基于智能融合終端的臺區(qū)運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設計

徐崢，王貴海，王思南，羅中，趙元

（1.國網(wǎng)北京海淀供電公司，北京 100031；2.北京電力自動化設備有限公司，北京 100044）

傳統(tǒng)配電臺區(qū)智能終端通常只具備某一特定功能需求，如用電數(shù)據(jù)采集、開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測、環(huán)境狀態(tài)信息采集等，且缺乏統(tǒng)一標準，設備接口與系統(tǒng)架構(gòu)通常存在兼容性問題。通信網(wǎng)絡帶寬、時延、可靠性等與配電臺區(qū)數(shù)據(jù)實時傳輸交互需求也存在一定差距[1-4]。

低壓配電臺區(qū)分布分散、設備眾多，目前其運行管理、運維質(zhì)量、控制模式距離智能化運維與服務要求尚存在一些差距[5-9]，主要體現(xiàn)在：1）配電變壓器、開關(guān)節(jié)點、JP 柜等缺乏感知設備，分布式能源與充電樁等新能源的用電情況、臺區(qū)網(wǎng)絡拓撲與電氣參數(shù)也難以有效識別[10]，導致無法主動感知重要設備運行狀態(tài)和臺區(qū)內(nèi)用戶用電情況；2）臺區(qū)異常運行狀態(tài)感知和故障排查依賴于人工巡檢，工作量大且效率低。當前的配電臺區(qū)運維管理仍停留在相對粗獷的“被動搶修”水平[11-12]，無法引導用戶有序用電，進而影響低壓配電網(wǎng)的電能質(zhì)量和穩(wěn)定運行。

基于此，開展了臺區(qū)智能融合終端及運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設計研究，以期實現(xiàn)低壓臺區(qū)運行異常狀態(tài)的智能精準識別。

1 臺區(qū)智能融合終端設計方案

臺區(qū)智能融合終端部署在配變出線側(cè)，處于主站與終端設備的中間，負責向主站提供低壓配電臺區(qū)的運行狀態(tài)、設備狀態(tài)、環(huán)境信息及其他基礎數(shù)據(jù)。同時，具備對其所連接的終端下發(fā)上層決策或直接就地控制的功能[13]。

1）硬件架構(gòu)：臺區(qū)智能融合終端的系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1 所示。其采用模塊化的設計原則，硬件模塊主要包括CPU、顯示模塊、交流采樣模塊、電源模塊、上行通信模塊和下行通信模塊等。CPU 是臺區(qū)智能融合終端的核心，負責所有的控制、通信功能；顯示模塊用于與運維人員的人機交互；交流采樣模塊實現(xiàn)交流強電信號的轉(zhuǎn)換、采集和計算等功能；電源模塊為臺區(qū)智能融合終端提供穩(wěn)定的工作電源；上行通信模塊負責臺區(qū)智能融合終端向上級主站傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)；下行通信模塊負責臺區(qū)智能融合終端與下級終端設備控制指令等的信息交互。

圖1 臺區(qū)智能融合終端系統(tǒng)架構(gòu)

2）軟件平臺方案：臺區(qū)智能融合終端的軟件平臺設計方案，如圖2 所示。該終端具備邊緣計算節(jié)點特性，該文基于“硬件平臺化、軟件APP 化、高度標準化”的設計理念，采用開放型技術(shù)架構(gòu)將數(shù)據(jù)采集、通信、控制三類接口進行封裝。根據(jù)具體應用需求進行組合，既支持不同廠商的硬件產(chǎn)品，又避免了硬件資源的浪費。同時通過虛擬容器技術(shù)在Linux空間實現(xiàn)不同應用的獨立封裝部署，滿足通信、采集、控制管理需求，具備設備運行監(jiān)控、拓撲自動識別、電能質(zhì)量治理、分布式能源管理、故障預警上報以及用戶互動服務等功能。

圖2 臺區(qū)智能融合終端軟件平臺設計方案

3）通信網(wǎng)絡方案：通信網(wǎng)絡方案設計，如圖3 所示。臺區(qū)智能融合終端依托廣泛的本地通信協(xié)議和大量設備接口，為不同種類終端設備的接入提供平臺，進而實現(xiàn)了信息集成。其可以為配電物聯(lián)網(wǎng)運行設備狀態(tài)信息感知、用電數(shù)據(jù)抄收、配變監(jiān)測、通信組網(wǎng)、本地化分析決策機制提供支撐。通過高速載波通信實現(xiàn)電能表、分布式光伏、充電樁等設備信息采集，利用RS-485 實現(xiàn)斷路器、分支開關(guān)、補償電容器、漏電保護斷路器等設備的信息采集；通過射頻技術(shù)與溫度、濕度傳感器通信，實現(xiàn)環(huán)境信息采集。

圖3 臺區(qū)智能融合終端通信網(wǎng)絡方案

2 臺區(qū)運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

該文設計的基于智能融合終端的臺區(qū)運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)框架如圖4 所示[14-16]，臺區(qū)運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)采用“云、管、邊、端”四級架構(gòu)。

圖4 基于智能融合終端的臺區(qū)運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)框架

1）“云”：指云化的主站，將營銷系統(tǒng)、PMS2.0 系統(tǒng)、供服平臺、調(diào)度系統(tǒng)等多平臺數(shù)據(jù)有機融合，實現(xiàn)業(yè)務應用功能的協(xié)同自治。

2）“管”：指主站與邊緣設備的數(shù)據(jù)傳輸通道，目前常規(guī)的通道為4G 無線公網(wǎng)或230 Mbit/s 無線專網(wǎng)，具備數(shù)據(jù)加密性優(yōu)、實時性強的特點。

3）“邊”：指處于低壓配電網(wǎng)臺區(qū)設備側(cè)的分布式智能終端，其采集設備運行數(shù)據(jù)，通過邊緣計算等方式識別臺區(qū)異常運行狀態(tài)，實現(xiàn)臺區(qū)就地智能化管理。

4）“端”：指低壓配電臺區(qū)中直接感知運行狀態(tài)或執(zhí)行控制命令的主體元素，包括一次設備、二次裝置、智能傳感器、通信單元等。

該文設計的智能融合終端屬于“邊”設備，也是低壓配電臺區(qū)運行狀態(tài)監(jiān)測的關(guān)鍵。

2.2 系統(tǒng)功能設計

基于智能融合終端的臺區(qū)運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖5 所示，主要包括用電數(shù)據(jù)分析、環(huán)境信息監(jiān)測、變壓器狀態(tài)監(jiān)測和其他輔助功能。

圖5 臺區(qū)運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

1）用電數(shù)據(jù)分析：臺區(qū)智能融合終端通過采集電能表實時電能示值、日零點凍結(jié)電能示值、抄表日零點凍結(jié)電能示值、電能數(shù)據(jù)采集時的時標等數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)監(jiān)測電壓偏差、電壓合格率和電壓超限率統(tǒng)計，異常用電行為識別、告警以及故障定位。終端還可以對電能表運行狀態(tài)進行監(jiān)測，包括電能表參數(shù)變更、電能表時間超差、電能表故障信息、電能表示度下降、電能量超差、電能表“飛走”、電能表停走、相序異常、電能表開蓋記錄、電能表運行狀態(tài)字變位等。

2）環(huán)境信息監(jiān)測：在室外配電箱、配電房、變壓器等需要監(jiān)測環(huán)境狀況的位置可以配置溫濕度傳感器，通過臺區(qū)智能融合終端獲取相應信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)環(huán)境信息的監(jiān)測和智能控制。

3）變壓器狀態(tài)監(jiān)測：臺區(qū)智能融合終端通過采集配變低壓側(cè)的三相電流和電壓，可有效監(jiān)測電壓、電流、功率因數(shù)、三相不平衡度、電壓偏差、諧波含量、配變負載率等電氣參數(shù)，實現(xiàn)了基本配變監(jiān)測功能。終端還可以對抽頭檔位、繞組溫度、風機啟停情況等變壓器狀態(tài)信息進行監(jiān)測。

4）其他輔助監(jiān)測：臺區(qū)智能融合終端可通過RS-485 等通信接口與智能電容器、智能換相開關(guān)等電能質(zhì)量治理設備進行通信，實現(xiàn)治理設備的投切容量、共補/分補狀態(tài)等信息監(jiān)控。

同時終端還可與漏電保護動作保護器通信，獲取其分斷狀態(tài)，設定保護值，對故障事件進行監(jiān)測告警，并通過載波通信等通信方式實現(xiàn)低壓臺區(qū)用戶側(cè)運行狀態(tài)等信息的遠程采集與管理。

3 算例分析

以北京市某供電局臺區(qū)的現(xiàn)場環(huán)境進行仿真測試，驗證該文所提基于智能融合終端的臺區(qū)運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設計方案的有效性。該臺區(qū)基礎信息，如表1 所示。

表1 某供電局臺區(qū)基礎信息

3.1 系統(tǒng)監(jiān)測功能

基于融合終端的臺區(qū)運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，對該臺區(qū)變壓器于2021 年2 月16 日-2021 年2 月17日的三相不平衡度、三相電壓、功率因數(shù)、負載率進行監(jiān)測分析。

1）三相不平衡度

該臺區(qū)A 相負荷較大、B 相負荷較小，三相不平衡度為3%～48%，大部分時間超過了三相不平衡度限值15%。該臺區(qū)的三相不平衡較嚴重，需調(diào)整負荷接入相序結(jié)構(gòu)。

2）三相電壓

該臺區(qū)變壓器三相電壓范圍為240～264 V，處于合理運行區(qū)間。

進一步計算臺區(qū)末端電壓，計算結(jié)果如表2 所示，其最小值為203.5 V，電壓偏差小于10%，在合格運行范圍內(nèi)。

表2 該臺區(qū)末端電壓計算結(jié)果

3）功率因數(shù)

該臺區(qū)變壓器功率因數(shù)范圍為0.75～0.99，最小功率因數(shù)遠低于功率因數(shù)限值0.90，因此需要配置無功補償裝置。

4）配變負載率

該臺區(qū)變壓器負載率為9.8%～40.2%，監(jiān)測時間內(nèi)53.2%的時間處于輕載運行狀態(tài)，46.8%的時間處于經(jīng)濟運行狀態(tài)，該配變?nèi)萘磕軌驖M足當前的負荷需求。

5）線損分析

應用所設計系統(tǒng)，對該臺區(qū)2020 年12 月份的線損進行分析，結(jié)果如表3 所示。2020 年12 月份該臺區(qū)實際線損率為8.35%，理論線損率為6.21%。

表3 該臺區(qū)末端電壓計算結(jié)果

3.2 系統(tǒng)應用成效

應用該文設計的臺區(qū)運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對該臺區(qū)2020 年1 月～12 月進行監(jiān)測，異常運行狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果如表4 所示。

表4 異常運行狀態(tài)監(jiān)測次數(shù)(單位：次)

由表4 可知，在應用該系統(tǒng)進行監(jiān)測期間內(nèi)，累計發(fā)現(xiàn)異常用電行為27 次、重過載278 次、三相不平衡323 次、低電壓219 次、缺相斷電32 次。在監(jiān)測期間，成功處理重過載、低電壓事件共116 起，平均異常運行狀態(tài)處理時間由原先的35.2 min減少為18.7 min?？梢?，該文所提系統(tǒng)能夠輔助運維人員開展重過載、低電壓等異常運行狀態(tài)篩選核實，大幅節(jié)省了人工排查時間，保障了臺區(qū)的安全、穩(wěn)定運行。

4 結(jié)束語

該文分析了智能融合終端的軟硬件方案，開展了智能融合終端在低壓臺區(qū)輔助運維的應用研究，提出了基于智能融合終端的臺區(qū)運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)和功能設計方案。通過北京市某供電局臺區(qū)進行的測試驗證結(jié)果表明，文中所提系統(tǒng)能夠智能實時監(jiān)測臺區(qū)變壓器的三相電流、三相不平衡度、三相電壓和功率因數(shù)等運行參數(shù)。通過應用所設計系統(tǒng)能夠發(fā)現(xiàn)異常用電行為，監(jiān)測重過載、低電壓等事件，保障臺區(qū)的安全、穩(wěn)定運行。但文中設計運行狀態(tài)監(jiān)測僅適用于系統(tǒng)主站，為方便工作人員現(xiàn)場作業(yè)有必要研究設計相應APP 軟件，這將在后續(xù)研究中開展。