1、变电所参数监管系统在高校建筑节能中的应用 刘建萍 郝旭文 赵然 北京工业大学 摘 要： 以北京工业大学节约型校园节能监管体系示范项目建设为背景, 着眼于校园建筑低压配电系统的节能增效需求, 从变电所参数监管系统的系统架构、功能特点等方面对该系统进行介绍, 并对其在校园建筑节能监管方面的应用效果进行讨论。关键词： 高校建筑; 建筑节能; 变电所参数监管系统; 数字化能源监控平台; 物联网; 远程监测; 三相不平衡; 无功补偿; 作者简介：刘建萍, 女, 北京工业大学, 研究员。作者简介：郝旭文, 男, 北京工业大学, 高级工程师。作者简介：赵然, 女, 北京工业大学, 工程师。收稿日期：2017
2、-09-04基金：中国教育后勤协会能源管理专业委员会 2016 年度教育节能课题研究项目, 项目名称:高校能源资源节约方法与技术路线研究, 项目编号:ZD201605Application of Transformer Substation Parameter Monitoring System in Energy Conservation of Buildings of Universities and CollegesLIU Jianping HAO Xuwen ZHAO Ran Beijing University of Technology; Abstract： Based on th
3、e construction of the demonstration project of conservation-oriented campus energy-saving monitoring system of Beijing University of Technology and in consideration of the requirements for energy conservation and efficiency improvement of the low voltage distribution system of campus buildings, the
4、system architecture and functional characteristics, etc. of the transformer substation parameter monitoring system are described and its application in the energy conservation monitoring of campus buildings is discussed.Keyword： buildings of universities and colleges; building energy conservation; t
5、ransformer substation parameter monitoring system; digital energy monitoring platform; Internet of Things; remote monitoring; three-phase imbalance; reactive compensation; Received： 2017-09-040 引言根据国家发展规划要求及教育部关于勤俭节约办教育建设节约型校园的通知“十二五”建筑节能专项规划高等学校节约型校园建设管理与技术导则 (试行) 等文件内容, 提升能源资源利用效率, 落实节能增效, 充分发挥高校在
6、建设节约型社会中的示范引领作用已经成为高校运行管理工作的重要组成部分1。高校配电系统是保障学校教学、科研工作正常运行的重要条件。随着学校办学规模的不断扩大, 用电需求增加, 用电负荷加大, 电力系统规模不断扩大, 线路损耗相应增加。由于学校教学、科研工作内容不同, 用电设备种类多样, 往往是感性负载、容性负载和阻性负载共同接入低压配电网, 如实验内电阻炉、电焊机和电子镇流器等, 会导致电网中无功属性的变化, 导致电能质量降低、电能损耗增加2,3。非线性负载的存在也会导致线路中产生谐波, 不仅降低了电能质量, 还可能造成变压器局部过热, 缩短其使用寿命, 降低供电可靠性4。电网负载的时变和波动特
7、性又可能造成三相电流不平衡, 影响线路电能质量, 潜藏安全隐患5。对于这些问题, 由于受条件和技术限制, 运维人员并不能完全知晓相关电能参数, 或者在出现问题时无法及时了解情况, 致使变压器长期以不合理、不稳定的状态运行6,7。如何准确、及时地获取电能参数, 落实建筑节能监管, 保证供电可靠性与稳定性, 降低低压配电线路损耗, 实现节能增效, 降低办学成本, 是具有现实意义的研究课题。物联网通过对物体或过程的属性进行标识与识别实现对物体或过程的感知, 然后借由网络将信息传输到管理平台进行整理、加工、分析和处理, 最后利用分析与处理的结果, 通过应用终端实现监控与管理, 对客观世界中的物品进行管
8、理和相应控制8。这一集合了感知标识、通信网络和信息处理的新一代信息技术为设备设施的远程管理提供了解决方案9。自 2008 年住建部和教育部联合发布了高等学校节约型校园建设管理与技术导则 (试行) 后, 物联网技术逐渐被引入校园, 用于对学校水、电等能源资源消耗情况的远程监管。北京工业大学依托这一技术, 以校园网为数据传输载体, 于 2010 年起建设了“一个系统平台、多个子系统”为构架的数字化能源监控平台系统, 构建建筑节能监管体系。变电所参数监管系统作为其中的一个子系统, 实现了对校园低压配电网电能质量参数的实时监测与远程管理。本文将以该子系统为案例, 对其建设与应用效果进行讨论。1 变电所
9、参数监管系统架构1.1 数字化能源监控平台系统架构数字化能源监控平台系统的建立基于 Front View 技术实现。系统以工业实时Web 服务、国际标准 OPC 服务、现场设备组态以及安全门户服务为核心技术基础, 融合 Web 报表服务、Web 地图服务、视频监控服务为一体, 以构建符合分布式监控、网格化管理、应用层大集成而需要的平台。基于 Front View 技术的Front View 系统平台, 采用了目前国际推崇的开放平台建设技术、子系统嵌入技术等一系列先进技术, 具有很好的扩展能力和兼容能力。1.2 变电所参数监管系统架构变电所参数监管系统为数字化能源监控平台系统的一个子系统, 采用
10、 B/S 开发架构, 通过服务器层、智能数据网关层与终端多计量仪表层之间的数据传输实现对电能质量与用电量的实时监测和精细化管理。变电所参数监管系统架构分为现场管理层 (感知层) 、通讯管理层 (传输层) 和系统管理层 (应用层) , 如图 1 所示。现场管理层由次级总开关参数监测模块、回路参数监测模块等组成。现场管理层主要通过安装各类表具对配电系统的运行参数进行实时数据采集。通讯管理层主要由智能数据网关、以太网交换机等设备组成。智能数据网关将设备采集数据由 RS485 协议转化为 TCP/IP 协议, 并通过以太网交换机接入校园网。系统管理层由服务器和管理终端等组成, 其中服务器分为应用服务器
11、和数据服务器。管理终端目前主要为 PC 和平板电脑, 未来还将扩展至手机终端, 多样化的管理终端使得在任何已有网络的环境下都能够对系统进行操作管理。图 1 变电所参数监管系统架构拓扑图 Fig.1 Topological graph of the transformer substation parameter monitoring system 下载原图1.3 变电所参数监管系统规模变电所参数监管系统的建设以“全面规划、分步实施、重在运用”为原则, 目前已经实现了对 29 台变压器的远程实时监测, 覆盖了校内的 20 栋建筑, 建筑面积 359 448.31 m;布署温度传感器 29 个、遥
12、信单元 25 个、多功能电力仪表358 块;数据上传周期不大于 5 min, 所有数据的存储期限为 5 年, 超出存储期限后新数据将按照旧数据写入的先后顺序逐一替换旧数据。2 变电所参数监管系统功能系统功能主要是对变电所内进线柜、出线柜等变配电设备进行参数监测, 实现校园变配电系统集中监管, 设备运行状态实时仿真, 运行异常情况及时告警, 减少校园低压配电故障风险, 提高能源使用效率。系统功能主要概括为以下 5个方面:a.实现在监控室将校园数量众多的变配电所“观瞬变、悉全景”, 改变以往人工管理的传统工作方式, 从而降低工作强度、提高管理效率。b.实现校园供电系统图、一次模拟图、配电柜图等在系
13、统中实时查看, 并对供电走向、当前运行参数等如实还原, 便于运维人员有效、精确管理。c.对变电所各进出线回路、变配电设施等进行实时参数监测, 提高校园变配电系统的安全可靠性;系统还可对配电运行故障实现预测和实时告警。d.实现对校园重点功能建筑配电的强化保障, 及对配电连续性保障等进行提前调配和防范。e.对学校各建筑楼宇、公共区域、重点设施、院系部门电能使用进行实时监测, 对电能流向进行有效管理, 为未来供配电容量调整、提高供电效能等提供数据基础。3 实施效果3.1 设备健康档案的智能化管理通过监测设备的安装与集成, 实现了对变压器温度、出线柜开关状态、电能质量的监测, 获得低压配电线路的各项电
14、能参数, 包括相电流、相电压、功率因数、用电量、最大需量、有功功率、无功功率、3 次谐波、5 次谐波、高次谐波等参数 200 余个, 图 2 所示为综合楼 1 变压器的主要运行参数及 24 h 视在功率曲线图。用电量数据可形成以日、月、年为单位的统计报表, 实现了数据的有序化。长期存储的历史数据记录了变压器和配电线路等设备设施的运行状态轨迹, 采用信息化技术对设备健康档案进行智能化管理, 对于异常状态的查询、产生原因的追溯和设备设施老化程度的判断有重要作用。同时, 庞大的历史数据为数据分析提供了基础, 根据正确组织和处理数据所形成的有效信息, 就能够掌握设备设施的运行规律, 有助于预测未来可能
15、出现的问题, 尤其是电力系统中可能出现的各种安全隐患, 防微虑远, 保证校园供电的安全、可靠。3.2 供电安全隐患的可视化管理变电所参数监管系统实现了变压器运行状态和配电线路电能质量的可视化, 有助于合理分配资源, 并发现系统中潜在的安全隐患。以北京工业大学综合楼变电所 3 变压器为例, 通过监测数据分析发现该变压器下配电柜因负载不平衡导致三相电流不平衡, 中性线电流最高达到 157.5 A, 如图 3 所示。学校在数据分析的基础上根据实际用能需求, 采取调整负载的方案将供电电能进行重新分配优化, 将负载设备改接至其它变压器。改造后三相电流不平衡度显著减小改善了电能质量, 提高了电能使用效率,
16、 避免了安全事故的发生, 保障校园供电的持续性。图 2 综合楼 1 变压器主要运行参数及 24 h 视在功率曲线图 Fig.2 Curve of main operating parameters and24 h apparent power of No.1 transformer of the integrated building 下载原图图 3 综合楼 3 变压器出线柜电流曲线 Fig.3 Current curve of outgoing cubicle of No.3transformer of the integrated building 下载原图3.3 运行维护流程的高效化管理
17、传统的变配电室通常运行值班制度或定时巡视制度, 即多名专业运行维护人员轮班值守或每日定时巡视, 对各变电室内设备运行情况进行查看与记录。变电所参数监管系统上线后, 运维人员无需到现场, 在监控室或办公室等任何校园网环境下通过计算机等管理终端即可远程实时查看所有变配电室设备的运行情况, 图 4 所示为计算机屏幕显示出的材料楼变配电室系统模拟图。这大大提高了巡视的效率, 达到了减员增效的目的。同时, 系统的巡检与预警告警功能 (如图 5 所示) 实现了按照策略自动完成发起、判断、处理等环节的自主管理, 例如当变压器温度超过规定的阈值或开关状态切换时, 监测仪表感知并自动进行判断与处理, 然后通过告
18、警机制及时将信息以系统界面提示、短信通知等方式传递给运维人员, 减少了运维流程中部分人员参与的环节, 在一定程度上减少了人员工作量, 节省了人力, 降低了办学成本, 同时也减少了因人为疏忽导致的安全问题。3.4 节能决策制定的数据化服务系统在记录不同时段用能数据的基础上, 能够自动分析并记录自监测实施以来某变压器运行的最大需量。这一方面可为学校临时增加负荷调整决策的制定提供数据支持, 例如学校逸夫图书馆改扩建工程实施之前, 需要确定施工用电电缆线路敷设方案, 通过变电所参数监管系统的历史用电数据可获得变压器的最大需量, 结合变压器的额定容量对该变压器的可用余量进行保守估计, 判断该变压器能否为
19、施工供电, 以便合理增加负荷, 保证供电系统的稳定性与安全性;同时, 有利于用户提高“削峰填谷”“平衡负荷”的意识, 提高电能利用率;另一方面, 最大需量的明确有利于学校摸清供电系统的负荷分配情况, 在应对需求变化时减少盲目性。例如, 教学、科研单位提出增容需求时, 学校不是一味地加大变压器的容量, 而是通过智能数据分析为量化改造方案提供服务, 整合低利用率的设备, 关停空载变压器, 释放占用的资源, 做好负荷平衡, 以提高变压器的利用率, 从而节约能源, 减少不必要的支出。变压器是否需要进行电容补偿, 通过系统中功率因数记录即可做出判断。例如, 人文楼变压器在未投入电容补偿的情况下, 通过监
20、测数值计算得到功率因数已经高于 0.9 (图 6) , 不需进行无功补偿。图 4 材料楼变配电室系统模拟图 Fig.4 Simulation of power transformation and distribution room system of the material building 下载原图图 5 变压器异常情况告警信息 Fig.5 Warning information of transformer abnormalities 下载原图图 6 人文楼 1 变压器功率因数曲线 Fig.6 Curve of power factor of No.1 transformer of t
21、he humanity building 下载原图4 结语减小低压配电系统损耗是高校节能工作的重点之一。北京工业大学以物联网技术为依托建设的变配电监测与管理系统在减小三相负荷不平衡、降低人力成本、提高配电网电能质量和用电使用效率方面起到了积极作用, 尤其以历史数据为依据, 为学校能源管理决策提供基础支撑, 对推进节约型校园建设有重要的现实意义。参考文献1辛磊.高校节能工作现状及对策初探以北京林业大学为例J.管理观察, 2013 (26) :75-77. 2詹弘华.浅析电力系统无功补偿J.黑龙江科技信息, 2013 (19) :51, 52. 3常仕亮, 黄孝超.电容器过补偿的危害及防范措施J.
22、计量与测试技术, 2010 (5) :17, 18. 4董新彪.电力系统谐波检测方法的研究J.中小企业管理与科技, 2013 (1) :1. 5董楠.电力负荷峰谷特性的谱分析方法及应用研究D.北京:华北电力大学, 2012. 6覃怡.浅议供电系统节能增效技术J.中国新技术新产品, 2013 (10) :105, 106. 7刘德洋.变电节能管理的实践探讨J.中国新技术新产品, 2015 (3) :123. 8刘锦, 顾加强.我国物联网现状及发展策略J.企业经济, 2013 (4) :114, 115. 9曹一家, 何杰, 黄小庆, 等.物联网技术在输变电设备状态监测中的应用J.电力科学与技术学报, 2012, 27 (3) :16-27.
