过仕佳华南理工大学建筑设计研究院有限公司 广东 广州 510010

在数字化与电气化相容并进的时代，更多智能化手段与应用正逐步渗透于建筑领域。从建筑设计者的角度，如何看待数字化手段为建筑设计、施工与运维全生命周期的安全、稳定、效率及能效管理带来的效益？本文结合华南理工大学广州国际校区的工程实践，探讨智能配电如何为建筑能源管理提供帮助和提升[1]。

1 项目概况

华南理工大学广州国际校区位于广州市番禺区南村镇，校区总建筑面积约110万平方米。其中一期建筑面积约50万平方米，总投资36.79亿元，于2018年8月开工，2019年9月开学。二期建筑面积约59万平方米，总投资约53.7亿元，计划今年年底竣工。

校区变压器总安装容量约120000kVA，一期变压器总安装容量73800kVA，面积指标148W/m2。（不包括网络中心的总面积指标为111.5W/m2。）二期建筑面积约59万m2，变压器总安装容量为47950kVA，面积指标为82W/m2。各组团具体面积指标见表1。

表1 校区用电面积指标

2 学校的使用要求及配电系统的特点

目前在国际校区开设的专业有8个，分别是机器人工程、智能制造工程专业、微电子科学与工程、集成电路设计与集成系统专业、生物医学工程专业、分子科学与工程专业、人工智能、数据科学与大数据技术专业，均为当前最热门的前沿交叉学科专业。根据教学需要，校区已建成拥有化学中心、物理中心、电子电工中心、计算机中心等涵盖各类实验室52间、设备2120台/套。同时正在建设创新工场，努力打造成为国家示范性工程创新训练中心。创新工场将机器人、数字化、新材料等先进制造技术引入教学实践环节；规划设计包括智能机器人、无人驾驶、机器学习、3D打印、数字化加工、传统加工等25个实训模块，采用全天候24小时“智能图书馆”的管理模式，引导学生开展前沿探究、创新训练、竞赛驱动与创业孵化。

创新工场模式的实训室对配电运行和管理提出了更高的要求。设计提出了相应的实验室供电方案：通用实验室的动力配电均采用母线，每个小实验室留插接箱，大空间的实验室每隔一定距离留插接箱。这样可以大大提高供电的灵活性，也可以充分利用各个实验室的同时系数，提高供电效率。鉴于传统的配电系统在运行维护、设备资产管理以及供电连续性监测和分析等方面，已无法满足本项目全生命周期运行管理需求。设计在项目中采用施耐德的EcoStruxure智能配电平台，力求在满足更高稳定性与安全性需求的前提下，通过数字化手段，将运维管理及数据分析化繁为简。通过预测性维护，进一步提高运维效率和质量，实现节能降耗和可持续发展。使配电系统具有更高的灵活性和可靠性，再结合信息化和智能化的设备和管理手段来实现柔性供电。

3 学校智能配电系统架构

3.1 智能配电系统的网络架构

本项目智能配电系统网络架构由站控管理层、网络通讯层和现场设备层组成。

站控管理层主要由系统软件和必要的硬件设备组成。监测系统软件对采集的现场各类数据信息进行计算、分析与处理，并以图形、数显、声音等方式反映现场的运行状况。PSO本地电力监控系统、远程设备运维管理平台[2]。

网络通讯层主要是由通讯管理机、以太网设备及总线网络组成。该层是数据信息交换的桥梁，在负责对现场设备回送的数据信息进行采集、分类和传送等的同时，转达上位机对现场设备的各种控制命令。

现场设备层是数据采集终端，主要由智能仪表组成，采用具有高可靠性、带有现场总线连接的分布式I/O控制器构成数据采集终端，向数据中心上传存储的能耗数据。

3.2 硬件采集部分

3.2.1 中压系统监测

中压系统直接利用综合继保的数据，可以实现中压开关柜全状态监测。

3.2.2 低压系统监测

a.对于变压器测量其温度信号。

b.对于低压柜进线、母联及重要设备的出线回路等关键位置，利用框断路器内置的通信接口，直接读取断路器内部的测量数据。

c.低压柜各个出线回路，利用多功能电力仪表读取电流、电压、功率因数等参数，实验动力设备的供电回路还检测谐波等电能质量数据。通过断路器辅助触点读取断路器分合状态、故障状态。

3.2.3 楼层配电系统监测

对于树干式供电的回路，在楼层照明、空调及动力配电箱分别设置多功能仪表，实验动力的供电回路上仪表带谐波检测功能。

3.2.4 后台操作系统及功能

电力监控及能源管理系统能实现常规的“遥信”、“遥测”功能，不设置“遥控”功能。具体功能设置如下：

a.遥信：对开关运行状态、保护工作等进行监视。监控系统主监控画面显示各回路的运行状态，断路器变位时会发出报警信号，提醒用户及时处理故障。

b.遥测：显示主要设备的电参数，包括：线三相电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率、谐波、电流/电压谐波畸变率、最大/最小值等。重要回路还要求记录接地故障电流、故障分断电流、断路器触头老化分析等数据。

c.显示：可显示各回路基本信息，以图显形式实时显示各回路电参量。

d.运维提醒：根据数据分析断路器老化程度，判断设备寿命，及时提醒维护。

e.能耗数据分析：系统对监控数据进行能耗趋势分析和对比，为电力系统的优化提供决策依据。

4 智能配电系统对于项目运维的帮助

华南理工大学老校区由上世纪二十年代使用至今，虽然新建变电所大部分设置了智能仪表，原有的旧变电所很多也经过了改造。但是由于平台不统一，管理效率仍然很低[3]。主要采用人工巡检的方式管理，水电中心有约30位员工负责日常维护工作。当发现问题或供电系统故障时要通知厂家或供电局进行抢修，供电恢复时间往往比较长。这是典型的被动/定期维护，没有灵活性，效率低，响应速度慢，维护管理水平不高。

而在国际校区设计按照智能建筑（智慧建筑）的标准来打造，通过在一些关键位置部署具有“自我感知”能力的设备，并以数据作为其状态反馈信息的载体，配合智能化系统对不同区域的实时监控，以更加精细化和动态的方式，提升部署与楼宇内电气设备的能效和管理水平，才能为智慧、绿色校园带来强健的基底。

为了更好地帮助运维人员管理部署于校园内的海量设备状态，我们将智能配电系统的数据植入了开放式的、可集成于BIM模型中的解决方案，以提升整体运维效率。电力监控的数据结合BIM模型，动态直观展示，操作更加简便。

运维阶段采用数字化手段提升运维和能源使用效率很关键。我们的系统植入了各种低碳节能环保策略、数字化管理策略，其目的是打造绿色、节能、智慧校园，营造出一种人与自然和谐共生的学习、生活环境。作为典型的智慧校园，国际校区通过分布于不同功能区的智能化系统，为使用者提供舒适、安全、便捷的环境，充分满足信息化、网络化、智能化和绿色节能的要求。

传统电力监控系统大部分基于智能电表采集数据，在电能质量分析、能耗监测和能源管理方面功能比较完善。但传统电力监控因缺乏对开关元件的测量手段，无法及时监测到设备或系统存在的隐患，往往在故障发生并产生影响后，才会做出反应。

而智能配电系统能够更多地读取断路器内部的数据，除了兼有传统电力监控系统的功能外，智能配电汲取了众多数字化手段。通过对传感技术、物联网、大数据、人工智能等手段的整合，赋能于建筑电气设备与电气系统，让设备能够“自感知”，电气系统能够实现信息的互联互通，从多维度、全方位对设备、系统的运行进行统一管理与分散控制。智能配电还能随时帮助运维人员掌握系统隐患，并做到及时、有效的排除。同时，让数据从收集到分析，进而转化为切实可行的指导性建议。

以本项目为例，智能配电系统以数据作为从硬件、软件到应用层的重要连接，实现电力设备连接、系统架构、应用场景的全面覆盖，并实现了在多个领域的快速部署。该方案通过数据价值的深度挖掘，实现设备、系统互联，能够做到对区域内设备、系统状态全面感知、故障精准判断、集中在寒暑假对设备进行预防性维护，从而实现优化运行，精益运维，确保电气系统持续安全、稳定运行。

与此同时，国际校区的智能配电系统预留了与云端的接口。如果遇到现场无法解决的问题，可以把数据上传云服务器。借助设备厂家全球专家团队，获取更专业的分析与咨询服务。这让解决问题的时间大大缩短，排故精准度、效率、成本控制等方面都获得看得见的提升。

5 智能配电系统存在问题分析及展望

5.1 监控范围与投资的平衡

一方面，系统需要更多更细致的数据支撑，但数据的采集需要借助各种设备，如带有通信接口的智能断路器、各类仪表、通信模块及网络设备等。这会大大增加系统的建设成本。另一方面，海量的设备和繁杂数据如果不能变为直观的问题报告和管理策略，那只能会使管理人员无从下手，反而成为负担。这就需要系统的“大脑”主动对数据的深度挖掘，使配电系统的监测数据和分析报告能更为直观地呈现，帮助运维人员做快速的决策。但目前部分产品本地主机自动生成的报告可读性不高，集成商对于远程诊断和运维建议等服务，也是要额外收费的。由于国内用户的消费习惯，导致了此产品和服务的推广有一定的难度。

5.2 智能配电系统的主要功能和任务

很多同行提出，目前建筑内配电设备管理的智能化水平不高，无法打破建筑内电气系统间的“信息孤岛”，各个子系统之间不能有效协调，导致监控管理只能是点状行动，而不是整体性行动，因此无法及时发现能源使用不合理问题，更易造成能源的浪费。有很多厂家提出柔性供电，需求侧管理等理念[4]。有利用电池等方式储能削峰填谷；也有针对空调和热水系统的管理，错峰用电的方案等。

但目前来看，建筑内部各个设备还是由一个个子系统分别控制，如智能照明、电梯、空调系统、水系统等，再通过BA系统对这些子系统进行集成。BA系统经过多年的发展，有相对完善的测量和执行机构，也有成熟的控制程序，其针对电梯、空调、水泵等设备的运行特点，有对应的控制流程。以笔者的观点看，目前智能配电系统还是应该以BA的一个子系统存在。立足于配电系统本身安全运行，同时将能耗情况反馈给BA，通过BA系统联动控制调节电梯、照明、热水系统水温、充电桩的输出等，让用电负荷与供电系统匹配。

6 总结

华南理工大学国际校区智能配电系统的建设目标是通过电能质量管理和电力监控的整体解决方案，在确保供配电系统安全稳定运行的同时，实现预测性运维，提高能源效率和可持续发展。目前，一期已经运营了一年时间。我们基本实现了电能质量监控自动化、能源使用管理精细化、运维值守无人化的“三化合一”模式，让整体效率更高，管理成本更低。

在能源世界正趋于更加数字化、低碳化、分散化、电气化的当下，基于新一代信息通信技术与新型配电需求深度融合，更加高等级的数字化智能配电解决方案及服务，将越来越多的被采用，服务更多的用户。