一二次融合环网柜的智能化改造与应用分析

《关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》明确提出要提升能源利用效率，推动电网智能化升级。一二次融合技术应运而生，通过将智能传感、通信与控制功能深度集成于一次设备，达成“一次设备智能化、二次设备集成化、信息交互标准化”，为环网柜智能化改造奠定了坚实基础。

1 一二次融合环网柜相关概述

1.1 环网柜的定义与分类

环网柜（如图1）是配电系统中用于电能分配、控制和保护的关键设备，通常应用于10kV 及以下的配电网络。其基本工作原理是通过内部的开关设备（如负荷开关、断路器等）实现电路的接通、断开和转换，以满足配电网络的环网供电和辐射式供电需求[1]。

常见的环网柜类型主要有以下几种：SF6 环网柜以 SF6 气体作为绝缘和灭弧介质，具有绝缘性能优异、灭弧能力强、体积小等特点，广泛应用于各类配电场景，但SF6 气体是强温室气体，存在环保方面的隐忧。固体绝缘环网柜采用环氧树脂等固体绝缘材料替代SF6 气体，具备无气体泄漏风险、环保性能好、维护方便等优势，适用于对环保要求较高的区域，如居民区、商业区等。空气绝缘环网柜以空气作为绝缘介质，结构相对简单，成本较低，但体积较大，绝缘性能受环境影响较大，一般用于户外或环境条件较好的场所。近年来，国家电网积极推广采用环保气体的环网柜（如图2），其环保性能突出，安全系数高，是提升电网安全性、经济性和智能化水平的必由之路，与当前电力行业绿色低碳及可持续发展趋势相契合。

图1 环网柜

1.2 一二次融合技术概述

二次融合技术的核心思想是打破传统电力设备中一次设备与二次设备相互独立的状态，实现硬件集成、功能协同和信息共享。二次融合环网柜（如图 2）主要由智能一次设备、集成式二次设备和信息交互单元构成。智能一次设备是在传统一次设备基础上，集成了传感器、执行器等元件，能够实现自身状态的感知和控制指令的执行；集成式二次设备将保护、测量、控制等功能集成一体，简化了设备结构；信息交互单元则负责各部分之间以及与外部系统的数据传输和通信。

图2 一二次融合环网柜

一二次融合环网柜的优势

通过实施硬件的集成化与模块化设计策略，实现了设备结构的简化，该技术的优势显著，减少了连接环节，提高了设备的可靠性；同时，功能协同和信息共享降低了设备的整体成本，也为运维工作提供了便利，便于实现远程监控和管理。一二次融合环网柜的优势

技术架构对比

1.3 智能化环网柜的定义与特征

智能化环网柜是在一二次融合基础上，具备状态感知、智能决策、自动控制和远程交互等核心要素的环网柜。其特征主要体现在以下几个方面：在状态感知方面，能够实时监测自身运行参数、环境参数等各类信息；智能决策能力使其可以根据采集到的数据进行分析判断，制定合理的运行策略；自动控制功能可实现对电路的自动操作，如故障时的自动隔离；远程交互则支持与调度中心等外部系统进行数据交换和指令传达。

与传统环网柜相比，智能化环网柜自动化程度更高，能更快速地响应电网变化，提高供电可靠性和运维效率，同时降低人工干预成本。

功能对比

2 一二次融合环网柜智能化改造的关键技术

2.1 感知层改造：状态全面感知技术

在感知层改造中，传感器的选型与布置至关重要。针对温度参数，通常选用热电偶或红外传感器，布置在开关触点、母线等易发热部位；湿度传感器多安装在柜体内部，监测环境湿度；局放传感器则用于检测设备内部的局部放电现象，可采用超声波或超高频传感器，安装在绝缘部件附近；对于机械特性监测，如开关的分合闸时间、速度等，需选用相应的位移或速度传感器，安装在操作机构处。

次设备智能化是感知层改造的核心，通过在断路器、负荷开关次设备中集成传感器和智能控制模块，使其具备状态监测和自动控制能力[2]。例如，智能断路器可实时监测自身的开断次数、机械寿命等信息，并能根据指令自动完成分合闸操作。状态信号采集与预处理技术也不容忽视。采集到的原始信号往往含有噪声，需要通过滤波、放大等预处理手段提高信号质量，为后续的分析和决策提供可靠数据。同时，采用多路复用技术，实现对多种信号的同时采集，提高数据采集效率。

2.2 网络层改造：可靠通信网络构建

通信方式的选择需根据实际应用场景确定。有线通信中，光纤通信具有传输速率高、抗干扰能力强的特点，适用于对通信质量要求高的场合，如城市核心区配电网；以太网则成本较低，易于实现，可用于一般区域的通信连接。无线通信方面，4G/5G 适用于大数据量传输和实时性要求高的场景；LoRa 和NB-IoT 具有低功耗、广覆盖的优势，适合对功耗敏感且数据传输量不大的监测点。

通信协议适配与融合是保证不同设备和系统之间正常通信的关键。DL/T860（IEC61850）协议作为电力系统的标准通信协议，在一二次融合环网柜中得到广泛应用，通过该协议实现设备之间的信息交互和互操作。同时，需对不同厂家的设备进行协议转换和适配，确保通信的兼容性。

边缘节点与主站通信架构设计采用分层结构，边缘节点负责对本地采集的数据进行初步处理和存储，并与主站进行通信。架构中采用加密技术保证数据传输的安全性，同时通过冗余设计提高通信的可靠性，如采用双链路通信，当一条链路故障时，自动切换到另一条链路。

2.3 应用层改造：智能分析与决策

智能终端功能实现涵盖数据处理、逻辑判断和控制指令执行。智能终端对采集到的数据进行汇总、分析和存储，通过预设的逻辑规则对设备状态进行判断，如当温度超过阈值时，发出告警信号；根据决策结果，向一次设备发送控制指令，如分合闸指令。

状态监测与故障诊断技术基于大数据分析，通过建立设备状态评估模型，对采集到的状态数据进行分析，评估设备的健康状况。采用机器学习算法，如神经网络、支持向量机等，对历史故障数据进行训练，实现故障的早期预警和准确诊断。例如，通过分析局部放电信号的特征，可判断设备绝缘老化程度和潜在故障类型。

智能控制与保护策略包括自适应保护和分布式协同控制。自适应保护能根据电网运行状态自动调整保护定值，提高保护的灵敏度和选择性；分布式协同控制则通过多个环网柜之间的信息交互，实现故障的快速定位和隔离，提高电网的自愈能力。边缘计算与就地决策能力增强使环网柜能够在本地完成数据处理和决策，减少对主站的依赖，提高响应速度。边缘计算节点可对实时数据进行快速分析，如发现故障立即进行就地处理，同时将处理结果上传至主站，实现本地决策与远程监控的协同。

3 一二次融合环网柜智能化改造后的典型应用场景分析

3.1 城市配电网中的应用

在架空线入地工程中，智能环网柜发挥着重要作用。通过其状态监测功能，实时掌握设备运行状态，确保架空线入地后配电系统的稳定运行。同时，智能环网柜的自动控制能力，可实现线路的灵活切换，提高供电可靠性。在电缆环网系统中，智能化改造后的环网柜具备故障快速定位、隔离与恢复能力。当线路发生故障时，环网柜能迅速检测到故障位置，并通过与其他环网柜的协同操作，实现故障区域的隔离和非故障区域的供电恢复，缩短停电时间，提高供电可靠性 [3]。配电网自动化与精益化管理方面，智能环网柜的远程监控功能使调度中心能够实时了解配电网的运行状态，实现对负荷的动态调控。

通过分析历史数据，优化网络结构和运行方式，提高配电网的经济性和效率。3.2 工业园区/ 产业园区中的应用工业园区和产业园区对供电可靠性要求较高，智能环网柜能为重要负荷提供连续供电保障。其具备的冗余设计和快速切换功能，当一路电源出现故障时，可迅速切换至备用电源，确保生产设备的正常运行，减少因停电造成的经济损失。针对园区复杂的用电需求，智能环网柜支持多电源接入与灵活切换。通过对不同电源的集中管理和控制，实现电源之间的无缝切换，满足园区内不同企业在不同时段的用电需求，提高电源利用效率。

3.3 新能源接入场景中的应用

在分布式光伏、储能系统接入中，智能环网柜的协调控制功能至关重要。它能实时监测光伏电站的出力和储能系统的状态，根据电网负荷和电压情况，合理分配光伏电能和储能放电，实现新能源的高效利用，同时保证电网的稳定运行。在微电网中，智能环网柜作为能量管理与优化的核心设备，能够协调微电网内的分布式电源、负荷和储能系统。通过制定合理的能量调度策略，实现微电网的经济运行，提高能源自给率，在并网和离网模式之间实现平滑切换，增强微电网的可靠性和灵活性。

用场景差异