓦时，变压器年损耗达几万至十几万千瓦时。智能化供配电系统通过采用新型节能变压器；合理确定变压器的容量，使变压器负载率在0.5～0.7；提高变压器的功率因数，降低谐波含量等这些措施，从而可以降低变压器20%～30%的年损耗。

4. 合理调度负荷

当两个或多个大容量电动机负荷同时启动时，智能化供配电系统会自动将他们的启动时间错开，从而达到消减峰值负荷减少电费的目的。夜间轻载时，智能化供配电系统将根据监测到的负荷情况自动或通过提示由人工改变配电系统的运行方式，切除部分负荷的变压器，由其他变压器为这些负荷供电，从而降低了变压器的空载损耗，改善了供电质量。

5.谐波治理与节能

谐波主要来自电视机、计算机、UPS、整流器、变频调速、放电灯的电子镇流器等。谐波的危害很多，主要有波形的畸变，造成对电网的污染，对微电子设备的干扰；降低线路的功率因数；增加线路电流，加大变压器及线路的损耗。智能化供配电系统治理谐波的措施有两个，一个是尽可能选择低谐波的设备、器材（如电子镇流器）；另外就是设置滤波装置，自动控制无源滤波器滤波电感和电容的投切，对谐波污染进行有效控制或补偿，保证母线电压/电流的谐波含量在规定的允许值以下。

五、结束语

随着计算机技术、网络技术、现场总线技术和测控技术的飞速发展，传统的供配电系统正向测控智能化、监控无人值守化、信息交换网络化的智能化供配电系统方向发展，将供配电监控系统应用于智能建筑中，对整个建筑的供配电系统进行实时检测，不仅大大提高供配电系统的可靠性，确保大厦的 动力 系统正常运行外，还可以大大地提高其工作效率，节省能源消耗。

参考文献

[1]《智能建筑设计标准》（GB/T50314-2006），

[2]《民用建筑电气设计规范》 （JGJ 16-2008）

[3] 张九根，智能建筑电气设计基础[M]，北京：中国建筑工业出版社，2008

[4] 郑清明编著，智能化供配电工程[M]，北京：中国电力出版社，2007.8

[5] 戴瑜兴主编，建筑智能化系统工程设计[M]，北京：中国建筑工业出版社，2005.4