10kV及以下電壓等級(jí)工廠供配電系統(tǒng)電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性分析與提升方案

在工業(yè)用電系統(tǒng)中，10kV及以下電壓等級(jí)的供配電網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)著從主變壓站向終端負(fù)荷輸送電能的關(guān)鍵職能。該電壓等級(jí)不僅覆蓋范圍廣、節(jié)點(diǎn)密集，而且用電負(fù)載類(lèi)型復(fù)雜、運(yùn)行環(huán)境多變，因此其運(yùn)行穩(wěn)定性與可靠性成為整個(gè)工廠能源體系的基礎(chǔ)保障。然而，在工業(yè)系統(tǒng)擴(kuò)張速度加快與設(shè)備智能化水平提升的雙重背景下，傳統(tǒng)低壓配電系統(tǒng)暴露出諸多結(jié)構(gòu)性短板。主要表現(xiàn)為供電路徑冗余度不足、繼電保護(hù)配置滯后、運(yùn)維管理依賴(lài)人工和設(shè)備故障響應(yīng)延遲等問(wèn)題頻現(xiàn)，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定供電能力與整體效率。

一、工廠供配電系統(tǒng)運(yùn)行可靠性面臨的主要問(wèn)題分析

（一）電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單一，故障轉(zhuǎn)供能力差

在多數(shù)工廠的配電網(wǎng)絡(luò)中，10kV及以下電壓等級(jí)通常采用相對(duì)簡(jiǎn)化的單電源架構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)雖然在投資與施工方面具備一定的經(jīng)濟(jì)性，但從運(yùn)行角度來(lái)看，其靈活性嚴(yán)重受限。一旦主供電回路出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)便會(huì)面臨全面停電的風(fēng)險(xiǎn)，這種局限不僅影響到正常生產(chǎn)秩序，還可能波及關(guān)鍵控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行[1]。缺乏備用電源或獨(dú)立支路的布設(shè)，使得系統(tǒng)在突發(fā)性斷電事件中毫無(wú)補(bǔ)救措施。特別是對(duì)于一些連續(xù)性要求較高的工藝流程而言，這種中斷通常會(huì)造成連鎖式的效率衰減，甚至容易引發(fā)經(jīng)濟(jì)與安全上的次生損失。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中對(duì)故障點(diǎn)的隔離與恢復(fù)路徑設(shè)計(jì)也相對(duì)薄弱，線路之間缺乏必要的聯(lián)絡(luò)機(jī)制，致使供電系統(tǒng)在面對(duì)局部問(wèn)題時(shí)常常無(wú)法快速恢復(fù)局部正常運(yùn)行。

（二）保護(hù)配置不合理，故障隔離效率低

在設(shè)計(jì)工廠供配電系統(tǒng)階段通常更側(cè)重于權(quán)衡負(fù)載能力與運(yùn)行成本，而對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化配置重視不足，導(dǎo)致在實(shí)際運(yùn)行中，保護(hù)環(huán)節(jié)成為系統(tǒng)可靠性中薄弱的一環(huán)。傳統(tǒng)繼電保護(hù)裝置以定值設(shè)定為主，缺乏動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)與場(chǎng)景適應(yīng)能力，當(dāng)電網(wǎng)中出現(xiàn)復(fù)雜故障類(lèi)型時(shí)，容易發(fā)生保護(hù)誤動(dòng)作或拒絕動(dòng)作的現(xiàn)象。尤其在支路眾多和負(fù)載差異大的工廠配電場(chǎng)景中，一旦保護(hù)動(dòng)作出現(xiàn)偏差，就可能導(dǎo)致故障區(qū)域難以準(zhǔn)確切除，甚至引發(fā)更大范圍的電能波動(dòng)。這種非選擇性的跳閘行為，不但影響了正常用電區(qū)域，也增加了故障處理的難度與時(shí)長(zhǎng)。再者，一些舊有系統(tǒng)尚未配備故障指示設(shè)備與遙控開(kāi)關(guān)，保護(hù)響應(yīng)主要依賴(lài)人員巡視與人工判斷，其保護(hù)效率在突發(fā)情況下難以滿(mǎn)足實(shí)際需求。在繼電保護(hù)系統(tǒng)未與上位監(jiān)控系統(tǒng)深度融合的情況下，其運(yùn)行狀態(tài)常處于“黑箱”狀態(tài)，給故障判斷與后續(xù)分析帶來(lái)極大不便。因此，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，保護(hù)裝置的行為不僅未能提供及時(shí)有效的隔離支持，反而成為系統(tǒng)進(jìn)一步惡化的誘因。

（三）運(yùn)維模式落后，故障預(yù)警與搶修響應(yīng)滯后

在多數(shù)工廠環(huán)境中，供配電系統(tǒng)的日常運(yùn)維工作仍依賴(lài)于傳統(tǒng)的人工巡檢與定期檢修制度。雖然這種方式已延續(xù)多年，但在面對(duì)當(dāng)前設(shè)備密度高和負(fù)載復(fù)雜化的現(xiàn)代工業(yè)場(chǎng)景時(shí)，其局限性愈加明顯。特別是在部分人員編制有限的企業(yè)中，配電運(yùn)維人員無(wú)法對(duì)全部節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)高頻次的巡視，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)大多處于“看不見(jiàn)、管不住”的非透明狀態(tài)。更為突出的是，一旦關(guān)鍵設(shè)備發(fā)生異常情況，如電纜發(fā)熱、開(kāi)關(guān)異?；蛘唠妷翰▌?dòng)等，通常需等到用戶(hù)側(cè)反饋停電或異常后，才啟動(dòng)問(wèn)題排查程序[2]。這樣一來(lái)，不僅錯(cuò)過(guò)了故障發(fā)生前的干預(yù)時(shí)機(jī)，也大幅延長(zhǎng)了搶修與恢復(fù)時(shí)間。運(yùn)維效率低下還體現(xiàn)在設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的缺失上，缺乏連續(xù)性和實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)積累，導(dǎo)致判斷依據(jù)模糊，決策精度有限。

二、 提升運(yùn)行可靠性的策略與實(shí)施路徑

（一）重構(gòu)供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)供電路徑多樣化

首先，在原有供電路徑上增設(shè)雙電源結(jié)構(gòu)，是優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)可靠性的有效手段。應(yīng)在主電源基礎(chǔ)上布設(shè)備用供電回路，使關(guān)鍵負(fù)載在主路異常時(shí)具備無(wú)縫轉(zhuǎn)供條件。采用環(huán)網(wǎng)供電設(shè)計(jì)能夠構(gòu)建多個(gè)方向供電回路，在負(fù)載切換、局部維護(hù)或事故隔離時(shí)提供靈活調(diào)度空間。其次，需同步配置相應(yīng)環(huán)網(wǎng)柜與分支控制單元，提升線路的可操作性。在系統(tǒng)主干路徑中，應(yīng)針對(duì)負(fù)荷等級(jí)與布點(diǎn)密度，合理設(shè)置分布式電源節(jié)點(diǎn)，使其既分擔(dān)集中負(fù)載壓力，又為局部用電提供應(yīng)急電力支持。針對(duì)核心負(fù)載區(qū)域，可引入UPS或微電網(wǎng)模塊，以“就地—即用”的方式保障在外部斷電狀態(tài)下持續(xù)運(yùn)行，尤其適用于自動(dòng)化產(chǎn)線與無(wú)停電容忍區(qū)域。再者，供電轉(zhuǎn)換過(guò)程應(yīng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備級(jí)的自動(dòng)識(shí)別與快速切換，可通過(guò)安裝自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)（ATS）或智能開(kāi)閉所實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)[3]。必要時(shí)配套電壓監(jiān)測(cè)模塊與斷路邏輯設(shè)定，提升分布環(huán)節(jié)的供電敏捷性與主動(dòng)調(diào)節(jié)能力。此外，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃階段還需同步考慮負(fù)荷優(yōu)先級(jí)與供電路徑冗余的協(xié)調(diào)策略。可將重要負(fù)載區(qū)域劃分為一級(jí)負(fù)荷保障區(qū)，設(shè)置獨(dú)立饋線通道及應(yīng)急電源策略，而對(duì)可中斷類(lèi)負(fù)荷采取調(diào)峰管理措施，以減輕系統(tǒng)壓力。同時(shí)，線路敷設(shè)時(shí)應(yīng)避免共通路徑布局，提升故障隔離后的供電完整性。最后，在運(yùn)行階段，應(yīng)借助可視化監(jiān)測(cè)界面實(shí)時(shí)掌握各路供電狀態(tài)，利用智能算法實(shí)現(xiàn)路徑最短且響應(yīng)最快的切換決策，從而將整體供電系統(tǒng)構(gòu)建為一個(gè)具備彈性和動(dòng)態(tài)調(diào)配能力的有機(jī)網(wǎng)絡(luò)。在故障診斷環(huán)節(jié)，以往多依賴(lài)傳統(tǒng)的閾值判斷與簡(jiǎn)單的故障樹(shù)分析模型，此類(lèi)方法難以應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的配電網(wǎng)故障場(chǎng)景。如今，伴隨 AI 技術(shù)的迅猛發(fā)展，定制供配電行業(yè)AI輔助大模型正嶄露頭角。以DeepSeek為代表的大模型，通過(guò)對(duì)海量歷史故障數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)等多源信息的深度挖掘與學(xué)習(xí)，構(gòu)建起高度智能化的故障診斷體系。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生異常時(shí)，該模型能夠快速融合線路電流、電壓波動(dòng)、設(shè)備溫度異常等多模態(tài)數(shù)據(jù)，利用其強(qiáng)大的語(yǔ)義理解與邏輯推理能力，精準(zhǔn)定位故障點(diǎn)并給出故障原因分析，相較傳統(tǒng)診斷方式，診斷準(zhǔn)確率顯著提升。

（二）優(yōu)化保護(hù)配置與故障快速切除機(jī)制

構(gòu)建精細(xì)響應(yīng)機(jī)制需從保護(hù)邏輯入手，首先在主變與支路節(jié)點(diǎn)引入差動(dòng)保護(hù)裝置，用以提高對(duì)短路和接地等典型故障的選擇性識(shí)別能力。對(duì)于負(fù)載密集區(qū)，應(yīng)部署饋線自動(dòng)化模塊并結(jié)合智能測(cè)控單元，在識(shí)別故障類(lèi)型的同時(shí)快速判定故障位置，并根據(jù)指令執(zhí)行開(kāi)關(guān)跳閘或隔離斷點(diǎn)動(dòng)作。短路選線器作為核心設(shè)備，可安裝于配電分支處，用以識(shí)別特定支路異常并發(fā)送閉鎖信號(hào)，避免全網(wǎng)性保護(hù)誤跳。電纜通道中應(yīng)增設(shè)故障指示器或電子熔絲模塊，通過(guò)低功耗傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)本地告警并上報(bào)主控平臺(tái)。其次，對(duì)于設(shè)備間的跳閘協(xié)調(diào)策略，應(yīng)采用延時(shí)梯度設(shè)計(jì)模式，使保護(hù)動(dòng)作具備方向性與分級(jí)性。支路末端建議安裝智能開(kāi)關(guān)裝置，其具備自檢、遠(yuǎn)控及故障點(diǎn)定位等復(fù)合性功能，更適配現(xiàn)代化工廠快速響應(yīng)需求。同時(shí)，分區(qū)段管理理念也應(yīng)引入系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過(guò)將負(fù)荷側(cè)劃分為多個(gè)可獨(dú)立控制的小區(qū)域，使得局部故障可精準(zhǔn)切除，而非造成整條干線斷供。在負(fù)荷預(yù)測(cè)方面，傳統(tǒng)的時(shí)間序列分析、回歸分析模型受限于對(duì)復(fù)雜影響因素的捕捉能力，預(yù)測(cè)精度難以滿(mǎn)足配電網(wǎng)精細(xì)化調(diào)度需求。定制供配電行業(yè)AI輔助大模型則能夠整合氣象數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)信息、用戶(hù)用電習(xí)慣等多元數(shù)據(jù)，運(yùn)用深度學(xué)習(xí)算法進(jìn)行建模。例如，通過(guò)對(duì)某區(qū)域歷年夏季高溫時(shí)段氣象條件與工業(yè)、居民用電數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)不同氣溫、濕度條件下的負(fù)荷變化趨勢(shì)，為配電網(wǎng)提前安排發(fā)電計(jì)劃、優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行方式提供可靠依據(jù)，負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差可控制在 5% 以?xún)?nèi)，如山東省電力公司聯(lián)合阿里云和達(dá)摩院落地的“基于 AI 的電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測(cè)實(shí)踐”項(xiàng)目獲得“數(shù)字樣板”工程優(yōu)秀案例稱(chēng)號(hào)，其AI負(fù)荷預(yù)測(cè)系統(tǒng)覆蓋德州、日照等地，德州運(yùn)行半年來(lái)，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率整體約達(dá)98%，誤差控制在 5%以?xún)?nèi)，有力保障電力供需平衡。再者，為了進(jìn)一步完善系統(tǒng)功能，還需將保護(hù)設(shè)備與運(yùn)行監(jiān)測(cè)平臺(tái)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)管理。各類(lèi)保護(hù)動(dòng)作信號(hào)應(yīng)同步上傳至主站系統(tǒng)，由調(diào)度控制模塊實(shí)時(shí)分析事件類(lèi)別與響應(yīng)路徑，形成“識(shí)別—隔離—回送”閉環(huán)機(jī)制。在此基礎(chǔ)上可疊加智能分析模型，對(duì)故障頻發(fā)區(qū)域進(jìn)行趨勢(shì)預(yù)警，指導(dǎo)后續(xù)的保護(hù)定值修訂與設(shè)備升級(jí)。并且，對(duì)具備多能源接入能力的配電系統(tǒng)，還需設(shè)置跨區(qū)域聯(lián)動(dòng)保護(hù)方案，防止系統(tǒng)內(nèi)部電源干擾與功率逆流引發(fā)保護(hù)失效。

（三）引入智能化監(jiān)控平臺(tái)與預(yù)測(cè)性維護(hù)體系

推動(dòng)系統(tǒng)維護(hù)由“被動(dòng)響應(yīng)”轉(zhuǎn)向“主動(dòng)識(shí)別”，首先需打通“感知—分析—處置”的數(shù)據(jù)鏈條。應(yīng)以分布式布點(diǎn)方式安裝遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端，包含無(wú)線溫度感應(yīng)器、局部放電傳感模塊和振動(dòng)信號(hào)收集器等，優(yōu)先布設(shè)在高電流、高負(fù)載率和老舊設(shè)備段落，通過(guò)邊緣設(shè)備實(shí)時(shí)采樣與本地緩存降低數(shù)據(jù)延遲。在高壓進(jìn)線與母線節(jié)點(diǎn)設(shè)置高頻采樣儀表，以捕捉短時(shí)波動(dòng)與負(fù)載突變行為。其次，在平臺(tái)層面應(yīng)整合SCADA系統(tǒng)與DMS功能，構(gòu)建數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行參數(shù)的多維度交互分析。設(shè)備狀態(tài)模型可與歷史運(yùn)行檔案進(jìn)行比對(duì)，在趨勢(shì)預(yù)測(cè)中提取早期故障特征。診斷結(jié)果需與運(yùn)維任務(wù)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，形成“告警—分析—派工—修復(fù)”的閉環(huán)管理。同時(shí)，系統(tǒng)還應(yīng)接入移動(dòng)終端與可視化平臺(tái)，使維護(hù)人員可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控、設(shè)備畫(huà)面實(shí)時(shí)調(diào)閱與巡檢結(jié)果遠(yuǎn)端錄入，避免信息分散。重要的是，在系統(tǒng)運(yùn)維過(guò)程中，需逐步推行“設(shè)備壽命管理”機(jī)制，通過(guò)大數(shù)據(jù)建模判斷運(yùn)行壓力累積，從而提前制定備件更換周期與維護(hù)計(jì)劃。再者，為增強(qiáng)系統(tǒng)韌性，還應(yīng)將平臺(tái)功能拓展至全生命周期數(shù)據(jù)追蹤與故障知識(shí)庫(kù)構(gòu)建。在每次設(shè)備故障響應(yīng)過(guò)程中采集操作日志與診斷數(shù)據(jù)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化模板進(jìn)行歸檔與建模，使系統(tǒng)具備自我學(xué)習(xí)與決策迭代能力[4]。并且，在關(guān)鍵監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，應(yīng)優(yōu)先部署具備邊緣計(jì)算能力的智能終端，實(shí)現(xiàn)部分預(yù)警功能前置下沉，緩解中心系統(tǒng)處理壓力。此外，在平臺(tái)交互方面，建議采用多級(jí)權(quán)限結(jié)構(gòu)，將運(yùn)行信息與預(yù)警分發(fā)至運(yùn)維、調(diào)度和管理等多個(gè)角色，使各環(huán)節(jié)信息共享，響應(yīng)高效。最后，為提升預(yù)測(cè)維護(hù)的可控性，可引入基于機(jī)器學(xué)習(xí)的異常行為識(shí)別算法，訓(xùn)練模型識(shí)別負(fù)載波動(dòng)中的非線性信號(hào)，從而在尚未形成故障前提供預(yù)判依據(jù)[5]。

三、結(jié)語(yǔ)

在現(xiàn)代工業(yè)用電體系不斷演進(jìn)的背景下，10kV及以下電壓等級(jí)工廠供配電系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性已成為衡量電力支撐能力與安全保障水平的重要基礎(chǔ)。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)到保護(hù)邏輯，從運(yùn)維模式到電能質(zhì)量，每一層級(jí)的優(yōu)化均關(guān)系著整體電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性與持續(xù)性運(yùn)行。本文聚焦于當(dāng)前運(yùn)行過(guò)程中存在的結(jié)構(gòu)單一、隔離效率低、故障響應(yīng)遲緩及電能干擾頻發(fā)等關(guān)鍵問(wèn)題，分別從供電路徑優(yōu)化、保護(hù)機(jī)制強(qiáng)化、智能化運(yùn)維體系構(gòu)建以及電能質(zhì)量治理等多個(gè)角度，提出了面向工程實(shí)施的具體策略。通過(guò)系統(tǒng)性地梳理與邏輯論證，這些措施具備明確的可操作性與技術(shù)協(xié)調(diào)性，能夠有效推動(dòng)工廠配電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)從粗放式運(yùn)行向精細(xì)化和智能化管理的轉(zhuǎn)變。面向未來(lái)，在10kV及以下電壓等級(jí)工廠供配電系統(tǒng)建設(shè)與運(yùn)維實(shí)踐中，應(yīng)持續(xù)結(jié)合實(shí)際工況，動(dòng)態(tài)優(yōu)化運(yùn)行模型，提升系統(tǒng)感知能力與響應(yīng)水平，為構(gòu)建安全、高效和綠色的工業(yè)電力環(huán)境奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

文章來(lái)源：《產(chǎn)品可靠性報(bào)告》http://m.12-baidu.cn/w/kj/32519.html