薛素芹，李道真

（1.江苏联宏智慧能源股份有限公司，江苏 南京 210046；2.东南大学总务处，江苏 南京 211102）

0 引 言

配电智能化是目前高等院校后勤管理工作中的一个重点方向。为了满足学校后勤管理部门日常运行管理的需求，提高配电系统运行的高效性、可靠性以及安全性，降低运行费用，减轻维护人员的劳动强度，有效提高学校的整体管理水平，东南大学九龙湖校区在学校整体配电网络基础上建设完成了基于工业物联网技术的配电智能化系统。

1 项目概述

东南大学九龙湖校区配电智能化系统于2019年建设完成，主要完成了九龙湖校区5个10 kV开闭所、27处区域变配电室的供配电系统高低压回路监控、变压器温度监控、配电室视频联动监控以及对10 kV高压系统配电线路自动化故障隔离和故障自愈的联锁控制等内容。目前，系统运行情况良好，极大地提高了学校后勤供配电系统自动化运行管理水平。

系统总体建设目标包括4个方面。首先是电能在线计量，包括配电系统高压侧回路用电计量、配电系统低压侧总进线回路用电计量以及配电系统低压侧出线回路用电计量。其次是电力运行监测，实时监测高低压侧各回路电压、功率因数、谐波以及频率等电能质量和电力监控终端、断路器以及微机保护等设备的运行状态。再次是远程智能监控，包括开闭所及变配电室的安防视频联动监控、高压侧及低压侧回路远程通断控制以及变压器运行时的温度监控。最后是电能安全管理，包括变压器异常运行参数报警、高低压回路异常运行报警、室内烟感、温感及水浸等环境异常情况报警以及室内温湿度等环境参数监测，且用户电脑端和手机端同时接收报警信号。

2 需求分析

2.1 系统性

配电智能化系统建设必须与数字化校园建设相兼容。为实现用能安全、电能质量监测以及能耗计量，则配电智能化系统应具备可靠、稳定以及实时的技术特点，应采用系统化技术实现监、控、管一体化的目标。配电智能化系统的建设需从仪表装置、计量信息接口技术、远程传输网络、系统平台、应用软件、系统可靠性以及环境适应性等方面综合考虑，以满足建设的系统性需求。

2.2 完整性

配电智能化系统的设计应充分考虑用能安全、电能质量监测、能耗计量以及节能控制等功能的完整性，从而建立一个实用、开放、先进以及完整的系统，为配电智能化系统建设提供坚实的技术基础。

2.3 发展性

配电智能化系统设计须充分考虑系统的可扩展性、灵活性以及兼容性，通过增加网络设备、电操机构以及智能终端等实现扩展升级，具备从主回路开关监控到各低压出线回路监控的发展性，最终实现全校配电系统的全面智能化。

3 技术路线

系统采用国际先进的基于工业物联网分布式的实时现场控制网络技术，信息传输可靠性高、延迟时间短且带宽较宽，具有拓扑结构灵活、传输稳定可靠、传输速度快以及抗干扰性强等优点，还可无限扩大网络规模，与以太网实现无缝链接。该配电智能化系统综合运用了计算机、物联网以及智能控制等技术，建立了一种新型的配电智能化信息管理平台。

通过对传统配用电电气成套设备配置高可靠性的多功能电力监控终端、视频安防监控设备、智能传感器、工业物联网和工业以太网设备以及专业化远程智能实时监控软件，构建配电智能化测、控、管一体化的硬件和软件系统，实现“遥测、遥信、遥调、遥控、遥视”的智能化运行监控，从而为用户建立无人值守的高效配电管理提供智慧化监控手段。

4 系统设计

4.1 系统架构

配电智能化系统架构由监控中心、远程传输网络、现场网络、网络控制器、多功能电力监控终端以及智能网关等组成。系统硬件采用分层部署的思想，划分为主站管理层、通信网络层以及现场设备层。系统支持各类电力监控终端、控制器以及传感器的灵活接入，运行后可根据需要扩大管理范围或增加相关仪表设备，且不影响原有系统运行。

4.1.1 主站管理层

在校园的监控中心设置一套配电智能化系统。系统由系统软件、服务器以及工作站等组成，支持以太网络通信，具有大容量存储空间。通过配电智能化系统进行电能数据的汇总、统计、对比、分析以及直观展现，得出电气容量负载率和电能平衡度等分析结果，并通过直观的图表等多角度展现给各级领导和各管理部门。此外，根据这些分析结果可帮助学校制定考核、管理制度，辅助领导决策[1]。

4.1.2 通信网络层

通信网络层是主站管理层与现场设备层的中间连接部分，负责上传数据和下达控制指令。通信层可以储存不少于30天容量的数据，以防止因网络故障导致的数据丢失。该层的主要设备包括网络控制器、工业网络交换机以及协议转换模块等。

通信网络层的传输通道包括现场总线网络和100M/1 000M以太网网络。其中，现场控制网络负责网络控制器和现场终端设备中数据的双向通信，以太网网络负责网络控制器和主站管理层的双向通信。

4.1.3 现场设备层

现场设备层是系统的基础数据来源，也是执行控制指令的硬件基础。所有设备需要具有远传通信接口，支持国际通用的通信协议，还可进行数据上传和接收上层控制指令。该层设备主要包括多功能电力监控终端、微机保护装置、变压器温度控制器以及传感器等。

网络控制器与现场设备之间采用符合国际通信协议标准的物理连接。网络控制器支持周期方式数据通信、固定时刻数据通信以及当前时刻数据通信，同时支持本地及远程配置功能和断点续传功能等。

4.2 监控中心

监控中心由监控工作站、服务器、显示设备、系统软件及应用软件等设备组成。监控中心实时监控管理现场的电力数据和视频数据，将配电系统的各种设备的运行状态、电力测量参数、各类能耗数据、各类报警以及操作事件等信息存贮在服务器的实时数据库，以便进行查询、显示及打印等操作。

4.3 主干通信网络

为了保证配电智能化系统的实时性、安全性以及可靠性，配电智能化系统主干通信网络采用独立光纤网络进行设计。主干通信网络同时完成现场电力数据和视频数据的网络传输工作。由于电力数据和视频数据在传输时所占用的带宽存在较大差异，因此为了保持两者数据的高效传输，选用具备带宽划分功能的光纤交换机合理划分主干通信网络的带宽，以解决网络延迟和阻塞等问题，从而提高网络通信的质量。

4.4 开闭所智能化监控

4.4.1 高压回路监控

高压回路监控是通过在高压配电回路上安装多功能电力监控终端监测配电回路的各项运行参数，从而保障配电回路的用电安全。系统设备运行安全监测将与微机综合保护装置相配合，通过数据网关将现有的继保装置纳入本系统中，并借助继保装置现有的控制线路对断路器的电操机构进行操作，完成对回路的分合闸控制。

4.4.2 视频联动监控

视频联动监控主要对开闭所内的各种危险信号进行实时的反馈式监控。通过配置高清摄像机、红外微波双鉴控测器、感温探测器、感烟探测器以及水浸传感器等视频监控和安防设备，可及时将入侵报警、高温报警、烟雾报警以及水浸报警等报警上传到监控中心。监控中心可以控制每个摄像机，远程监控现场设备的运行情况。当有报警信号发出时，系统立即将摄像机转动到发出信号的对应位置，将该位置的视频图像进行局部放大，并以弹窗的方式呈现在系统的应用软件界面，同时发出报警信号，方便管理人员及时排除安全隐患。

4.5 变配电室智能化监控

4.5.1 高压回路监控

通过在各变配电室的10 kV开关柜（环网柜）配置多功能电力监控终端，实现各高压回路的用电实时计量监测功能；通过对高压断路器的电操机构进行操作，完成对各高压回路的分合闸控制；通过对10 kV开关柜（环网柜）二次设备配置相应的继电器、接触器以及转换开关等控制元件和信号元件，使各变配电室的10 kV馈线回路相互制约，实现各高压馈线回路的电气联锁控制，并配合各高压开关柜中隔离开关和断路器之间已有的机械联锁，保证各变配电室高压侧回路安全可靠运行[2]。

4.5.2 变压器安全监控

通过配置具备通信模块的变压器、温度控制器以及数据网关，将变压器温度监控接入系统，实现远程监测变压器运行时的温度和冷却风扇的运行状态，实时将监测到数据反馈到系统平台。依据监测到的温度远程对冷却风扇做自动启停控制，当风扇开启后，如果监测到变压器的温度超过限定值，那么系统将发出变压器超温报警，并通过系统平台发出报警信息。此外，当风机出现运行故障时或发出故障报警时，通过系统平台及时通知检修人员。

4.5.3 低压回路监控

各变配电室的低压总进线和母联回路配置了多功能电力监控终端，监测配电回路的三相线电压、三相电流、有功功率、无功功率、视在功率、有功电度、无功电度、功率因数、频率、电压不平衡率以及电流不平衡率等参数，保障配电回路的用电安全，并精确计量各对应回路的用电量。终端同时具备控制功能，可通过数字量输出端口与低压断路器的数字量输入端口进行通信，直接操作框架断路器的电操机构，完成对回路的分合闸控制。

4.5.4 视频联动监控

变配电室安防视频联动监控的方案与开闭所的方案内容总体相同，不再重复阐述。不同之处在于除了对配电柜进行视频联动之外，它还将对变压器进行联动监控。当变压器的温度控制器监测到异常运行参数时，系统立即传送变压器的局部高清图像并同时发出报警信号。

5 系统功能

5.1 配电系统实时计量监测

系统可根据实际配电系统组态模拟配电系统图，对配电系统的配电回路和设备进行实时在线计量和监测。在配电系统图上点击相应回路和设备，可进行各种参数和状态的监测与查询。通过将整个配电拓扑信息图清晰展示于界面，运维管理人员可直观实时监测每一条用电支路的电压、电流、有功电能、实时功率以及谐波等参数。

5.2 配电系统远程分合闸

系统软件可在模拟图上通过用电保护装置、环网柜或断路器监控界面直接对回路进行分合闸操作。进入操作界面后，软件将详细列出该装置或回路的各项具体参数和运行状态，可通过选择合闸或分闸按钮远程切换通断运行状态。此外，可根据控制策略实现自动故障定位、自动故障隔离、配电网络重构以及高压联锁控制等。当配电线路检修或故障时，可在几分钟内迅速恢复供电，大大缩短了现场的停复电操作时间。

5.3 变压器智能监控

系统软件通过变压器温控仪实时监测变压器运行时的温度和冷却风扇的运行状态。依据监测到的温度，可远程对冷却风扇做自动启停控制。当监测到变压器的温度超过限定值时，系统将发出变压器超温报警，并通过系统平台及时通知检修人员。

5.4 视频联动监控

系统可通过高清网络摄像机在监控中心实时监控开闭所和变配电室内设备的运行情况，并对其进行自动记录。红外传感器可监测人员的进出，通过和摄像机的联动功能监控进出所内的人员。烟雾传感器可探测房间是否发生火灾等险情。温感探测器可探测房间是否有异常高温。水浸传感器可探测房间是否存在涉水险情。通过图像监控、环境监控以及灯光联动，可监视现场设备的运行情况及环境情况，同时与配电回路监控联合工作，及时获取异常设备的状态信息。

5.5 安全实时报警

通过实时采集数据对系统各环节进行故障监测、报警及处理。报警包括电力参数报警、用能异常报警以及环境安防报警等。报警可通过视频联动等手段，帮助运行维护人员及时了解变电所内的运行情况，并及时采取措施。系统可依据需求生成各类数据趋势曲线、各类统计报表以及未来负荷预测等，通过深层次对比分析海量监测数据，为学校电力运行管理部门提供丰富且强有力的信息化管理手段，加强重点用能单位的节能安全管理，提高能源利用效率和经济效益。

5.6 电气联锁控制

通过在各开闭所和变配电室高压开关柜上配备微机综合保护装置、智能网关以及多功能电力监控终端等智能控制设备，实现各高压馈线回路的电气联锁控制。在配电线路发生故障时，及时对高压配电系统进行故障快速切除与隔离、故障定位以及网络重构，使现场终端设备的性能更先进，配电网络更加安全可靠，实现远程自动化操作[3]。

6 结 论

基于工业物联网技术的东南大学九龙湖校区配电智能化系统的正常投运，极大地提高了校区供电的可靠性和安全性，实现了无人值守、自动投切、故障保护、远程操作以及实时监测等各项功能，使整个校区的配电网处于安全高效的运行状态。通过建设该系统，可使供配电系统合理、安全、高效且稳定运行，减少了运行管理人员和维护费用，且适应技术发展的需要。此外，该系统具有较高的可靠性、安全性、开放性以及扩展性。