基于智能电网的低压配电系统.doc

基于智能电网的低压配电系统与智能元件关键技术研究及应用可行性报告及经费预算报告目 录一、项目可行性报告.1（一）立项的背景与国内外概况.1（二）项目主要研究开发内容、技术关键以及主要创新点5（三）项目预期目标 10（四）项目实施方案、技术路线、组织方式与课题分解.11（五）计划进度安排.13（六）现有工作基础和条件.14二、经费预算报告.1522基于智能电网的低压配电系统与智能元件关键技术研究及应用一、项目可行性报告（一）立项背景与国内外概况智能化供电系统是智能电网的重要组成部分，既要包括组网技术，又要包括系统中关键设备与智能化电器的开发，本项目以供电系统低压侧典型配电系统作为研究对象，研究其智能化的关键技术、开发出组网所需的关键设备及智能元件，组成智能电网的末端低压配电系统，并应用于企业典型的低压配电中。1.1 智能电网智能电网是当前国内外刚开始起步的研究热点。智能电网是指电网的智能化，它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标，并容许各种不同发电电源的接入、启动电力市场的优化高效运行。智能电网发展的第一个里程碑就是2006年美国ibm公司提出的“智能电网”解决方案。ibm的智能电网主要是解决电网安全运行、提高可靠性，从其在中国发布的建设智能电网创新运营管理中国电力发展的新思路白皮书可以看出，解决方案主要包括以下几个方面：一是通过传感器连接设备提高数字化程度；二是数据的整合体系和数据的收集体系；三是进行分析的能力，即依据已经掌握的数据进行相关分析，以实现优化运行和管理。该方案提供了一个大的框架，通过对电力生产、输送、零售的各个环节的优化管理，为相关企业提高运行效率及可靠性、降低成本描绘了一个蓝图。第二个里程碑是奥巴马上任后提出的能源计划，除了已公布的计划，美国还将着重集中对每年要耗费1200亿美元的电路损耗和故障维修的电网系统进行升级换代，建立美国横跨四个时区的统一电网；发展智能电网产业，最大限度发挥美国国家电网的价值和效率，将逐步实现美国太阳能、风能、地热能的统一入网管理。第三个里程碑是中国提出的“互动电网”。互动电网的英文为interactive smart grid，它将智能电网的含义涵盖其中。互动电网定义为：在开放和互联的信息模式基础上，通过加载系统数字设备和升级电网网络管理系统，实现发电、输电、供电、用电、客户售电、电网分级调度、综合服务等电力产业全流程的智能化、信息化、分级化互动管理，是集合了产业革命、技术革命和管理革命的综合性的效率变革。它将再造电网的信息回路，构建用户新型的反馈方式，推动电网整体转型为节能基础设施，提高能源效率，降低客户成本，减少温室气体排放，创造电网价值的最大化。实际上，互动电网的本质就是能源替代、兼容利用和互动经济。从技术上讲，互动电网应是最先进的通讯、it、能源、新材料、传感器等产业的集成，也是配电网技术、网络技术、通信技术、传感器技术、电力电子技术、储能技术的合成，对于推动新技术革命具有直接的综合效果。因此，互动电网具备可靠、自愈、经济、兼容、集成和安全等特点。互动电网的本质就是以信息革命和技术手段推动电网体系的革新和升级，建立消费者和电网管理者之间的互动。智能电网的目标是实现电网运行的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全，电网能够实现这些目标，就可以称其为智能电网。智能电网必须更加可靠智能电网不管用户在何时何地，都能提供可靠的电力供应。它对电网可能出现的问题提出充分的告警，并能忍受大多数的电网扰动而不会断电。它在用户受到断电影响之前就能采取有效的校正措施，以使电网用户免受供电中断的影响。智能电网的主要特征是自愈电网，“自愈”指的是把电网中有问题的元件从系统中隔离出来并且在很少或不用人为干预的情况下可以使系统迅速恢复到正常运行状态，从而几乎不中断对用户的供电服务。从本质上讲，自愈就是智能电网的“免疫系统”。这是智能电网最重要的特征。国内在2006年4月29日国家电网公司提出了在全系统实施“sg186工程”的规划。方正数码公司基于gps的输配电生产管理信息系统运用gis、mis、gps技术，实现了输配电管理的可视化、信息化以及自动化。包括：自动生成输配电线路的单线图，业扩方案设计（营配合一），主接线图绘制，先进的报表生成技术，输电线路三线图本自动生成，线路自动切改等。在国外，ieee致力于制定一套智能电网的标准和互通原则（ieeep2030），主要包括以下三个方面：电力工程（powerengineering），信息技术（informationtechnology）和互通协议（communications）等方面标准和原则。除ieee外，国际电工委员会（iec）也很重视这方面工作，美国国家标准与技术研究院nist（national institute of standards and technology）协调各部门之间的合作。参与标准制定的15家机构分别负责标准制定的不同环节。ieee主要致力于互通入网过程的标准，如各个能量源头如何与整个智能电网链接，计量设备的接入（如电表）和时间同步性的标准等。iec则负责信息自动化的模式和环境标准。2009年5月18日，美国商务部长骆家辉和能源部长朱棣文联合宣布了美国智能电网建设的第一批标准（见表1），表1 美国首批16个智能电网行业标准标准名称应用领域ami-sec系统安全性需求先进的量测基础设施（ami）和智能电网端到端安全性ansi c12.19/mc1219收益量测信息模型bacnet ansi ashrae 135-2008/iso 16484-5建筑自动化dnp3变电和馈电设备自动化iec 60870-6 / tase.2内部控制中心通信iec 61850变电自动化与保护iec 61968/61970应用层面能源管理系统界面iec 62351 parts 1-8电力系统控制操作的信息安全ieee c37.118相量测量（pmu）通信ieee 1547电力公司与分布式发电（dg）之间的物理与电气互联ieee 1686-2007智能电子设备（ieds）的安全nerc cip 002-009大型电力系统的网络安全标准nist special publication (sp) 800-53, nist sp 800-82联邦信息系统的网络安全标准与指南，包括大型电力系统open adr（开放自动需求响应）价格反应灵敏和直接负载控制open han家庭区域网（han）设备通信、测量和控制zigbee/home plug smart energy profile家庭区域网设备通信和信息模型由上述国内外智能化电网的研究和标准制订情况可看，它是国内外最近发展的，具有重要创新的高新技术领域的一个重要研究项目，对国民经济发展有重要作用。1.2 智能低压配电系统与智能元件虽然不同地区、不同国家对智能电网的定义和侧重点各有不同，但智能电网的一个共同点就是为我们串起了一条从发电、输电、配电到用户端的电能生产与消费的能量链和信息链。据不完全统计，电力系统80 %以上的电能是通过用户端配电网络传输到用户，并在终端用电设备上消耗的。用户端涵盖了从电力变压器到用电设备之间对电能进行传输、分配、控制、保护和能源管理的所有设备及系统，主要包括智能低压配电系统和智能楼宇系统。智能低压配电系统处于智能电网的最底层，是构建坚强智能电网的重要组成部分。在智能低压配电系统中起到控制与保护作用的核心元件低压电器，包括万能式断路器、塑壳断路器、接触器、软启动器等的智能化自然成了智能低压配电系统的基础。因此，要打造智能电网离不开作为电网基石的低压配电系统与低压电器元件的智能化。由此可见，本项目研究的智能低压配电系统与智能元件是构成智能电网的重要组成部分。然而国内尚未系统的开展此方面的研究，为跟踪国外最新发展，赶超国际先进水平，紧迫需要开展本项目研究。1.3 乐清工业电器块状经济的转型升级温州乐清是全国低压电器行业生产规模最大、生产能力最强、市场占有率最高、产业种类最齐的生产基地，年产值近500亿元，占全国的60%以上。温州低压电器的产业集群化程度高，区域特点明显，为浙江省的21各块状经济之一。但是，温州低压电器行业技术含量低、利润薄、创新能力弱，至今仍在生产第一代、第二代低压电器产品。其中第一代产品约占有市场份额的25%，第二代产品约占有50%的市场份额，第三代产品其市场占有率不到25%，第四代产品市场占有量还很低。第一代、第二代低压电器产品产品技术含量低，在温州市场份额高，使得产业同质化严重，形成竞相压价的恶性竞争，最终导致产品的质量和可靠性不高、利润薄的恶性循环。智能型的第三代、第四代低压电器，技术含量高，利润丰厚，是温州乐清工业电器块状经济转型升级的方向。智能型第三代、第四代低压电器是智能电网的基石，广泛地应用与智能低压配电系统中。随着智能电网的兴起，智能电网将低压电器产品附加值大幅提升，量大面广的智能型第三代、第四代低压电器将是乐清工业电器块状经济的转型升级的绝好契机。因此本项目的立项不仅具有重要的科学意义，还有重大的经济价值及广阔的应用前景。（二）项目主要研究开发内容、技术关键及主要创新点2.1 主要研究开发内容1、智能低压配电系统的开发智能低压配电系统的开发，包括低压配电柜、监控监测柜、投切控制器柜、配电控制中心（包含主服务器、安全系统服务器、监控计算机），并研制相应的软件。智能变电站1智能变电站2智能配电控制中心中压配电柜中压配电柜变压器2变压器1投切控制柜电容器柜电容器柜低压配电柜 低压配电柜监控监测柜监控监测柜试验站车间食堂宿舍办公室车间监控检测器智能电表低压配电线路工业以太网图1 智能低压配电系统总体框图中压配电柜：35kv，用于中压电源和线路保护、检测，连接智能变电站。中压变压器：变压器1独立与其他系统，为试验站专用；中压变压器2为配电线路的主变压器。电容器柜：用于无功补充，由电容器组和可通信开关组成，具备工业以太网通信接口。低压配电柜：用于低压系统线路保护，由智能化的断路器、隔离开关、熔断器、组合电器等组成，具备工业以太网通信接口。监控监测柜：用于监控、检测电力线路的运行状态，由高级传感器构成如电子式互感器、火灾报警系统、图象采集装置、智能电表、智能谐波表、电网扰动记录仪等，并具备远程分合功能，具备工业以太网通信接口。投切控制器柜：用于控制再生能源（太阳能、风能）的投切和双电源的切换，由控制器和电力电子部件构成如智能可控硅、逆变器，并具备远程控制功能，具备工业以太网通信接口。配电控制中心：为智能配电运营中心的神经中枢，具备工业以太网通信接口和连接变电站的以太网接口。用电单元模块：试验站、车间、办公室、食堂、宿舍以及其他设施等组成了用电单元模块。一般用电单元模块的配电单元采用带工业以太网通信接口的智能塑壳断路器与小型断路器级联而成，参见图2。智能塑壳断路器带工业以太网通信接口，上下级塑壳断路器可以组成区域连锁，实现选择性保护。小型断路器也可以智能型，带通信接口，与上级塑壳断路器连锁，实现末端选择性保护。图2 用电单元模块配电示意图2、智能配电控制中心智能配电控制中心拥有主服务器、网络系统安全服务器、监控监测计算机、控制显示台及路由器等网络通信设备。具体组成如下：主服务器：负责数据流、信息流、任务流等管理、调度，负责各种任务、命令的执行决策。网络系统安全服务器：负责实施网络安全策略、信息加密解密、用户帐号口令管理与分配、诊断网络系统安全性、所有网络设备的运行安全监控与诊断包括主服务器，具备系统故障报警功能。监控监测计算机：负责配电系统可靠性、安全性的远程控制以及多能源接入的控制：用于电网参数的计算与管理，如功率、电能、谐波、不平衡度等。路由器：外网的网络路由设备。控制显示台：数据、信息、状态等显示及控制界面。智能配电控制中心实现如下功能（1）配电运行可靠性与安全性：用电单位智能配电柜、智能谐波表、智能配电中心的低压配电柜、配电控制中心的相关设施（主服务器、监控监测计算机等系）构成了智能配电运营中心的供电可靠性和安全性保证系统，提供配电运行的故障预警和配电系统的健康状况，并实现自愈控制。（2）配电运行经济性与效能：用电单元智能配电柜与配电控制中心的相关设施构成了智能配电运营中心的配电经济性和效能的实现平台。（3）人身安全和设备安全：用电单元智能配电柜、智能配电中心的低压配电柜、配电控制中心的的相关设施构成了智能配电运营中心的设备安全和网络安全的框架。3、智能化电器元件开发智能化电器元件开发，包括智能化万能式断路器、智能化塑壳式断路器、智能化软启动器等产品的开发。（1）万能式断路器智能化在配电系统中，万能式断路器是最关键的保护电器，不仅具备过电流四段保护，还具备欠压、过压、欠频、过频、三相不平衡、逆功率、需用保护、zsi、卸载等保护功能。高级型号的万能式断路器还具备mcr、电能测量、谐波测量、故障记录、故障报警、远程通信、远程复位、产品维护等功能。在传统配电系统中，万能式断路器的许多功能并未得到应用，如zsi、需用保护、卸载、可通信等。但是在智能电网型的配电系统中，这些功能将发挥其优势，如zsi可实现区域联锁保护被认为是真正的全选择性保护、需用保护可以和用电经济相关联、卸载功能可以和提高电力资产利用率关联、通信功能是基础必将广泛应用。但是，万能式断路器这些功能还存在许多不足，如zsi的实现方法、闭锁时间固定不变，又如可通信的协议还存在不统一问题，这些制约其在未来智能电网的应用。同时仅仅这些功能还远远不够，为了适应智能电网，万能式断路器要求具备工业以太网通信接口，还要具备分析、预计、预测等功能。新一代适应智能电网需要的万能式断路器势在必行。（2）塑壳式断路器智能化塑壳式断路器作为工业配电末端保护电器，一般具备过电流三段保护，高级型具备可通信功能。在将来智能配电网中，会对塑壳式断路器提出更高的要求，如要求具备电能测量功能、谐波测量功能、远程通信等。因此开发具备mdu（测量显示单元）的塑壳式断路器也很迫切。（3）智能起动器启动器分为有触点式和软起动式，目前75kw以下的电机应用十分广泛，他们是工厂过程自动化的基础单位，因此其智能化很必要。（4）智能配电柜智能配电柜利用高级型电器元件如万能式断路器、塑壳式断路器等，可以实现远程通信、可靠保护，但是还不够全面，为了适应智能电网的要求还要具备火灾报警系统、图象采集装置，以适应智能电网的高安全性的需要。2.2 技术关键1、通信技术：建立高速、双向、实时、集成的通信系统是实现智能电网的基础，没有这样的通信系统，任何智能电网的特征都无法实现，因为智能电网的数据获取、保护和控制都需要这样的通信系统的支持，因此建立这样的通信系统是迈向智能电网的第一步。企业配电自动化是企业过程自动化的一部分。目前多采用现场总线技术（modbus、profibus、devicenet等）和工业以太网技术（modbus-tcp、profinet、ethernet/ip等），如施耐德的powelogic系统。 以太网数据适配器以太网数据适配器企业管理层现场控制层internet以太网服务器服务器工业以太网和现场总线相结合可靠地实现了企业管理层到设备层的透明通信，能够实现远程通信，而且整体投资较小，性能价格比高。缺点是：由于现场总线类型多种多样，势必造成以太网数据适配器具有多种协议的功能，因此会给以太网数据适配器带来复杂性；又由于以太网数据适配器具有跨网关能力，网络体系的安全技术会增加额外的资源开销2（设置ip授权服务和用户帐号系统）。该网络结构是目前工业以太网通用的组网方式。可以实现电能质量监测，用电量监测，配电设备安全，远程控制等功能。2、测量技术与自愈技术：参数测量技术是智能电网基本的组成部件，采用先进的参数测量技术获得数据并将其转换成数据信息，以供智能电网的各个方面使用。它们评估电网设备的健康状况和电网的完整性。低压配电的自愈技术包括故障隔、双电源自动切换等。3、设备技术：智能电网要广泛应用先进的设备技术，极大地提高输配电系统的性能。未来的智能电网中的设备将充分应用材料、电力电子和微电子技术方面的最新研究成果，从而提高供电可靠性和电能质量以及电力生产的效率。4、控制技术：先进的控制技术是指智能电网中分析、诊断和预测状态并确定和采取适当的措施以消除、减轻和防止供电中断和电能质量扰动的装置和算法。这些技术将提供对配电和用户侧的控制方法并且可以管理整个电网的有功和无功功率。5、故障预警技术：根据配电系统的健康状况以及各元件剩余寿命的情况，预测系统故障。其中各智能元件剩余寿命的估算在元件端完成，智能元件根据使用时间、通断次数、通断电流估算其剩余寿命。2.3 主要创新点本项目内容国际上刚起步、尚无完整的研究成果，也无产品借鉴，同时综合应用多项新技术，在总体设计、组网技术、智能元件等方面均有重要创新，尤其是在智能系统的思想下，设计智能电器元件。（三）项目预期目标3.1 技术指标1、构成具有抗扰动和断电的自愈功能智能电网的低压配电系统。 2、形成智能电网低压配电系统的标准以及通信标准。3、智能低压配电系统的功率达到1000千瓦；4、开发智能化万能式断路器、智能化塑壳式断路器、智能化软启动器，以满足上述要求。3.2 经济指标预计智能化元件增产值3000万元，年增利润240万元，年增利税240万元。3.3 社会效益、技术应用和产业化前景“电器之都”温州有近4000余家电器相关企业，1000余家低压电器生产企业，可谓“四分天下有其三”，年产值近500亿元，其中75%为非智能型产品，利润薄，亟待转型升级。第三代、第四代智能型低压电器是智能电网的基石，广泛地应用与智能低压配电系统中。随着智能电网的兴起，智能电网将低压电器产品附加值大幅提升，量大面广的智能型低压电器将给乐清工业电器块状经济带来转型升级，历时该块状经济的年产值可突破1000-2000亿元。3.4 获取自主知识产权的情况向国家专利局申报了相关的专利四项，其中一项为发明专利。（四）项目实施方案、技术路线、组织方式与课题分解4.1 项目实施方案、组织方式与课题分解项目由6家单位合作完成，分为三个子课题。各课题组成员常驻申报单位环宇集团有限公司进行项目研究开发。项目立项后，各子课题要根据项目要求制定各自的研究计划和技术指标，同时组织本单位的技术力量，对项目的子课题进行攻关。各子课题的成果最终落实到环宇集团有限公司，组成一个智能低压配电系统的示范工程。项目分解为“智能低压配电系统及配电中心设计”、“通讯网及设备”、“智能元件开发”三个子课题。研发人员分为相应的三个小组，整个项目设立项目总负责人一名，每小组分别设立组长一名，设计成员三到五名。每组分别完成子课题设计，定期由子课题组长向项目总负责人汇报进度情况。组次组 别成 员任 务1智能低压配电系统及配电中心设计组长：1人成员：3人智能低压配电系统规划与设计配电中心设计及相应设备开发含智能化双电源的投切设备3通信网及设备组长：1人成员：2人通信网络及管理的规划与设计通信网络设备的开发含几种网关适配器的开发4智能元件开发组长：1人成员：3人智能型万能式断路器、塑壳断路器、软启动器的开发包括网络口的设计4.2 技术路线1、通信网络及通信设备智能电网对通信系统的要求是“高速、双向、实时、集成”，需要研究各种工业以太网及其交换设备，选择一种合适的工业以太作为智能配电系统的通信网。同时，开发现场总线到工业以太的网关适配器，用于不带工业以太口的元件的协议转换。2、测量技术与自愈技术采用先进的电参数测量技术和传感器技术，获得数据并将其转换成数据信息，以供智能电网的各个方面使用。它们评估电网设备的健康状况和电网的完整性。低压配电的自愈技术包括故障隔离、双电源自动切换等。故障隔离的关键在于现场测量和评估，通过各级断路器选择性保护动作，使故障隔离在最小的区域。智能型双电源自动切换也是现场测量和评估，通过启动电机，执行电源自动切换。通过这两种形式达到自愈的目的。3、设备及低压电器元件智能电网的设备充分应用材料、电力电子和微电子技术方面的最新研究成果，利用电子技术、网络技术和控制技术等，经综合利用，制成智能电网的设备。智能电网的低压电器元件具有高性能、可通信的功能，开发高性能的低压电器通过机构设计、机械设计、电磁力设计、电弧设计、电子设计、电磁兼容设计等，还要经过保护特性、通断试验等一系列的检测试验。4、故障预警故障预警的关键是根据配电系统的健康状况以及各元件剩余寿命的情况，预测估算系统的故障概率。其中配电系统的健康状况，是通过测量配电系统的工况参数进行评估。各智能元件剩余寿命的估算在元件端完成，智能元件根据使用时间、通断次数、通断电流估算其剩余寿命。5、低压配电网运行高可靠性与安全性低压配电网运行高可靠性与安全性技术就是通过上述的关键技术和关键设备来支撑的，智能控制中心的智能算法和决策算法是低压配电网运行高可靠性与安全性的根本保证。（五）计划进度安排起始年月进度目标要求（每栏限80字）2010年6月9月完成调研及资料检索工作，系统方案设计、总体设计，各单元部件的初步设计、通信网络研究，通信协议的规划。2010年9月12月制定三个子课题的研究计划，子课题的详细设计2011年1月12月完成三个子课题，达到相应指标2012年1月3月系统总体调试总结材料、提交研究报告，结题2012年3月6月根据系统论证建议，对系统进行进一步的改进，完成项目的开发；完成批量前准备工作。2012年6月12月组织专家鉴定、验收、申报专利。（六）工作基础与工作条件6.1 申报单位概况环宇集团是目前国内主要的高、低压电器元器件、成套电气设备以及电力自动化设备制造商之一。企业始建于1989年，现拥有八大电气专业公司，三大多元产业公司，在全球有600多个销售网点。是一个集制造、研发和信息服务于一体的，跨地区、跨行业的集团型企业。是中国企业500强和浙江省百强企业，是浙江省“五个一批”重点骨干企业、温州市政府重点培育的13家大企业、大集团。环宇集团有限公司被认定为浙江省高新技术企业，集团技术中心被认定为省级企业技术中心，与河北工业大学、温州大学、上海电器科学研究所等建立了广泛的合作关系，已先后开发了具有自主知识产权的18个系列500多个新产品，其中省级新产品30多项，获得国家专利12项，塑壳断路器hum8系列被科技部列入国家“火炬”计划项目。公司已分别通过质量、环境和职业健康安全管理体系认证，主导产品均通过“ccc”国家强制认证，并全部采用iec国际标准。先后获得全国质量管理先进单位、全国用户满意企业以及国家免检产品、浙江省著名商标、浙江名牌产品等荣誉。合作单位概况合作单位为北工业大学、温州大学、杭州电子科技大学、浙江科技学院、宁波大学五所高校。这五高校在电子、电器、通信、自动控制、电力电子等领域有较高的学术水平和技术开发能力。为乐清工业电器块状经济的专家派出单位。6.2 项目的前期工作基础关于智能电网低压配电端的初期研究和关注，启动于2009年12月。在乐清工业电器块状经济的专家组的工作会议上，多次提出智能低压配电系统及其智能元件是乐清工业电器块状经济转型升级的最好台阶，也是专家组工作的好平台，成员开始调研、咨询、查找资料等工作。河北工业大学和温州大学，在低压电器及其智能化方面，有雄厚的研究基础。浙江省温州低压电器平台、省低压电器智能化重点实验室均建在温州大学。目前，项目组成员已经完成智能低压配电系统及其智能元件的方案设计和初步设计。二、经费概算省级科技计划项目经费概算表项目名称：基于智能电网的低压配电系统与智能元件关键技术研究及应用 金额单位： 万元 序号概算科目名称合计省财政拨款经费地方部门配套经费自筹经费（1）（2）（3）（4）（5）1一、经费支出（合计）2000300170021、设备费750856653（1）购置设备费2002004（2）试制设备费 500854155（3）设备租赁费505062、材料费40010030073、测试化验加工费17017084、燃料动力费303095、差旅费100100106、会议费 5050117、合作、协作研究与交流费100100128、出版/文献/信息传播/知识产权事务费1515139、人员劳务费3001002001410、专家咨询费30301511、管理费15151612、运费,税费60601二、经费来源（合计）21、申请省财政经费32、地方、部门配套拨款43、自筹经费5（1）单位自有货币资金6（2）其他资金省财政科技经费拨付进度申请第1年第2年第3年金 额180120比例（）6040注：支出概算按照经费开支范围确定的支出科目和不同经费来源编列，同一支出科目一般不同时在财政拨款经费和自筹经费中概算。经费预算说明低压断路器电流互感线圈智能测试系统研制项目经费总额为200