盧 丹，劉 洋，張琳娟，許長清，李俊剛，毋炳鑫

（1．國網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，河南 鄭州450052；2．許繼電氣股份有限公司技術(shù)中心，河南 許昌461000）

近年來，物聯(lián)網(wǎng)的邊緣計算理念逐漸在配電網(wǎng)融合并開展應(yīng)用，為解決配電臺區(qū)問題提供了思路：構(gòu)建智能配電臺區(qū)，將其中的智能配變終端作為就地數(shù)據(jù)處理中心，承載高級業(yè)務(wù)應(yīng)用，實現(xiàn)對臺區(qū)運行狀態(tài)的在線監(jiān)測、智能分析與決策控制。

1 配電臺區(qū)架構(gòu)

配電臺區(qū)在配變側(cè)、低壓側(cè)、用戶側(cè)分別部署各類低壓感知設(shè)備，以智能配變終端為核心采集配電變壓器、低壓分支箱、低壓電氣數(shù)據(jù)、電能數(shù)據(jù)等信息的采集監(jiān)測，再通過智能配變終端將臺區(qū)數(shù)據(jù)按需分析、計算、整理后上送至配電主站[3]，如圖1所示。

圖1 配電臺區(qū)系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 智能配變終端

作為配電臺區(qū)數(shù)據(jù)監(jiān)測及處理的中心，智能配變終端采用安全自主可控的國產(chǎn)工業(yè)級雙核芯片，主頻1 GHz；配置包括RS485總線、電力線載波、微功率無線、LTE、FE電口/光口等通信接口，同時具備交采采集能力，滿足配電臺區(qū)的各種信息接入需求。部署基于輕量化的Linux容器技術(shù)，支持各類App靈活配置，滿足邊緣計算的平臺需求。

1.2 就地設(shè)備配置

1.2.1 配變及低壓側(cè)設(shè)備

主要包括配變低壓側(cè)互感器、本體智能感知元件、低壓智能開關(guān)、智能監(jiān)測裝置等，監(jiān)測配電臺區(qū)電氣量、開關(guān)量、非電氣量等數(shù)據(jù)，并對低壓智能開關(guān)進行分合閘控制。

1.2.2 低壓線路側(cè)設(shè)備

主要包括低壓故障傳感器等，監(jiān)測低壓線路電氣量、開關(guān)量、非電氣量，主動上報低壓故障事件及位置，實現(xiàn)對低壓配電網(wǎng)絡(luò)的拓撲動態(tài)識別、線損阻抗分析等功能。

1.2.3 末端用戶側(cè)設(shè)備

主要包括低壓智能換相開關(guān)、低壓故障傳感器、智能監(jiān)測裝置、智能電能表等，實現(xiàn)對低壓用戶的運行數(shù)據(jù)實時采集、停電事件主動上報、低壓拓撲信息采集、自動換相負荷調(diào)節(jié)等功能。

1.3 通信系統(tǒng)

遠程通信網(wǎng)：遠程通信網(wǎng)主要滿足物聯(lián)管理平臺與邊緣物聯(lián)代理之間高可靠、低時延、差異化的通信需求。通信方式主要包括光纖、電力無線專網(wǎng)、無線公網(wǎng)等[4]。

本地通信網(wǎng)：本地通信網(wǎng)主要滿足邊緣物聯(lián)代理與采集終端之間的通信需求。通信方式主要包括電力線載波、微功率無線、RS485通信等。

2 配電臺區(qū)典型應(yīng)用

2.1 臺區(qū)拓撲識別

臺區(qū)拓撲識別業(yè)務(wù)是配電臺區(qū)的業(yè)務(wù)基礎(chǔ)。配電臺區(qū)一般為樹形結(jié)構(gòu)，大多分為四級，即：低壓出線柜、分支箱、配電柜和電能表箱，其中的監(jiān)測裝置和電能表通過有線或無線的方式，將通信地址及自身采集的電壓、電流信息發(fā)送至智能配變終端，以此進行臺區(qū)拓撲識別[5]。

2.1.1 拓撲初選

規(guī)定低壓出線柜、分支箱、配電柜和電能表箱監(jiān)測裝置的通信信息地址起始信息分別為01～04，智能配變終端根據(jù)各級分支監(jiān)測裝置上送的設(shè)備參數(shù)信息進行拓撲初選，總體確定采集的電壓、電流信息所處的層級。

表1 各級設(shè)備信息

2.1.2 各級節(jié)點拓撲識別

識別原理：在配電臺區(qū)中，上下級進/出線電流存在兩個特點：同一個分支箱的進線端的電流是其出線端電流之和，且為最大。出線端與其下一級分支箱進線端電流值必定相等。基于此可以確定各級節(jié)點進/出線的拓撲位置及聯(lián)接關(guān)系。

具體方案：以一/二級拓撲聯(lián)接關(guān)系識別為例，說明具體方案實施流程，如圖2所示。

圖2 拓撲識別示意

Setp1：讀取起始地址為01的電流信息，并找到其中的電流最大值i1，確定該分支為一級出線柜的進線端，并將該分支標記為B1，同時將該分支的設(shè)備參數(shù)、通信地址等信息寫入XML文件；

Setp2：按照電流幅值大小，依次將i11～i1n標記為B1/1～B1/n，作為B1的出線，在XML文件寫入。例如B1/2，表示出線柜的2號出線。

Setp3：讀取起始地址為02的電流信息，根據(jù)幅值最大、進/出線電流相等的原則，找到分支箱的進線端，并標記序號寫入XML文件。例如，表示與出線B1/2聯(lián)接的1號分支箱。

Setp4：按照電流幅值大小，標記分支箱的出線序號，寫入XML文件。

其他各級節(jié)點識別方法同上，智能配變終端完成臺區(qū)總體拓撲的識別。

2.1.3 臺區(qū)變-相-戶關(guān)系識別

根據(jù)臺區(qū)總表及用戶電能表的電壓數(shù)據(jù)，進行電壓數(shù)據(jù)相關(guān)性的分析，進行臺區(qū)變-相-戶識別。

采用Pearson相關(guān)系數(shù)法計算電壓相關(guān)性[6]。首先，在一天24 h內(nèi)每隔15 min，智能配變終端依次獲取各臺區(qū)總表三相電壓數(shù)據(jù)Uai、Ubi、Uci，以及各用戶表的數(shù)據(jù)Uk。然后，計算用戶表與各臺區(qū)總表各相的相關(guān)性。

分析計算所得電壓相關(guān)系數(shù)，若某用戶表與臺區(qū)中某一總表其中一相（例如A相）的相關(guān)系數(shù)最大，則認為用戶表聯(lián)接與該臺區(qū)總表的A相。參照前述分支序號的編號方法，在臺區(qū)總表序號后描述相別，作為本用戶表的信息寫入XML文件。

根據(jù)以上步驟，完成臺區(qū)拓撲及變-相-戶關(guān)系識別，智能配電終端將記錄拓撲信息的XML文件上送至配自主站，供運維使用。

2.2 線路阻抗分析

結(jié)合智能電能表及用電信息采集技術(shù)的應(yīng)用，臺區(qū)智能終端可以獲得用電數(shù)據(jù)信息，在臺區(qū)進行低壓配電線路阻抗分析，研判低壓配電線路老化，減少系統(tǒng)故障，并可識別竊電嫌疑。

智能配變終端通過采集末端監(jiān)測單元、分支節(jié)點監(jiān)測單元等設(shè)備的實時與歷史運行數(shù)據(jù)，計算和分析臺區(qū)低壓各節(jié)點的回路阻抗，如圖3所示。

圖3 用電信息采集系統(tǒng)

根據(jù)配電臺區(qū)的系統(tǒng)簡化模型如圖4所示。依次計算各用戶端的阻抗值，對于正常的低壓配電線路，阻抗值以約0.039Ω/100 m的趨勢增加，且不大于0.2Ω。

圖4 臺區(qū)配電線路簡化模型

分析計算結(jié)果：若某條配電線路計算所得得阻抗大于0.2Ω，則說明該條線路存在老化現(xiàn)象；若某條配電線路的阻抗值突然變大，則說明該用戶電能表可能被短接，導(dǎo)致在ΔV正常的情況下，流經(jīng)電能表的ΔΙ≈0，以此可認為該用戶存在竊電嫌疑。

智能配變終端根據(jù)計算結(jié)果，對每段配電線路進行狀態(tài)預(yù)警并上送至配電主站，使得運維人員能夠及時掌握各配電線路的工況，進行精益化運維提升。

2.3 三相不平衡治理

如圖5所示，在臺區(qū)單相用戶的前端部署智能換相開關(guān)設(shè)備。智能配變終端通過4 G等通信方式采集各智能換相開關(guān)安裝處的電流、電壓信息。結(jié)合配變出線端的三相總負荷電流及電壓，進行不平衡度的識別及換相開關(guān)的投切。

圖5 三相不平衡治理系統(tǒng)

為保證智能換相開關(guān)的使用壽命，一般以最小換相次數(shù)作為控制策略進行開關(guān)的投切。

首先，根據(jù)當前各換相開關(guān)的相位進行分類，形成三相負荷原始狀態(tài)表，表中記錄換相開關(guān)身份標識、相位信息及其負荷情況。然后，根據(jù)Ita、Itb、Itc的正/負情況確定負荷的轉(zhuǎn)出/入。其中，正值表示轉(zhuǎn)出負荷、負值表示轉(zhuǎn)入負荷。

為實現(xiàn)三相負荷不平衡，實際有一相負荷向兩相轉(zhuǎn)移、兩相負荷向一相轉(zhuǎn)移兩類負荷轉(zhuǎn)移方式。假定A相負荷需向B、C兩相轉(zhuǎn)移，簡要說明負荷轉(zhuǎn)移方法。

將當前A相負荷按照幅值依次排序，并標記各負荷對應(yīng)的換相開關(guān)。

從最大負荷Iamax開始判別，若該負荷是否在B/C相待轉(zhuǎn)負荷范圍內(nèi)，則預(yù)判該負荷轉(zhuǎn)移至B/C相后的三相負荷值，并計算三相的不平衡度。

比較此時的三相不平衡度，若三相不平衡度均減小，則將該換相開關(guān)加入B/C相的執(zhí)行隊列。

按照同樣的方法繼續(xù)下一負荷判別，直至各相不平衡度小于預(yù)設(shè)的不平衡度定值Iumb，完成判別。

根據(jù)各開關(guān)的執(zhí)行隊列，控制待執(zhí)行的換相開關(guān)操作。

兩相負荷向一相轉(zhuǎn)移同上述方法類似，最終使得三相不平衡達到預(yù)設(shè)值范圍，完成不平衡調(diào)節(jié)。

2.4 低壓故障研判

當前臺區(qū)智能配變終端及就地智能設(shè)備的部署，為低壓系統(tǒng)故障研判提供了實施基礎(chǔ)，如圖6所示。

圖6 臺區(qū)故障研判系統(tǒng)

智能配變臺區(qū)的分支箱、用戶表箱等位置部署帶有后備電源的低壓智能監(jiān)測裝置，該裝置具備停電檢測功能，當智能監(jiān)測裝置監(jiān)測到用戶表、低壓漏保等設(shè)備停電時，主動將設(shè)備停電信息，通過無線（LoRa/載波）的方式實時上傳至智能配變終端。根據(jù)各級監(jiān)測裝置的停電信息，智能配變終端對臺區(qū)故障進行研判、定位故障點，并主動上報停電事件。

故障研判及定位：采集并判別各個智能監(jiān)測裝置的停電遙信狀態(tài)和電壓電流遙測數(shù)據(jù)：當某個智能監(jiān)測裝置及其下游設(shè)備的停電遙信狀態(tài)為1，且該分支的電流小于無流門檻、電壓失壓，則該分支停電。結(jié)合前文方案確定的一次拓撲關(guān)系，查詢該分支所處的位置，并上報故障信息。例如F1故障時，K2處低壓保護斷開，K2處總表及該分支末端的用戶表停電遙信狀態(tài)為1，且各節(jié)點失壓、無流，此時認為電能表箱K2分支發(fā)生故障，上報主站并通知運維人員處理電能表箱K2分支的故障。

停電事件主動上報：對于配電箱及分支箱，采集并檢測各進/出線的開關(guān)狀態(tài)及遙測值，識別并上報各進/出線的停電事件。對于用戶表，周期性采集各電能表的拉閘狀態(tài)字，若連續(xù)3次通信不成功，則識別為該電能表故障停電并上報；若采集到某電能表為“拉閘”狀態(tài)時，識別為欠費停電并上報。除上述典型應(yīng)用外，在臺區(qū)智能化的總體架構(gòu)下，智能配變終端還可以開展低壓用電負荷感知、配變運行智能監(jiān)測、臺區(qū)負荷預(yù)測、電動汽車有序充電控制等諸多業(yè)務(wù)功能，在臺區(qū)全面感知的基礎(chǔ)上，提升臺區(qū)的管理水平。

3 試點應(yīng)用

根據(jù)當前智能化臺區(qū)的建設(shè)思路，本文設(shè)計的典型業(yè)務(wù)方案以智能配變終端為承載完成了功能模塊App化，并選擇在河南鄭州及鶴壁兩市對低壓供電可靠性、服務(wù)水平要求高多個臺區(qū)進行試點建設(shè)工作。

實現(xiàn)臺區(qū)運行狀態(tài)監(jiān)測。采集進出線運行數(shù)據(jù)，實時掌握低壓線路電壓，電流等數(shù)據(jù)，并完成對低壓開關(guān)的分/合狀態(tài)、剩余電流值和告警等信息的監(jiān)測。

實現(xiàn)臺區(qū)的運行狀態(tài)診斷及管控。對設(shè)備輕重載、低電壓、三相不平衡等問題進行智能診斷、定位。

提供臺區(qū)數(shù)據(jù)展示。提供配電網(wǎng)線變關(guān)系、臺戶關(guān)系等拓撲數(shù)據(jù)和停電異常事件等運行數(shù)據(jù)，提供拓撲路徑、停電范圍等可視化展示服務(wù)。后續(xù)將按照配電物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)路線，在智能配變終端與配電自動化主站系統(tǒng)的就地決策、“云-邊”協(xié)同管理機制方面加強研究，支撐低壓配網(wǎng)的便捷運維服務(wù)能力的建設(shè)。

4 結(jié)束語

在配電臺區(qū)智能化、物聯(lián)網(wǎng)化的發(fā)展趨勢下，本文以智能配變終端為中心，同時基于臺區(qū)智能采集、感知設(shè)備的接入，構(gòu)建智能配電臺區(qū)系統(tǒng)，并結(jié)合邊緣計算的理念，研究并設(shè)計了臺區(qū)拓撲識別、線路阻抗分析、三相不平衡治理等典型業(yè)務(wù)方案，開展試點應(yīng)用后，效果顯著，可為智能配電臺區(qū)的建設(shè)提供支撐。方案推廣后，不但能夠使臺區(qū)數(shù)據(jù)得到有效處理及利用，而且可助力運維提升，提高配電臺區(qū)的精益化化管理水平。