面向低壓智能配、用電網(wǎng)通信以及關(guān)鍵技術(shù)的研究

高平 陳曉軍

摘 要：文中提出一種基于智能元件感知、站端控制以及云端管理三個層級構(gòu)建的低壓智能配用電系統(tǒng)架構(gòu)，深入分析了低壓智能配用電系統(tǒng)無線通信技術(shù)，包括藍牙通信技術(shù)應(yīng)用和MQTT物聯(lián)網(wǎng)云端通信技術(shù)應(yīng)用，研究了低壓智能配電系統(tǒng)高精度測量和健康狀態(tài)在線檢測的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：低壓智能配電;通信技術(shù);組網(wǎng);云端

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）01-00-05

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬化技術(shù)和標準、網(wǎng)絡(luò)化共享服務(wù)基礎(chǔ)架構(gòu)的出現(xiàn)，低壓配用電系統(tǒng)面向智能化組網(wǎng)通信的發(fā)展變得十分迫切。

傳統(tǒng)的低壓配用電管理系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足云時代智能配用電系統(tǒng)的數(shù)字化需求?；谖锫?lián)網(wǎng)和云計算的智能配用電系統(tǒng)可全方位提高配用電系統(tǒng)對于智能元件信息感知的廣度和深度，提升配用電環(huán)節(jié)故障分析、預(yù)警、自愈以及防范災(zāi)害的能力，提升電網(wǎng)安全運行水平，實現(xiàn)“電力流，信息流，業(yè)務(wù)流”的高度融合，以及電能耗的精細化管理，達到節(jié)能降耗、降本增效的目的。

本文研究提出一種遵循配用電標準規(guī)范，具有自動化程度高、兼容性廣、使用方便等特點的智能化低壓配用電管理系統(tǒng)。該低壓配用電系統(tǒng)通過智能傳感技術(shù)和監(jiān)控軟件可實現(xiàn)遠程精確遙測和可靠遙控，而且具有負荷控制調(diào)度技術(shù)實現(xiàn)配用電系統(tǒng)的負荷檢測和負荷調(diào)配，從而優(yōu)化配用電系統(tǒng)的能效。智能化低壓配用電管理系統(tǒng)具有如下特征[1-2]：

（1）全面信息采集，實現(xiàn)電力配用電各個環(huán)節(jié)信息的全面采集，實現(xiàn)全過程、資產(chǎn)全壽命、客戶全方位的感知。

（2）數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，采集裝置、傳感器、傳感器與應(yīng)用系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)標準化通信協(xié)議與通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)信息的有效傳遞與交互。

（3）數(shù)據(jù)鏈路可靠，利用總線技術(shù)、無線通信技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)等，實現(xiàn)智能組網(wǎng)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)鏈路的可靠、安全及高速傳輸。

（4）云平臺大數(shù)據(jù)處理，建立配用電能源運行大數(shù)據(jù)收集、存儲和運算的云系統(tǒng)，綜合運用AI算法、分布式數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，進行數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)儲存、智能分析，支撐應(yīng)用服務(wù)、信息呈現(xiàn)、客戶交互等業(yè)務(wù)功能。

（5）IT數(shù)字化技術(shù)融合，成為企業(yè)IT架構(gòu)的延伸，完善補充企業(yè)IT架構(gòu)，同時作為企業(yè)IT架構(gòu)最重要的組成部分之一。

1 系統(tǒng)架構(gòu)概述

本文低壓智能配用電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)基于智能元件感知、站端控制以及云端管理自下向上的三個層級方式構(gòu)建。低壓智能配用電系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，底層的智能元件感知層由低壓配電元件構(gòu)成的智能元件柜、通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)設(shè)備連接的第三方設(shè)備以及新能源微網(wǎng)系統(tǒng)等組成。智能元件感知層的主要功能是實現(xiàn)系統(tǒng)元件的互聯(lián)互通，將采集到的設(shè)備數(shù)據(jù)通過工業(yè)以太網(wǎng)總線技術(shù)向站端控制層傳送，最終通過無線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳送到云端平臺。

2 系統(tǒng)通信技術(shù)

本文有線通信部分采用傳統(tǒng)的Modbus-RTU以及Modbus-TCP技術(shù)，此處不再贅述。本文對系統(tǒng)架構(gòu)智能元件感知層的本地化運維系統(tǒng)采用藍牙通信技術(shù)和云端管理層的物聯(lián)網(wǎng)MQTT通信技術(shù)設(shè)計應(yīng)用進行詳細分析。

2.1 藍牙通信技術(shù)

低壓智能配電數(shù)字化系統(tǒng)元件通過增加藍牙無線數(shù)據(jù)傳輸功能和對應(yīng)的手機APP軟件可實現(xiàn)設(shè)備的四遙功能，即“遙測、遙調(diào)、遙控、遙信”。當使用具有四遙功能的智能元件進行本地化現(xiàn)場運維巡檢時，運維巡檢人員只需通過手機APP讀取現(xiàn)場設(shè)備的運行狀況，無需用手碰觸設(shè)備調(diào)取運行數(shù)據(jù)，很大程度上確保了運維巡檢人員的人身安全，而且能夠在很大程度上降低運維巡檢的人力投入，提高運維巡檢的效率。

本文設(shè)計方案采用基于智能元件Modbus-RTU數(shù)據(jù)總線的透傳協(xié)議。數(shù)據(jù)透傳模式的最大優(yōu)點是簡化了智能控制器的通信設(shè)計，對控制器內(nèi)部的RS 485通信硬件電路設(shè)計無需進行較大更改。透傳協(xié)議最長數(shù)據(jù)幀為56 b，傳輸速率為1.5 kb/s，通信廣播間隔為100 ms。具體設(shè)計方案架構(gòu)和數(shù)據(jù)透傳調(diào)試圖如圖2所示[3]。

2.2 MQTT通信技術(shù)

向云端上傳數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約采用IBM開發(fā)的即時通信MQTT協(xié)議[4]，該協(xié)議支持所有平臺，因此可作為物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵通信協(xié)議。MQTT協(xié)議是輕量級基于代理發(fā)布/訂閱的消息傳輸協(xié)議，可以通過較少的代碼、帶寬與遠程設(shè)備連接。本文系統(tǒng)MQTT通信技術(shù)設(shè)計將DTU采集數(shù)據(jù)接入云端，數(shù)據(jù)流模型如圖3所示。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 高精度測量技術(shù)研究

傳統(tǒng)的低壓配電系統(tǒng)仍采用比較粗放的運維管理，測量精度要求不高，無需進行系統(tǒng)的能量管理和能耗分析，而智能低壓配電數(shù)字化系統(tǒng)的應(yīng)用、分析和服務(wù)都需要高精度的運行數(shù)據(jù)實現(xiàn)實時監(jiān)控、高效應(yīng)用、精確分析和完善服務(wù)。目前低壓配電系統(tǒng)的關(guān)鍵元件特別是斷路器的電流采樣精度普遍較低，導(dǎo)致后續(xù)數(shù)據(jù)分析、應(yīng)用與服務(wù)的效果大打折扣，因此提高斷路器電流采樣精度的研究十分重要。

智能配電數(shù)字化系統(tǒng)中需要實現(xiàn)更加精準的能效分析和能源管理，要求電流采樣精度在1.5級以上。由于斷路器的電流測量范圍較寬，在大電流情況下鐵芯互感器容易出現(xiàn)磁飽和而不能正常工作，測量互感器只能選用無磁飽、測量范圍寬的Rogowski線圈互感器[5]?？招木€圈的輸出電壓信號與被測電流滿足微分關(guān)系，因此要得到被測電流必須通過積分器還原被測電流信號，積分器的性能優(yōu)劣不僅會影響電流測量的精度，還會影響到濾波抗擾性和長期工作穩(wěn)定性，其電路原理如圖5所示。

根據(jù)圖5的電路結(jié)構(gòu)圖可知，i1（t）為被測一次側(cè)電流，R0為線圈繞組和引線的電阻之和，L0為線圈感量，C0為線圈的等效雜散電容，雜散電容的值非常小，在等效電路計算推導(dǎo)中可忽略不計，Ra為取樣電阻，得到電流互感器的等效電路如圖6所示。

由式（8）可知，為常系數(shù)，H（s）的輸入輸出相當于一個慣性環(huán)節(jié)。由于一階慣性環(huán)節(jié)的低頻特性差導(dǎo)致非周期分量的衰減能力減弱，而積分常數(shù)τi的取值大小對非周期分量信號的衰減非常重要，因此可對斷路器電流采樣電路積分器進行優(yōu)化設(shè)計，從而實現(xiàn)斷路器電流采樣精度的提高。

本文所述智能配電方案中選用的大電流智能配電元件的電流檢測精度達到了1.5級以上，符合智能配電對電流參數(shù)采樣的精度要求，具體數(shù)據(jù)如圖7所示。

3.2 健康狀態(tài)在線檢測技術(shù)研究

低壓智能配電數(shù)字化系統(tǒng)要求將傳統(tǒng)被動式運維模式向主動式運維模式轉(zhuǎn)變，主動式運維模式要求智能元件必須滿足健康狀態(tài)的在線實時檢測功能，其健康狀態(tài)指數(shù)信息通過工業(yè)總線通信向上傳輸?shù)秸径丝偪胤?wù)器和云端服務(wù)器，相關(guān)運維人員和用戶都能及時收到相關(guān)設(shè)備的健康狀態(tài)信息，繼而實現(xiàn)主動的運維模式，提高配電系統(tǒng)的可靠性運行。

斷路器的電觸頭在通電狀態(tài)下進行通斷操作，由于電弧灼燒嚴重影響觸頭損耗，而作為斷路器的關(guān)鍵部件之一，其磨損的情況直接關(guān)系到斷路器的電性能，可見對觸頭磨損率進行在線檢測對于系統(tǒng)故障診斷和系統(tǒng)維修具有重要意義。目前，國內(nèi)外對觸頭磨損的檢測方法主要有表面粗糙度法、有效接觸距離法、接觸電阻法、燃弧參數(shù)統(tǒng)計分析法等[6]。但是上述方法都只是理論研究，實行起來尚有較多困難，其與產(chǎn)品化應(yīng)用還相差較大距離。目前在產(chǎn)品中所宣稱的觸頭磨損率算法忽略了重要的影響因子，其檢測的觸頭磨損率精度低，無法滿足智能配電系統(tǒng)智能運維對設(shè)備健康狀態(tài)在線檢測的要求。

本文提出的觸頭磨損率在線預(yù)測方法，考慮了通斷操作對電流值的燃弧影響，均衡了簡化電氣燃弧影響的算法。通過檢測不同通流狀態(tài)下的電氣操作壽命n，即認為每操作一次的觸頭磨損率為，可得到觸頭磨損率在線檢測計算公式：

4 結(jié) 語

本文基于智能化配電項目，研究提出了一種基于智能元件感知、站端控制以及云端管理三個層級方式構(gòu)建的低壓智能配用電系統(tǒng)架構(gòu)，深入研究了藍牙通信技術(shù)和MQTT物聯(lián)網(wǎng)云端通信技術(shù)在低壓智能配用電系統(tǒng)的應(yīng)用，最后研究分析了低壓智能配電系統(tǒng)高精度測量和健康狀態(tài)在線檢測的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。項目正按計劃進行研究，將逐步推進產(chǎn)業(yè)化

應(yīng)用。

參 考 文 獻

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