施耐德电气:追求配电系统的“双零”愿景,全面提升电力可用性

中国北京,2020年5月9日―― 电力对我们意味着什么?三天三夜为雷神山医院通电,五天五夜为火神山医院通电,37小时为武汉最大方舱医院通电,高峰时段投入15万余名保电人员、1000余辆应急发电车,保障电力供应安全畅通。同时,聚焦“新基建”项目,全年初步安排电网投资4500亿元,可带动社会投资9000亿元,为各行业发展的可靠用电打下更坚实基础。这虽然只是国家电网近期的成果和规划,但不难看出,电力与我们的生命、工作、以及当下和未来的生活紧密相关,因而由各类原因导致的电力中断也成为了“不能承受之轻”。

各种重要时刻都离不开电力的“时刻在线”,一旦电力的可用性受到影响,将可能带来严重的安全事故或巨大的经济损失,以数据中心行业为例,根据波洛蒙研究所2017年发布的“数据中心成本中断”报告中显示,2010年以来,停机时间的平均成本上升38%,平均每起事件成本为740357美元,相当于每分钟损失成本近9000美元。

导致断电等事故发生,进而影响电力可用性的原因众多,一般包括配电系统设计存在缺陷,短路、过载、电弧等问题引起的设备故障,安装、维护等过程中的人为操作失误,管理水平低下,故障无法自动或快速修复等,因此,如何从提高电力可用性的角度出发,进一步提高电力供应的连续性,提高管理水平,快速处理故障,降低断电风险,已变得逾加重要。

作为中低压配电领域专家,施耐德电气认为,应从全生命周期的角度出发提升电力可用性,才可以无限接近对配电系统“零故障、零风险”的双零追求。

基于EcoStruxure架构与平台,施耐德电气以覆盖上层主干路,下层分电路及终端配电的完整产品,融合更多数字化应用,形成完整的解决方案,利用更丰富的选择性,更先进的级联技术和可定制化的配电系统架构,充分保障供电连续性,降低成本及故障停机概率和时间,同时以高度信息化的资产管理方式,帮助用户时刻清晰掌握系统及设备状态,预知风险,实现预测性维护,通过设备强大的数字化功能,快速定位、分析故障,并恢复供电,满足设计院、盘厂、总包商及最终用户的不同需求,进一步提高电力可用性,保障系统运行、各类生产或服务的高效可持续,从而助力各行业企业免受电力中断带来的损失及风险。

领先技术+完备产品构建配电系统,有效降低故障停机风险

“质量源于设计(QbD)”是制药领域具有普遍共识的原则,可谓将设计的重要性定位极高。其实,在配电领域同样如此,配电系统的设计直接关系到后期运营的可靠性以及电力可用性。一般而言,在充分保障安全性的前提下,整个配电系统的设计需要根据项目性质,以及负荷的重要性,对供电连续性加以考量。在《建筑电气设计规范》中,负荷等级被分为一级负荷、二级负荷、三级负荷,系统设计因负荷等级的不同而有所差异,对于一级负荷中特别重要的负荷(如消防负荷等),除了往往需要两路市电进线外,一般还需要配备UPS或柴发机组提供额外的供电保障;此外,在一、二级负荷中,为了确保连续性,往往会使用自动转换开关(ATS)缩短恢复供电时间。

以医院为例,根据IEC 60364-7-710 2018版本的定义,2类场所为医疗电气设备接触部件需要与患者体内(指心脏或接近心脏部位)接触以及电源中断危及患者生命的医疗场所,如手术室,其供电连续需要达到最高级别,包括恢复供电时间需≤0,5s,UPS应使用至少3小时的电源(发电机系统减少至1小时)。而1类及0类场所相对而言不会对患者的安全构成威胁,连续性要求相对较低。因此,在设计医院配电系统时,一般采用多回路供电方式(市政电网+备用发电机系统或带电池的UPS),且市电和发电机的切换时间被限制在15秒之内,利用发电机或UPS的N+1 原则提升服务的连续性,而冗余电源也可显著减少中断时的平均恢复时间,充分保障病患的人身安全。

施耐德电气拥有业内最为完整的配电产品线,针对不同配电系统的设计,可以根据用户及设计师的需求,可通过回路配置设计,多系列ATS双电源转换开关,Galaxy VS/VX系列UPS,柴油发电机,Trihal系列干式变压器,MVnex系列中压柜、RM/GM/SM AirSeT系列全新无六氟化硫开关柜,以及Okken、Blokset、Prisma系列低压开关柜,贯穿中低压及终端配电的多系列断路器等的灵活组合,搭配而成更加可靠的系统架构,最大化降低系统故障风险发生率,保障供电连续性。

在此基础上,施耐德电气在断路器方面完整的选择性和独特的级联技术不但能够加强对主干路的保护,同时加强限流能力,提高下级断路器的分断能力,从而有效保持供电连续,并优化成本。

其中,选择性是通过过电流和接地故障保护装置实现的,即意味着如设备中任何一点发生的故障情形被位于故障上游的保护装置立即清除,则所有其它保护装置均不受影响。在GB 14048.2�C2008 《低压开关设备和控制设备 第2部分:断路器》 中,对选择性提出了全选择性和部分选择性的要求,在我国的项目设计过程中也会遵循这一原则。

而对于数据中心、医院等关键场所,因为情况可能更为复杂,施耐德电气基于全球经验,还提出了根据电流、时间、电能、逻辑因数的选择性,以此打造不同的定制化解决方案,以满足部分场景下更高的需求。

此外,利用级联技术还能够进一步加强选择性的效果,这一技术的诞生还要归功于由施耐德电气首先提出的限流技术,限流技术的核心是当短路发生时,依靠限流型过电流保护装置的快速分断,使实际故障电流大大低于预期短路电流,得益于对限流技术的不断完善,如今更为先进的级联技术更已成为施耐德电气的“独门武功”,该技术通过上下级断路器的联动保护作用,增强了上下级断路器的分断能力和选择性配合,为整个电路的电力连续性带来更强保护。

从主干路中应用的Masterpact MTZ空气断路器,到分电路中用到的Compact NSX系列塑壳断路器,再到贴近用户端的Acti 9系列微型断路器,施耐德电气丰富的产品能够做到全部覆盖,传承几十年的优良传统,质量卓越,拥有更宽的电流覆盖范围和自身强大的限流能力,内嵌的电子脱扣单元则成为实现更全面选择性和利用级联技术的基础,由此为电路从上级至下级带来了更可靠的保障,不但再次加强了限流能力,更可利用上级断路器提高下级断路器的分断能力,并实现成本上的优化。此外,这些系列的断路器经过多年的技术发展,如今都已内置了强大的数字化功能,这也为后期运营管理,维护维修的提质提速打下了基础。而对于设计师群体特别值得一提的是,施耐德电气可提供极其全面和完整的选择性对照表,将经过反复验证和应用的断路器搭配方案一同呈现,从而可极大提高设计效率和质量。

数字化让传统资管模式“蜕变”,实现高水平管理及预测式维护

配电系统的设计和建设仅仅是保障电力可用性的起始,在后期的运维管理阶段,同样需要利用创新加强对设备和系统的保护,从而形成对电力可用性的全面保障。

在传统的配电系统管理中,维修和维护通常是被动式的,或进一步根据需要采取定期执行措施的预防式维护,这些方式往往难以及时发现断路器等设备发生故障,造成设施不必要的停机。随着数字化技术的不断成熟,应用传感器和软件技术,基于系统实时状态数据的预测式维护应运而生,这种进阶方法能够让管理者实时跟踪风险并自动生成报告,对断路器的完好度以及维护或更换的必要性做出科学判断,降低故障风险,提升安全性并有效避免停机,同时提高维护效率,优化成本。

作为中低压配电领域的专家,施耐德电气基于EcoStruxure架构与平台,凭借在底层断路器等设备中融入强大的信息监测和采集功能,利用包括Digital logbook千里眼智联日志、PME/PSO电能管理软件、以及EcoStruxure Facility Expert千里眼运维专家和EcoStruxure Asset Advisor施耐德千里眼资产顾问等,能够帮助用户对资产信息高效管理和使用,随时随地掌握系统及设备状态,实现更高等级的预测式维护,大幅提升电力可用性。

其中,Digital logbook千里眼智联日志是面向电气设备制造商、运维管理人员、工程公司及运维服务商的电气资产全生命周期数字化管理平台,主要功能包括资产快查、完整的资料信息管理、直观的地图导航、精准的维护计划管理、运维工单及运维日志管理,可将电气资产全部信息录入系统,用户只需通过扫描设备二维码,就能实现对电气设备信息、图纸、运维计划、检验报告等的全面获知,统一管理,高效管理资产,尽享“数字化双胞胎”带来的极致便捷。

通过千里眼智联日志,最终用户不但可以随时随地查看资产信息,还可以利用预测性专业维护保养,快速响应服务工单等服务,有效降低停电风险。对于合作伙伴而言,可以科学管理项目及用户信息,提升客户满意度,并利用更多的与用户互动的机会,拓展出覆盖全生命周期的多样服务类型。

此外,施耐德电气还拥有更贴合用户日常工作轨迹,以及设施管理场景需求的PME / PSO软件,其强大的边缘控制能力,能够帮助客户实现包括电力质量监测分析、配电资产及能耗配电系统的现场级整体管理。同时,其增强的网络安全设置,多点监测、全面事件分析功能及灵活部署能力,将有效保证电力供应最大化与设备性能最优化,从而确保配电系统运行更加安全可靠、智能高效,助力客户降低能源成本。而利用千里眼运维专家及千里眼资产顾问形成的平台,从诊断项目部署到服务关系对接,从专业缜密的推送方案到细致完整的设备设施健康报告,以预测式维护形式,用户可以得到全方位专业守护,这一方案普遍适用于对供电连续性要求高、设备分散且需要集中管理、运维管理难度大的用电场所,如医院、数据中心、电子厂房等。

发力“硬件功能软件化”,以专业数据分析提升故障定位与恢复速度

众所周知,引发配电系统发生故障的原因众多,而且即使拥有完善的系统架构,高水平的管理,也没有人可以保证系统100%不会发生故障,进而影响电力可用性。因此,对于故障的快速定位和恢复便同样需要予以高度重视。

鉴于目前越来越多的电气元器件和设备拥有信息监测和采集的功能,施耐德电气认为,对于故障定位与恢复这一问题,应充分利用电气设备的数字化功能,通过对系统状态的实时感知,原因查找和自动分析,最终推送处理方案指导操作,乃至自动恢复供电这一路径,将能够极大加快对故障处理的速度,降低因故障发生而带来的对电力可用性的影响,进而降低人身安全,企业资产和经济方面的损害。

首先,在状态感知层面,施耐德电气拥有覆盖从中压直至终端配电系统的智能化断路器,包括Smart HVX系列中压断路器,Masterpact MTZ空气断路器, Compact NSX塑壳断路器,搭配无线电能测量模块的Acti 9微型断路器,利用数字化创新,将信息监测和采集功能融入断路器之中,可以实现业内最高精度的电流、电压等电气参数实时监测,通过蓝牙和WIFI等通讯方式实现数据传输和互联互通,更全面且实时地做到对配电系统地监测。此外,利用创新的终端配电智能化系统PowerTag,将可形成从低压主配电到终端配电的完整无线电能测量方案,其即插即用的方式,可提高50%安装速度,节约15%柜内空间,以紧凑精简的安装,轻松实现配电设备的互联互通,帮助用户轻松获知断路器状态,为用户提供更安全、可靠、高效、智能化的用电体验。

在信息采集完毕后,需要快速对故障原因进行查找和分析,过去这些功能是独立于断路器之外的,如今,施耐德电气创新地在Masterpact MTZ中内置Micrologic X控制单元,将硬件功能软件化,3大类型,共10款数字模块,从安全性、电力质量和供电连续性三个方面,为MTZ断路器增加了丰富的功能。其中,电力恢复助手,波形捕捉和操作助手模块在故障查找和保障电力可用性方面可给予工作人员极大的帮助:

ž 电力恢复助手模块通过显示事件和断路器状态信息,协助运维人员进行电力恢复。它能够帮助运维人员确定如分闸、手动脱扣、电气脱扣、或失电等事件的可能原因,同时提供相应的方案指导电力恢复;

ž 通过脱扣波形捕捉模块提供的短脱扣波形捕捉(脱扣前4个周波和脱扣后1个周波)以及长脱扣波形捕捉(脱扣前15个周波和脱扣后35个周波)理清故障起因和程度;

ž 排查所有故障后,通过操作助手模块,并使用具备蓝牙功能的智能手机,可在几米范围内安全地进行断路器的远程分合闸。

利用数字模块对功能进行丰富,并突破性地把智能手机引入到运维人员的日常工作场景中,同时,所有的控制单元高级功能都可根据客户需求进行灵活定制和便捷升级,使故障查找和分析更快速精确,让配电系统更加安全、稳定、智能和高效。

查找故障原因并推送方案指导工作人员操作可显著提高故障排除效率,但在一些特别的场景中,则需要更低时延地切断故障线路,达到“自愈”效果。例如在机场的飞行区,灯光系统的正常运行对于飞机起落、地面人员安全有序工作等都极为重要。因此,飞行区的供电系统对可靠性要求更加严苛,无论是设备,网络架构,还是故障断电恢复时间,都需要达到近乎极致的标准。

针对诸如此类的特殊要求,施耐德电气开发的分布式DTU和高品质开关设备组合,目前已经跨越了一二次成套阶段,进入一二次高度融合阶段。基于成套环网箱一二次融合理念的分布式DTU环网自愈系统,在优化的网络架构中嵌入高品质开关设备作为关键节点,同时搭载分布式DTU Easergy T300智能配电终端,应用模块化设计,实现单环网供电系统环网自愈功能,约30秒内实现故障的快速切除以及恢复送电。

作为核心“组件”,施耐德电气分布式DTU Easergy T300采用面向间隔功能的模块化设计理念,分布安装在各个环网柜单元,就地方便地现实每个开关柜的运行状态检测、控制和交流模拟量采样测量。T300模块和实物间隔一一对应,避免传统DTU按错间隔的可能性,提高标准化程度,即插即用,能够随环网柜的扩展而灵活调整。T300可以实现分布式馈线自动化功能,可在现有的通讯网络(PON,GPRS,4G等等)上,采用对等通讯技术,构建环网自愈SHG通讯体系,适用于多种环网柜型(参数可调),具有较高的容错性,充分保障电网可靠性。