國網(wǎng)勝利(東營)供電有限公司 仲崇山 管明睿 劉 筠 山東德源電力科技股份有限公司 張洋洋 張 坤
2020年4月2日國家電網(wǎng)公司召開“新基建”工作領導小組第一次會議,深入貫徹總書記重要講話和指示精神,加快新基建建設,加快建設具有中國特色國際領先的能源互聯(lián)網(wǎng)體系,著力于提質增效,提高裝備使用率,帶動全社會產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,履行社會責任,發(fā)揮大國重要作用。深入推進數(shù)字技術與電網(wǎng)技術融合發(fā)展,在電網(wǎng)全環(huán)節(jié)推進數(shù)字化轉型是實現(xiàn)公司戰(zhàn)略目標的關鍵所在。大力加快推進數(shù)字化配網(wǎng)建設,加快推進配電網(wǎng)智能化升級和管理數(shù)字化轉型,是公司貫徹落實中央“新基建”戰(zhàn)略部署的重要舉措,也是建設能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的內在要求。
400V 配電網(wǎng)絡結構正在悄然改變:太陽能等分布式能源的開發(fā)利用,有源電網(wǎng)需要關注局部區(qū)域的潮流;電動汽車的逐步普及,大規(guī)模的充電樁投運會對臺區(qū)造成沖擊,需對充電樁進行約束運行管控,進一步優(yōu)化資源利用效率。
電網(wǎng)精益管理向低壓延伸。400V 低壓配網(wǎng)長期以來屬于監(jiān)控盲區(qū),400V 末端電能管理亟待整體提升,一是低壓電網(wǎng)設備空間分布廣,作業(yè)半徑大,交通耗時多;二是低壓電網(wǎng)生產(chǎn)作業(yè)是全天候、7×24小時、全年無休的模式,且夜晚等特殊時段工作效率低;三是專業(yè)分工細、工序分段多、工作交接頻繁,協(xié)同效率不高;四是專業(yè)目標不統(tǒng)一、業(yè)務數(shù)據(jù)不標準、數(shù)據(jù)無法貫通共享、存在專業(yè)壁壘,影響公司整體工作效率提升。
低壓運維工作標準亟待提升。近些年生產(chǎn)電網(wǎng)工作質量得到了巨大提升,但仍有潛力可挖。主要體現(xiàn)在五方面:安全目標對工作差錯零容忍;工作質量因組織層級多、傳達時間長,存在層層衰減;巡視、檢測類工作彈性大,成效顯現(xiàn)滯后,工作監(jiān)管成本大,難推進;人員素質不一,工作質量差異性大,尤其零散的外包業(yè)務;生產(chǎn)工作大多為機械性重復工作,容易產(chǎn)生倦怠[1]。
低壓供電可靠重要性日益凸顯。在新興的能源生產(chǎn)與消費模式不斷出現(xiàn)背景下,供電公司的客戶服務需要電力系統(tǒng)更可靠的運行:一是客戶的服務預期不斷提高,需不斷改善服務質量,獲得電力指數(shù)提升;二是客戶維權意識強,需約束、規(guī)范各類運營行為;三是美麗環(huán)境的要求,需更科學地規(guī)劃、建設、運維電網(wǎng)。
精準投資提質增效需求迫切。近兩年國網(wǎng)主業(yè)整體效益在下滑,需通過更精益化管理實現(xiàn)內部節(jié)約:一是社會要求運營成本進一步壓降,電價連續(xù)兩年大幅度下降;二是電網(wǎng)建設投資需要更精準;三是電網(wǎng)設備需差異化地開展檢修,降低全壽命周期管理的成本;四是節(jié)能降耗,需大幅降低管理線損并為技術線損提供靶向性指導依據(jù)。
以“硬件平臺化、軟件App 化”為理念,應用分布式邊緣計算、物聯(lián)網(wǎng)通信和設備全面感知技術,構建以常規(guī)設備加智能感知終端設備為重要邊緣計算點的低壓配電網(wǎng)全息感知系統(tǒng),最終實現(xiàn)低壓配電信息的全面感知,智能設備的靈活接入、即插即用,深度契合電力物聯(lián)網(wǎng)終端泛在接入、平臺共享開放、云霧協(xié)同計算、數(shù)據(jù)驅動業(yè)務、應用隨需定制等特征。
基于電力物聯(lián)網(wǎng)的新型智能臺區(qū)建設方案是通過在低壓臺區(qū)內安裝智能物聯(lián)設備與營配數(shù)字協(xié)同微應用平臺(以下簡稱智能平臺)及協(xié)同APP 相結合,除完成傳統(tǒng)的電力抄表功能外,還具備設備狀態(tài)智能分析、線損分段精益管控、表計精度在線診斷、多道防線硬核防竊電、掛接設備智能識別及服務行為一體化管理等功能,可全方位、系統(tǒng)化的提升低壓臺區(qū)精益化管理水平,從計量管理提升、節(jié)能降耗、反竊查違、減少設備投資、減少運維工作量五方面實現(xiàn)經(jīng)濟效益的大幅提升。
以模組化感知終端為核心,采用配電臺區(qū)與電氣拓撲智能識別技術,實現(xiàn)臺戶檔案關系精準校核、竊電分析與告警、線損分析與異常定位等功能[2]。在臺區(qū)側加裝臺區(qū)能源控制器,在電纜分支箱、末端計量箱側加裝模組化感知終端,實時感知分支、表箱的電流、電壓量測值以及計量事件,動態(tài)計算供入售出電量,自動繪制線損態(tài)勢可視化曲線,基于低壓拓撲關系定位異常線損位置點。
基于電力物聯(lián)網(wǎng)的智能臺區(qū)中關鍵設備為智能物聯(lián)感知模組,智能物聯(lián)感知模組采用導軌式安裝,包含一個基礎單元和兩個擴展單元,形成了以感知模組為基礎、可擴展控制模組和防護模組的組合模式,每個單元都進行了可插拔的模組化設計,讓三個模組能進行自由搭配組合,并根據(jù)不同需求進行插拔式模組化的組裝,滿足不同客戶的不同要求。
感知模組是綜合高頻CPU、計量芯片、HPLC通訊芯片、安全加密芯片、臺區(qū)識別模塊等于一體的管理單元,其與臺區(qū)能源控制器上行通信傳輸選用寬帶電力線載波(HPLC);下行通信RS-485接口用于智能電表抄讀,支持DL/T645、DL/T698.4通訊協(xié)議;近端配置低功耗藍牙模塊支持近距離無線及本地維護升級。通過內置電壓互感器和外置電流互感器實現(xiàn)高精度采樣,具備全量電參量采集能力,包括三相電壓、三相電流、瞬時有功功率、瞬時無功功率、瞬時視在功率、功率因數(shù)、電壓波形失真度、電流波形失真度、電壓諧波含量、電流諧波含量等;內置拓撲識別模塊,實現(xiàn)臺區(qū)自動識別、相位識別、臺區(qū)拓撲自動生成;內置高精度溫濕度傳感器,實時監(jiān)測箱體內的環(huán)境狀態(tài)。裝載了國網(wǎng)安全芯片,對身份認證、權限控制等進行了周密防護,保障數(shù)據(jù)的安全性和完整性[3]。
控制模組內置高性能的北斗定位模塊,具有高靈敏度、低功耗、小型化的特點,其極高追蹤靈敏度大大擴大了其定位的覆蓋面,滿足設備高精度準確定位的需求,結合感知模組自動上報故障事件,實現(xiàn)搶修人員制定的最優(yōu)路徑和實時地圖導航;內置的小尺寸、分辨率加速度傳感器,具有低功耗、耐沖擊性高及可編程的待機喚醒功能,能實現(xiàn)箱體的傾斜檢測、振動檢測、移動檢測等功能;內置門鎖控制模塊,具備智能鎖管理和控制功能,支持遠程開鎖和本地藍牙認證開鎖,實時反饋門鎖開關狀態(tài)。
防護模組內置熱釋電紅外人體檢測傳感器、強磁感應模塊、取證攝像裝置和SD 卡存儲,能檢測設備前方是否有人員在操作,并與智能箱鎖狀態(tài)進行聯(lián)動。當有非法侵入時防護模組觸發(fā)攝像裝置進行連續(xù)拍照存儲至本地留證,并通過感知模組上傳至主站觸發(fā)預警;實際工作時還可根據(jù)是否存在強磁干擾計量準確度,對非法開箱、竊電等異常行為進行實時監(jiān)控。
基于工頻畸變信號通信的臺區(qū)歸屬關系識別技術。臺區(qū)側智能終端(能源控制器)與末端側智能終端(模組化終端)均內置基于工頻畸變信號通訊芯片,依托畸變信號不跨臺區(qū)、不跨相位且不易受環(huán)境干擾的特征,臺區(qū)側智能終端在注冊時或運行中定期通過畸變電流信號發(fā)送自身終端地址(臺區(qū)標識),末端側智能終端接收解析后即可獲知實際所屬臺區(qū)。
基于特征電流通信的臺區(qū)層級關系識別技術。末端側智能終端中內置可在線路零火線之間產(chǎn)生滿足一定頻域規(guī)律的特征電流信號的電阻,通過臺區(qū)側智能終端交采對線路電流信號進行實時采樣分析,記錄信號識別到的時間標,對時間標進行對比分析,繪制線路物理拓撲[4]。
基于主動時間補償?shù)亩〞r廣播校時方法。其相對于點對點校時方式具有較高的執(zhí)行效率和校時精度,同時具有較低的通信開銷,實際使用中一般采用該方式進行校時操作。在廣播校時方式下,標準Q/GDW1376.2—2013制定了TTU 可以查詢通信延時相關的廣播通信時長,以此來估計終端廣播校時過程中的信道延時估計值。除廣播通信信道延遲時間外,也要考慮在通信接口上的延遲并對其做出合理的估計。確保TTU 與LTU 和電能表之間的高精度時鐘同步,滿足分支線路用電信息特征量以時間片段分組。
臺區(qū)拓撲動態(tài)辨識?;谑噶繑?shù)據(jù)精確到微秒級的同步采集,結合電氣特征量分析、寬帶網(wǎng)絡通信拓撲信息、通信信道品質等參數(shù)進行識別,輸出正確可信的識別結果,“邊端協(xié)同”完成拓撲關系的辨識,確保低壓臺賬準確可信,為降低管理線損,撕拉亂接以及竊電現(xiàn)象的迅速識別發(fā)現(xiàn),提供可靠的基礎依據(jù);全息狀態(tài)實時感知。通過安裝在各節(jié)點、分支的智能感知終端,可進行電氣量、狀態(tài)量、環(huán)境量的實時感知,可實現(xiàn)電流、電壓、矢量展示(幅值+角度),可管理周邊溫濕度、水浸、煙感、門節(jié)點等小微傳感器,實現(xiàn)環(huán)境狀態(tài)實時感知,可接入32路電表,實現(xiàn)營配數(shù)據(jù)同源。
即插即用功能。在新接入設備上電后,經(jīng)由能源控制器向主站發(fā)送注冊請求,主站根據(jù)入網(wǎng)設備基本信息判斷設備是否允許入網(wǎng)并進行入網(wǎng)許可。主站進行身份識別與認證后與一次系統(tǒng)圖進行關聯(lián),主站下發(fā)設備定值和參數(shù)。設備認證通過后將自帶的銘牌信息上報至主站,主站自動完善設備檔案,從而實現(xiàn)新接入設備即插即用;實現(xiàn)“四遙”功能。實現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調功能。實現(xiàn)各層級節(jié)點的電氣量深度感知,設備信息遠程監(jiān)控,斷路器遠程分合閘以及遠程保護定值設置功能。
臺區(qū)線損精細化管理?;诘蛪和負潢P系和各層級節(jié)點智能感知終端/物聯(lián)監(jiān)測單元計量芯片進行電能量采集信息,實現(xiàn)分段、分相、分時多維度線損自動計算,提升低壓臺區(qū)線損精益管理,實現(xiàn)對于臺區(qū)更細粒度的線損感知,為線損治理提供可靠依據(jù);低壓故障定位和精準搶修?;诘蛪号潆娋W(wǎng)絡拓撲,通過低壓拓撲關系及各節(jié)點智能感知終端的故障保護跳閘信息(短路、過流、失壓、缺零等保護動作信息)以及漏電流越限告警,進行低壓臺區(qū)故障研判,故障事件秒級上報,定位故障區(qū)段,推送主動搶修工單輔助精準搶修。
臺區(qū)電能質量溯源。通過臺區(qū)電氣量的采集和計算,實現(xiàn)計算臺區(qū)負載率、電壓合格率、三相不平衡度、功率因數(shù)、諧波等電能質量指標,并能實現(xiàn)問題的溯源和定位;故障預知和提前排故?;谥悄芨兄K端的邊緣計算功能和低壓配電網(wǎng)絡拓撲關系,結合能源控制器采集各節(jié)點的工況信息,通過建立低壓配電網(wǎng)阻抗在線動態(tài)辨識模型實現(xiàn)低壓配電網(wǎng)各節(jié)點回路阻抗計算,以及通過節(jié)點歷史剩余電流故障特征值實現(xiàn)提前發(fā)現(xiàn)設備異常、電弧放電監(jiān)測預警火災、因設備老化造成的故障預警,實現(xiàn)潛在的故障預判。
2020~2021年在山東東營共完成1393個臺區(qū)實施運行,合計安裝智能感知設備46121臺,在營配數(shù)據(jù)梳理、臺區(qū)線損治理、故障主動搶修、負荷智能調節(jié)等方面均取得良好效果,具體分析如下:
狀態(tài)全息感知與信息融合貫通。通過在配變、分支箱、戶表、充電樁、分布式能源等關鍵節(jié)點應用智能感知終端(智能感知終端),對400V 配電網(wǎng)的運行工況、設備狀態(tài)、環(huán)境情況等信息全面采集。實現(xiàn)低壓電網(wǎng)實施運行監(jiān)控(5分鐘)、停電實時上報(秒級)、供電質量溯源、提高配變負荷利用率、減少光伏發(fā)電倒送比例、提高低壓電網(wǎng)運行效率;故障快速處置與精準主動搶修。智能感知終端支持故障研判、展示故障區(qū)段,定位故障類型,邊端協(xié)同實時跟蹤分析,提升配電網(wǎng)智能處置和自愈能力,變被動搶修為主動服務。農(nóng)網(wǎng)臺區(qū)為TT 接線,漏電流越限跳閘是農(nóng)網(wǎng)運維檢修人員的難點痛點,基于帶漏電流的智能感知終端漏電流趨勢跟蹤以及越限告警,可提前排除故障或在故障前精確定位,減少停電時間,提高客戶滿意度。
狀態(tài)在線評價與設備預先檢修。低壓配網(wǎng)各關鍵節(jié)點每5分鐘數(shù)據(jù)同步矢量采集以及異常指數(shù)的實時監(jiān)控,實現(xiàn)對低壓配網(wǎng)進行智能綜合性研判分析,精確評估配電網(wǎng)及設備當前狀態(tài)、智能預測未來趨勢。智能感知終端支持基于阻抗變化的電網(wǎng)狀態(tài)評價,支持基于電弧放電感知的電氣火災預警。本次智能化改造后可將低壓臺區(qū)設備、線路故障消滅在萌芽中;供電方案優(yōu)化與用電可視化。通過中低壓配電網(wǎng)全息感知,開展基于配網(wǎng)及設備承載能力的可開放容量綜合計算,同時綜合考慮客戶用電需求及增長趨勢、主配網(wǎng)規(guī)劃計劃、設備通道路徑造價等,為客戶提供最優(yōu)供電方案,利用基于臺區(qū)能源控制器的各類APP 微應用,實現(xiàn)用電客戶接入的線上全景展示和交互。
停電準確定位與精準透明發(fā)布。利用各類智能終端和邊緣計算,為用戶提供末端配網(wǎng)事件處理服務,監(jiān)視并主動發(fā)現(xiàn)用戶用電異常,制定解決方案并提供處理服務;同時結合智能感知的停復電事件,云端自動識別停電影響范圍及重要敏感用戶,自動生成結構化停電信息并通過短信或微信等手段,點對點精準推送至用電客戶,全面提升客戶的用電體驗;負荷特性識別與用電用能優(yōu)化。以龐大海量的客戶用電行為數(shù)據(jù)為基礎,對家庭、企業(yè)不同客戶群體的用電行為特征進行識別并畫像,通過配置合理的中低壓終端,為用戶提供關鍵運行及服務信息,包括提供臺區(qū)直至用戶戶內的用電和電能質量信息,結合用戶用能特性,為客戶提供包括電能質量治理、用電用能的優(yōu)化策略,提升用戶電力獲得感。