劉浩，趙偉，溫克歡，何恒靖，李世松，黃松嶺

(1. 清華大學(xué) 電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京 100084； 2. 深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518048；3. 南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司， 廣州 510663)

0 引 言

在電力系統(tǒng)中，尤其是在配電網(wǎng)中，為實(shí)現(xiàn)對(duì)低壓配電臺(tái)區(qū)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)配電臺(tái)區(qū))電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、電能量數(shù)據(jù)的收集等，供電公司在配電臺(tái)區(qū)安裝了大量的運(yùn)行監(jiān)測(cè)和帶電能計(jì)量功能的儀器設(shè)備。并且，經(jīng)過(guò)一波又一波技術(shù)升級(jí)和細(xì)化功能的改造，導(dǎo)致現(xiàn)階段配電臺(tái)區(qū)安裝使用的運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備已有多個(gè)不同種類(lèi)，且它們相互獨(dú)立運(yùn)行，各自測(cè)得的數(shù)據(jù)信息難以共享共用；同時(shí)仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)，它們中很高比例的功能其實(shí)相同，而為具備這些功能所必備的硬件單元也存在重復(fù)。如此，這就使得供電公司承載的配電臺(tái)區(qū)運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備的安裝、數(shù)據(jù)信息處理、設(shè)備管理和維護(hù)等任務(wù)日益繁重。為減少供電公司在配電臺(tái)區(qū)運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備上的投資，降低設(shè)備管理及運(yùn)維成本，同時(shí)提高配電網(wǎng)監(jiān)測(cè)運(yùn)維管理工作效率，十分必要對(duì)配電臺(tái)區(qū)多種不同的運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備進(jìn)行整合優(yōu)化。

1 配電臺(tái)區(qū)運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備的整合與優(yōu)化

現(xiàn)階段，配電臺(tái)區(qū)中的運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備，主要有安裝在公變臺(tái)區(qū)的配變監(jiān)測(cè)計(jì)量終端和用電數(shù)據(jù)信息采集集中器，以及安裝在專(zhuān)變用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)的負(fù)荷控制終端和三相多功能電能表等。所謂配電臺(tái)區(qū)運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備的整合與優(yōu)化，就是將上述四種運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備的軟、硬件功能單元做一體化整合，并按模組化思路加以設(shè)計(jì)，進(jìn)而研制一種由可覆蓋原四種運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備共性功能的基本架構(gòu)+特定功能單元整合而成的所謂模組化智能融合終端，其中的特定功能單元有多種，是根據(jù)終端在配電臺(tái)區(qū)內(nèi)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的不同，配置相應(yīng)的擴(kuò)展模塊以及功能APP，以實(shí)現(xiàn)所需的功能和技術(shù)性能[1-3]。研制具備上述軟件、硬件特征的新型智能融合終端，可統(tǒng)一配電臺(tái)區(qū)原四種運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備的基本架構(gòu)，同時(shí)利用模組化的設(shè)計(jì)，覆蓋原四種設(shè)備的所有功能，并且能實(shí)現(xiàn)用一臺(tái)模組化智能融合終端，就能替代公變臺(tái)區(qū)的一臺(tái)配變監(jiān)測(cè)計(jì)量終端和一個(gè)用電數(shù)據(jù)信息采集集中器；或僅用一臺(tái)這種新型的終端，就可以替代安裝于專(zhuān)變用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)的一臺(tái)負(fù)荷控制終端和一塊三相多功能電能表。如此，新型模組化智能融合終端的應(yīng)用，將明顯提高終端設(shè)備的集成度，減少設(shè)備數(shù)量和安裝空間，整體性降低配電臺(tái)區(qū)運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備運(yùn)維檢修的成本，有效支撐配電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)管理的數(shù)字化、自動(dòng)化和智能化建設(shè)。

1.1 配電臺(tái)區(qū)四種運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備的功能對(duì)比

在公變臺(tái)區(qū)，配變監(jiān)測(cè)計(jì)量終端和用電數(shù)據(jù)信息采集集中器，均安裝在公用配電房?jī)?nèi)的計(jì)量柜內(nèi)，其中，配變監(jiān)測(cè)計(jì)量終端可實(shí)時(shí)采集配電變壓器二次側(cè)的電參量數(shù)據(jù)，并對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)和傳輸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)配電變壓器運(yùn)行狀態(tài)和供電電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)；同時(shí)，該終端所測(cè)得的電能量為整個(gè)臺(tái)區(qū)的總用電量，供電公司的電能計(jì)量自動(dòng)化主站還可利用其測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行臺(tái)區(qū)線損分析與考核。而用電信息采集集中器，則可抄讀、存儲(chǔ)臺(tái)區(qū)內(nèi)所有末端用戶(hù)電能表的數(shù)據(jù)，并傳輸給供電公司的電能計(jì)量自動(dòng)化主站。

另外，負(fù)荷控制終端和三相多功能電能表，則是同時(shí)安裝在用戶(hù)專(zhuān)用變壓器的一次側(cè)(或二次側(cè))，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)專(zhuān)變用戶(hù)的現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)、管理以及用電量計(jì)費(fèi)。具體地，兩者會(huì)同時(shí)測(cè)量和采集專(zhuān)變一次側(cè)的電參量數(shù)據(jù)，其中，三相多功能電能表作為法制計(jì)量器具，其所計(jì)量的電能量可用作用電量計(jì)費(fèi)；而負(fù)荷控制終端可通過(guò)RS-485總線與三相多功能電能表連接，其除采集三相多功能電能表數(shù)據(jù)并上傳至電能計(jì)量自動(dòng)化主站外，本身也具備電能計(jì)量功能，因此，當(dāng)三相多功能電能表發(fā)生故障或失準(zhǔn)時(shí)，負(fù)荷控制終端計(jì)量的電能數(shù)據(jù)，也可作為退補(bǔ)電費(fèi)和故障研判的參考[4]。此外，負(fù)荷控制終端還可對(duì)專(zhuān)變用戶(hù)變壓器側(cè)的斷路器進(jìn)行拉合閘，實(shí)現(xiàn)其負(fù)荷控制的功能。

配變監(jiān)測(cè)計(jì)量終端、用電數(shù)據(jù)信息采集集中器、負(fù)荷控制終端和三相多功能電能表，這四種配電臺(tái)區(qū)主要的運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備的具體功能及其對(duì)比情況，見(jiàn)表1。

表1 配電臺(tái)區(qū)4種運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備的功能對(duì)比Tab.1 Function comparison of 4 kinds of operation monitoring and metering equipment in distribution station area

從表1可明顯看出，這4種運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備的大部分功能存在重復(fù)，且它們的硬件構(gòu)成、型式結(jié)構(gòu)也差異不大；并且，負(fù)荷控制終端和三相多功能電能表會(huì)重復(fù)測(cè)量和采集專(zhuān)變一次側(cè)的電參量數(shù)據(jù)，而兩者所用到的交流采樣模塊與配變監(jiān)測(cè)計(jì)量終端中的交流采樣模塊基本相同，無(wú)疑，這已造成相應(yīng)硬件資源的浪費(fèi)。同時(shí)，原四種運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備的軟件架構(gòu)相對(duì)比較固定，與終端的硬件結(jié)構(gòu)強(qiáng)耦合，難以實(shí)現(xiàn)新功能的拓展和升級(jí)。針對(duì)于此，借助現(xiàn)行的技術(shù)手段和條件，完全可能將上述四種運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備進(jìn)行一體化改造，對(duì)它們的硬件構(gòu)成做模組化設(shè)計(jì)，軟件架構(gòu)做APP化設(shè)計(jì)，以完成對(duì)這四種運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備軟件、硬件資源的整合優(yōu)化。此目標(biāo)若能實(shí)現(xiàn)，便可改變目前配電臺(tái)區(qū)運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備多種多樣且數(shù)量大，相應(yīng)硬件資源存在冗余浪費(fèi)、軟件程序難以更新迭代的現(xiàn)狀；同時(shí)，可降低配電臺(tái)區(qū)運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備的購(gòu)置、運(yùn)維成本和管理難度。

1.2 配電臺(tái)區(qū)運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備整合與優(yōu)化現(xiàn)狀

對(duì)配電臺(tái)區(qū)運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備的改造，國(guó)家電網(wǎng)公司于2017年就提出了構(gòu)建智能配變終端的技術(shù)要求，目的是希望在供電系統(tǒng)僅使用一種集成化綜合智能終端，就能為配電臺(tái)區(qū)所有電氣設(shè)備的安全可靠運(yùn)行提供智能、精細(xì)的管控技術(shù)支撐。同時(shí)，文獻(xiàn)調(diào)研注意到，截至目前，國(guó)內(nèi)有多個(gè)省市和地區(qū)的供電公司，也已在對(duì)配電臺(tái)區(qū)運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備的改造上進(jìn)行探索[5-9]，取得的部分成果有，將配變監(jiān)測(cè)計(jì)量終端與用電數(shù)據(jù)信息采集集中器做一體化整合，制成一種綜合智能終端。該終端可取代配電臺(tái)區(qū)原有的兩種運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備，并能實(shí)現(xiàn)原兩種設(shè)備的所有功能。例如，河北電力科學(xué)研究院研發(fā)設(shè)計(jì)出一款配用電側(cè)智慧感知設(shè)備[5]。該設(shè)備整合了配變監(jiān)測(cè)計(jì)量終端與用電數(shù)據(jù)信息采集集中器共有的軟件、硬件資源，并將通信單元做模塊化設(shè)計(jì)，支持模塊組合與互換，且在終端軟、硬件層面采取有效措施，保障了不同功能單元的相互獨(dú)立運(yùn)行。該設(shè)備既可支持用電信息采集主站抄讀抄表集中器獲得的數(shù)據(jù)信息，又可將配電設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸給配變主站，實(shí)現(xiàn)了營(yíng)銷(xiāo)和配電兩部門(mén)運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集、信息處理共用一個(gè)終端設(shè)備的目標(biāo)。

文獻(xiàn)[7]介紹的一款多功能配變監(jiān)測(cè)終端，則是對(duì)配電臺(tái)區(qū)多種運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備的功能進(jìn)行了有機(jī)整合，在保持其原有硬件結(jié)構(gòu)基本不變前提下，這款多功能配變監(jiān)測(cè)終端按實(shí)現(xiàn)功能，劃分為計(jì)量監(jiān)測(cè)、集抄和安全監(jiān)測(cè)三個(gè)子系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)配變監(jiān)測(cè)、集中抄表、變壓器異常監(jiān)測(cè)以及安全監(jiān)測(cè)等功能。該多功能配變監(jiān)測(cè)終端可取代配電臺(tái)區(qū)中分立的配變監(jiān)測(cè)計(jì)量終端和用電數(shù)據(jù)信息采集集中器，并還集成有安全監(jiān)測(cè)功能模塊，切實(shí)提高了配電臺(tái)區(qū)運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備的集成度。

文獻(xiàn)[10-11]在將配變監(jiān)測(cè)計(jì)量終端與用電數(shù)據(jù)信息采集集中器加以有機(jī)整合基礎(chǔ)上，還集成了無(wú)功補(bǔ)償裝置，開(kāi)發(fā)出一款所謂智能配變終端。即該終端除了能夠?qū)崿F(xiàn)配變監(jiān)測(cè)計(jì)量終端和用電數(shù)據(jù)信息采集集中器的功能外，還可響應(yīng)配電網(wǎng)的無(wú)功功率需求，按監(jiān)測(cè)控制主站下發(fā)的指令實(shí)時(shí)補(bǔ)償無(wú)功功率，以改善配電網(wǎng)的供電電能質(zhì)量。

如前文所述，部分省市和地區(qū)供電公司對(duì)配電臺(tái)區(qū)運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備的改造已取得一定成果[12-13]，但截至目前，已有的大部分集成化終端，都只整合了配變監(jiān)測(cè)計(jì)量終端和用電數(shù)據(jù)信息采集集中器，還并未將負(fù)荷控制終端和三相多功能電能表也包括進(jìn)去。前面表1中，后兩者的功能與前兩者其實(shí)也有重復(fù)。針對(duì)于此，對(duì)配電臺(tái)區(qū)運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備的改造還可做得更為徹底，即還應(yīng)將負(fù)荷控制終端和三相多功能電能表也納入整合優(yōu)化的范圍。

2 模組化智能融合終端

基于多個(gè)省市和地區(qū)供電公司對(duì)配電臺(tái)區(qū)運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備進(jìn)行改造的探索與實(shí)踐，南方電網(wǎng)公司及下屬的深圳供電局有限公司等單位根據(jù)配電臺(tái)區(qū)服務(wù)底層管理需求，經(jīng)反復(fù)論證和對(duì)運(yùn)維管理一線工作現(xiàn)狀的調(diào)研，形成了“硬件平臺(tái)化、軟件APP化”的設(shè)計(jì)改造方案[14]，并通過(guò)分析、對(duì)比配電臺(tái)區(qū)原四種運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備的功能，以及軟件、硬件結(jié)構(gòu)上的異同，設(shè)計(jì)并研制出一款模組化智能融合終端。這款模組化智能融合終端被設(shè)計(jì)為由計(jì)量單元、管理單元和擴(kuò)展模塊三個(gè)基礎(chǔ)功能單元組成，并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的不同需求，配置不同的擴(kuò)展硬件單元，以組合形成滿(mǎn)足應(yīng)用場(chǎng)景需求的終端具體硬件單元，再融合相應(yīng)功能的APP，共同實(shí)現(xiàn)應(yīng)用場(chǎng)景所需的運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量功能。

如圖1所示，模組化智能融合終端主要由計(jì)量單元、管理單元和擴(kuò)展模塊三個(gè)基礎(chǔ)功能單元組成。具體地，該終端在硬件實(shí)現(xiàn)上采用了“雙芯分離”的設(shè)計(jì)方案，即將計(jì)量單元與管理單元的硬件構(gòu)成在物理層面上做到嚴(yán)格分離，且各自具有單獨(dú)的處理器、存儲(chǔ)器和控制器等；如此設(shè)計(jì)，當(dāng)一個(gè)芯損壞或出現(xiàn)異常時(shí)，不會(huì)影響到另一個(gè)芯的正常工作。如此，既可保證計(jì)量單元獨(dú)立工作，確保計(jì)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、獨(dú)立性和可追溯；同時(shí)，又可在不影響計(jì)量單元正常工作前提下，通過(guò)在線升級(jí)管理單元軟件，解決終端功能的擴(kuò)展與升級(jí)問(wèn)題，滿(mǎn)足供用電管理業(yè)務(wù)發(fā)展的需求。

在模組化智能融合終端中，計(jì)量單元、管理單元被集成在同一塊電路板上，共同構(gòu)成了終端硬件部分的核心本體，但兩者被分割在不同區(qū)域，以確保彼此之間硬件構(gòu)成上的相互獨(dú)立。同時(shí)，計(jì)量單元與管理單元之間，可通過(guò)雙通道硬件接口以及靈活的高彈性軟件協(xié)議實(shí)現(xiàn)嚴(yán)密的數(shù)據(jù)交互和時(shí)鐘同步。而擴(kuò)展模塊則是以插入擴(kuò)展槽的形式裝設(shè)在模組化智能融合終端外殼內(nèi)，但與計(jì)量單元和管理單元的電路板分開(kāi)安裝；在具體應(yīng)用中，可根據(jù)終端的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，向擴(kuò)展槽內(nèi)插入下行通信模塊、上行通信模塊、控制模塊、RS-485模塊以及遙信模塊等，以滿(mǎn)足終端通信、負(fù)荷控制、配電室內(nèi)環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)及設(shè)備開(kāi)關(guān)狀態(tài)量采集等功能需求，使模組化智能融合終端的功能可更靈活地配置，并因而也擴(kuò)大了該終端的適用性或稱(chēng)普適性[15-17]。

圖1 模組智能融合終端硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hardware structure diagram of modular intelligent fusion terminal

2.1 計(jì)量單元

計(jì)量單元作為模組化智能融合終端實(shí)現(xiàn)法制計(jì)量的關(guān)鍵功能單元，承載著電能計(jì)量、對(duì)電能數(shù)據(jù)的處理、監(jiān)測(cè)、凍結(jié)、統(tǒng)計(jì)等任務(wù)[18-19]；同時(shí)還具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、脈沖指示、異常事件檢測(cè)與記錄及告警等功能。按照設(shè)計(jì)，計(jì)量單元會(huì)實(shí)時(shí)采集被監(jiān)測(cè)電氣設(shè)備的電能數(shù)據(jù)信息，并定期向管理單元提供電壓、電流、功率和當(dāng)前電能示值等數(shù)據(jù)信息，以備電能計(jì)量自動(dòng)化主站調(diào)取。

如圖2所示，模組化智能融合終端的計(jì)量單元由獨(dú)立的電壓/電流采樣電路、計(jì)量芯片、計(jì)量MCU、大容量高可靠性存儲(chǔ)器、獨(dú)立實(shí)時(shí)時(shí)鐘、時(shí)鐘電池和RS-485通信接口[20]等組成。其中，電壓/電流采樣電路負(fù)責(zé)將采集到的電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并傳給計(jì)量芯片，再由計(jì)量芯片計(jì)算出各種電參量數(shù)據(jù)信息，傳給計(jì)量MCU進(jìn)行處理；存儲(chǔ)器主要存儲(chǔ)電參量數(shù)據(jù)、校表數(shù)據(jù)以及電能量數(shù)據(jù)等；時(shí)鐘電池能防止電網(wǎng)斷電造成系統(tǒng)時(shí)鐘混亂；而RS-485通信接口，則可用于校表和故障問(wèn)題溯源。

圖2 模組化智能融合終端計(jì)量單元的原理結(jié)構(gòu)Fig.2 Principle structure of the metering unit of the modular intelligent fusion terminal

如前文所述，配變監(jiān)測(cè)計(jì)量終端、負(fù)荷控制終端和三相多功能電能表，都是利用交流采樣模塊完成電能計(jì)量任務(wù)，因此，為兼容這三種運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備的電能計(jì)量功能，模組化智能融合終端通過(guò)計(jì)量單元對(duì)配電變壓器的三相電壓和電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，之后，由計(jì)量MCU實(shí)現(xiàn)對(duì)配電變壓器三相供電回路的電能計(jì)量及電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)。并且，深圳供電局有限公司所研制的模組化智能融合終端已取得CPA證書(shū)(計(jì)量器具型式評(píng)價(jià)證書(shū))，完全可作為法制計(jì)量器具用于對(duì)專(zhuān)變用戶(hù)用電量的計(jì)費(fèi)。

2.2 管理單元

作為模組化智能融合終端分析、處理數(shù)據(jù)的核心單元，管理單元承擔(dān)著終端非法制計(jì)量部分的很多功能，主要包括需量計(jì)算、費(fèi)控、事件記錄、顯示報(bào)警、環(huán)境狀態(tài)量監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理和打包，以及通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，等等。計(jì)量單元的核心功能電能計(jì)量，要求未來(lái)長(zhǎng)期保持不變，不需要升級(jí)和改動(dòng)。而與計(jì)量單元不同，管理單元的功能，則要應(yīng)對(duì)多樣化的在線監(jiān)測(cè)和管控需求，重點(diǎn)要實(shí)現(xiàn)終端功能的多樣性和可擴(kuò)展性。因此，模組化智能融合終端需要通過(guò)升級(jí)管理單元中軟件的方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能的不斷升級(jí)和迭代，以滿(mǎn)足未來(lái)配電網(wǎng)個(gè)性化、多樣化的用電服務(wù)需求[21]。

管理單元的硬件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，其主要由管理ARM、存儲(chǔ)器以及多種固定外設(shè)等組成。其中，固定外設(shè)包括液晶屏、狀態(tài)指示燈、USB、藍(lán)牙、按鍵等功能單元。在管理單元中，管理ARM和存儲(chǔ)器負(fù)責(zé)對(duì)計(jì)量單元傳來(lái)的電能計(jì)量數(shù)據(jù)、集中抄表獲得的數(shù)據(jù)、主站發(fā)來(lái)的指令以及其他數(shù)據(jù)等進(jìn)行處理、分析和存儲(chǔ)，是整個(gè)管理單元的核心部分；狀態(tài)指示燈用于反映終端的運(yùn)行、告警等工作狀態(tài)；按鍵和液晶屏可實(shí)現(xiàn)終端的本地人機(jī)交互；USB接口可連接擴(kuò)展模塊、進(jìn)行信息交互；藍(lán)牙可設(shè)置終端參數(shù)，實(shí)現(xiàn)本地維護(hù)、調(diào)試等功能。

圖3 模組化智能融合終端管理單元的硬件結(jié)構(gòu)Fig.3 Management unit hardware structure of modular intelligent fusion terminal

如表1所示，對(duì)于配電臺(tái)區(qū)原四種運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備，它們共有的功能包括電能計(jì)量、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)、告警、終端維護(hù)，等等。而在這四種設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)上述功能對(duì)應(yīng)的硬件結(jié)構(gòu)，與模組化智能融合終端中的硬件結(jié)構(gòu)基本一致，主要包括微處理器、存儲(chǔ)器以及多種固定外設(shè)等。而在運(yùn)行監(jiān)測(cè)與計(jì)量設(shè)備未做整合優(yōu)化前，配變監(jiān)測(cè)計(jì)量終端、用電信息采集集中器、負(fù)荷控制終端和三相多功能電能表各自測(cè)得的數(shù)據(jù)，需要分別傳輸?shù)礁髯缘奈⑻幚砥骱痛鎯?chǔ)器中去進(jìn)行計(jì)算、處理和存儲(chǔ)。但隨著集成電路芯片技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)行微處理器的數(shù)據(jù)處理能力和處理速度都大大提高[22]；存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量也增大了數(shù)倍。因此，為減少硬件資源浪費(fèi)，完全可將多種運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備測(cè)得的所有數(shù)據(jù)，全部交由模組化智能融合終端的管理單元來(lái)集中管理，具體地，管理單元擁有專(zhuān)用于存取數(shù)據(jù)的所謂數(shù)據(jù)池，并將所有數(shù)據(jù)都存放到其中，同時(shí)，終端的不同功能APP，可從數(shù)據(jù)池直接獲取所需的數(shù)據(jù)，也可向數(shù)據(jù)池提交數(shù)據(jù)，如此減少終端未整合前，數(shù)據(jù)被重復(fù)處理所造成的硬件資源浪費(fèi)，提高數(shù)據(jù)處理的效率。在此基礎(chǔ)上，再對(duì)終端的固定外設(shè)進(jìn)行相應(yīng)地補(bǔ)充或擴(kuò)展，就能夠使其具備原四種運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備地所有功能，進(jìn)而做到原四種運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備在硬件和軟件層面的整合優(yōu)化。如此，不僅可大大節(jié)約設(shè)備的構(gòu)建和制造成本，減少運(yùn)維管理工作量，且將多種不同數(shù)據(jù)做并行處理，還可提高數(shù)據(jù)的融合度和綜合利用率，為供電公司營(yíng)銷(xiāo)和配電業(yè)務(wù)的融合及拓展打下基礎(chǔ)。

2.3 擴(kuò)展模塊

為更好滿(mǎn)足供電公司配電臺(tái)區(qū)業(yè)務(wù)需求，兼容臺(tái)區(qū)內(nèi)現(xiàn)有運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備的接口方式和通信協(xié)議，提升模組化智能融合終端在不同應(yīng)用場(chǎng)景下的適用靈活性和功能可擴(kuò)展性，該終端在由計(jì)量單元和管理單元構(gòu)成終端核心本體基礎(chǔ)上，通過(guò)增設(shè)裝配有擴(kuò)展槽的另一塊電路板配置擴(kuò)展模塊，并經(jīng)USB，與終端核心本體實(shí)現(xiàn)可靠的通信連接。具體地，該終端可配置的多種擴(kuò)展模塊均可拔插、可升級(jí)，即可根據(jù)終端應(yīng)用場(chǎng)景的具體需求，向擴(kuò)展槽內(nèi)插入合適的下行通信、上行通信以及控制、RS-485接口和遙信等多種擴(kuò)展功能模塊，同時(shí)在終端管理單元中更新擴(kuò)展功能模塊所對(duì)應(yīng)的軟件配置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)終端在不同應(yīng)用場(chǎng)景下應(yīng)具備的功能。同時(shí)，隨著供電公司服務(wù)業(yè)務(wù)的不斷拓展，還可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)新的擴(kuò)展功能模塊。

2.3.1 下行通信模塊

在供電公司現(xiàn)行的用電信息采集模式中，用電信息采集集中器處于通信樞紐位置，同時(shí)也是電力數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵設(shè)備，其下行通信，可收集配電臺(tái)區(qū)內(nèi)所有采集器或智能電能表的數(shù)據(jù)信息。目前，用電信息采集集中器主要分為Ⅰ型和Ⅱ型兩種，它們支持的通信方式不盡相同。其中，絕大多數(shù)的Ⅰ型集中器采用寬帶載波[23-24]的抄表方式，在一些特殊場(chǎng)景下，也會(huì)采用微功率無(wú)線、RS-485和窄帶載波等通信方式；而Ⅱ型集中器，主要安裝于居民樓表計(jì)比較集中的表箱內(nèi)，其經(jīng)RS-485通信來(lái)收集表箱內(nèi)的電能表數(shù)據(jù)。而低壓側(cè)集中抄表，是以配電臺(tái)區(qū)為基本單位，會(huì)根據(jù)配電臺(tái)區(qū)內(nèi)裝設(shè)的采集器或智能電能表的種類(lèi)、數(shù)量和分布情況等，采用合適的通信方式進(jìn)行集中抄表。因此，在不同的配電臺(tái)區(qū)，集中抄表所采用的通信方式可能不同。

為兼容用電信息采集集中器具有的電能表數(shù)據(jù)采集功能，同時(shí)也使得模組化智能融合終端適應(yīng)不同通信方式的集中抄表方案，該終端將其下行通信設(shè)計(jì)成可拔插、可互換的擴(kuò)展模塊，其主要包括寬帶載波、窄帶載波、RS-485、微功率無(wú)線[25]以及寬帶載波-微功率無(wú)線雙模通信等通信功能模塊。不同的下行通信擴(kuò)展模塊，可根據(jù)配電臺(tái)區(qū)原用電信息采集集中器的通信方式進(jìn)行配置，進(jìn)而適應(yīng)原有的通信方式，完成整個(gè)臺(tái)區(qū)內(nèi)采集器或智能電能表數(shù)據(jù)信息采集任務(wù)。如此，模組化智能融合終端通過(guò)擴(kuò)展下行通信模塊的方式，既集成了原有的用電信息采集集中器，節(jié)約了設(shè)備制造成本，又能保證終端在不同配電臺(tái)區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)集中抄表。

2.3.2 上行通信模塊

如表1所示，配電臺(tái)區(qū)原四種運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備均具有數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽鼈冊(cè)诓杉?、分析和處理完測(cè)得數(shù)據(jù)后，都需要通過(guò)各自的上行通信通道，將數(shù)據(jù)傳輸給供電公司的電能計(jì)量自動(dòng)化主站，同時(shí)，還可接收主站指令，完成指令要求的動(dòng)作。目前，針對(duì)配電臺(tái)區(qū)運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備，主流的上行通信方式包括有4G、以太網(wǎng)[26]、光纖[27]等。針對(duì)于此，為實(shí)現(xiàn)模組化智能融合終端上行通信的統(tǒng)一性，減少通信通道資源浪費(fèi)，同時(shí)保證終端與供電公司電能計(jì)量自動(dòng)化主站之間的通信速度，該終端中也將上行通信設(shè)計(jì)成擴(kuò)展模塊的形式，支持4G、以太網(wǎng)、光纖等多種上行通信模塊的選配。將上行通信采用模組化設(shè)計(jì)，還可為通信技術(shù)更新迭代提供支撐，例如，5G[28]或其他更先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)成熟后，終端可通過(guò)更換上行通信模塊，保證其不過(guò)時(shí)。

2.3.3 控制模塊

為實(shí)現(xiàn)對(duì)專(zhuān)變用戶(hù)用電負(fù)荷信息的采集、存儲(chǔ)、傳輸及控制，并保證用戶(hù)用電的安全可靠，供電公司在專(zhuān)變用戶(hù)側(cè)安裝有負(fù)荷控制終端，當(dāng)線路發(fā)生過(guò)流、過(guò)載等異?；蚪K端收到開(kāi)閘指令時(shí)，負(fù)荷控制終端可主動(dòng)斷開(kāi)專(zhuān)變一次側(cè)的斷路器。在配電臺(tái)區(qū)運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備的整合優(yōu)化過(guò)程中，為做得更為徹底，使模組化智能融合終端同樣適用于安裝有負(fù)荷控制終端的專(zhuān)變用戶(hù)側(cè)，該終端在設(shè)計(jì)上，已將負(fù)荷控制終端特有的遠(yuǎn)程控制功能以控制模塊的形式加入進(jìn)來(lái)。具體地，當(dāng)專(zhuān)變側(cè)出現(xiàn)異?；蚪K端收到開(kāi)閘指令后，終端的管理單元會(huì)給控制模塊發(fā)送開(kāi)閘信號(hào)，進(jìn)而斷開(kāi)專(zhuān)變一次側(cè)的斷路器。以模塊化的構(gòu)建方式將負(fù)荷控制終端的遠(yuǎn)程遙控功能集成于模組化智能融合終端中，將提升整個(gè)終端的集成度和靈活性，減少供電公司在配電臺(tái)區(qū)運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備安裝、運(yùn)維上的工作量。

2.3.4 RS-485接口模塊和遙信模塊

為實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的全面感知、數(shù)據(jù)融合和智能應(yīng)用，模組化智能融合終端可通過(guò)插入RS-485接口模塊實(shí)現(xiàn)更為豐富的功能。一方面，原配變監(jiān)測(cè)計(jì)量終端不僅要對(duì)配電變壓器的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)取和采集，還要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其運(yùn)行工況。為充分滿(mǎn)足原配變監(jiān)測(cè)計(jì)量終端的功能需求，模組化智能融合終端可通過(guò)RS-485接口擴(kuò)展模塊，將裝設(shè)于配電變壓器側(cè)的測(cè)溫探頭連接起來(lái)，進(jìn)而獲取其運(yùn)行中的工作環(huán)境溫度、系統(tǒng)主母線各連接點(diǎn)溫度的變化等，如有異常，終端可及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息。另一方面，終端還可通過(guò)RS-485接口擴(kuò)展模塊連接配電臺(tái)區(qū)內(nèi)的無(wú)功補(bǔ)償裝置，并可根據(jù)終端監(jiān)測(cè)到的電壓、電流和功率因數(shù)隨時(shí)間變化及越限的情況，就地采取無(wú)功補(bǔ)償和自動(dòng)調(diào)壓策略，保持系統(tǒng)無(wú)功功率平衡，提高配電變壓器總負(fù)荷的功率因數(shù)，以滿(mǎn)足配電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求。

同時(shí)，模組化智能融合終端配置RS-485接口擴(kuò)展模塊后，還可接入配電室內(nèi)智能儀表以及溫濕度、水浸或煙感等多種智能傳感器，并通過(guò)軟件APP對(duì)它們的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)匯集與處理，進(jìn)而在邊緣層面實(shí)現(xiàn)對(duì)配電室內(nèi)多種環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享，提升智能配電室運(yùn)維管理效率，輔助提高供電的安全性和可靠性。

而遙信模塊，則可獲取配電室門(mén)禁、配電變壓器高壓側(cè)斷路器開(kāi)關(guān)、有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)檔位或其他電氣設(shè)備的開(kāi)關(guān)狀態(tài)等數(shù)字量信息，當(dāng)開(kāi)關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，遙信模塊會(huì)及時(shí)傳輸給管理單元去記錄相應(yīng)事件，并上報(bào)給電能計(jì)量自動(dòng)化主站。

2.4 配電臺(tái)區(qū)模組化智能融合終端功能軟件設(shè)計(jì)

如前文所述，配電臺(tái)區(qū)原四種運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備的軟件架構(gòu)相對(duì)比較固定，難以開(kāi)發(fā)新的功能程序；且與此同時(shí)，原設(shè)備中運(yùn)行的程序也只為滿(mǎn)足該終端的特定功能而設(shè)計(jì)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多種不同類(lèi)型程序的并行運(yùn)行。針對(duì)于此，在模組化智能融合終端中，其功能軟件架構(gòu)則是基于APP化設(shè)計(jì)思路，在實(shí)現(xiàn)軟、硬件協(xié)調(diào)統(tǒng)一基礎(chǔ)上，與硬件結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)解耦，支持獨(dú)立開(kāi)發(fā)，即支持通過(guò)在同一硬件平臺(tái)上添加不同APP來(lái)實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用場(chǎng)景所需的功能，以滿(mǎn)足終端業(yè)務(wù)功能靈活、快速擴(kuò)展的需求。

如圖4所示，模組化智能融合終端的功能軟件系統(tǒng)，可提供驅(qū)動(dòng)程序、系統(tǒng)內(nèi)核、Linux基礎(chǔ)操作等，同時(shí)，為使不同應(yīng)用程序之間相互隔離，該系統(tǒng)以容器技術(shù)為支撐，進(jìn)而保證一個(gè)容器內(nèi)APP的變動(dòng)或故障，不會(huì)影響到其他容器內(nèi)APP的運(yùn)行，進(jìn)而保證不同業(yè)務(wù)APP之間的隔離。系統(tǒng)內(nèi)部可配置4個(gè)及以上容器，單個(gè)容器內(nèi)支持多個(gè)第三方 APP 部署。如此，可以使得多種不同功能類(lèi)型的APP在終端內(nèi)并行運(yùn)行，同時(shí)滿(mǎn)足不同的功能需求。

圖4 模組化智能融合終端功能軟件系統(tǒng)構(gòu)架Fig.4 Modularized intelligent integrated terminal function software system architecture

在基礎(chǔ)硬件的支撐下，模組化智能融合終端的不同業(yè)務(wù)均由獨(dú)立的APP來(lái)實(shí)現(xiàn)，其可配置配變狀態(tài)監(jiān)測(cè) APP、用戶(hù)用電信息采集 APP、負(fù)荷控制APP、環(huán)境監(jiān)測(cè)APP 、故障監(jiān)測(cè)APP等，可實(shí)現(xiàn)終端對(duì)配電臺(tái)區(qū)內(nèi)電氣設(shè)備的電壓、電流、頻率、諧波、功率等電力參數(shù)監(jiān)測(cè)、集中抄表、負(fù)荷控制、臺(tái)區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)、配電臺(tái)區(qū)電壓合格率監(jiān)測(cè)等功能。

3 模組化智能融合終端的應(yīng)用

模組化智能融合終端通過(guò)整合優(yōu)化配電臺(tái)區(qū)原四種運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備，并采用模塊組合的方式配置構(gòu)建，使原配電臺(tái)區(qū)運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備中重復(fù)、分立的硬件結(jié)構(gòu)，僅以單個(gè)終端的架構(gòu)就可完成，即一套設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)以往多個(gè)設(shè)備的功能。具體地，使用一臺(tái)模組化智能融合終端，就可取代原來(lái)安裝在公變臺(tái)區(qū)的一臺(tái)配變監(jiān)測(cè)計(jì)量終端和一個(gè)用電數(shù)據(jù)信息采集集中器；或可替代安裝在專(zhuān)變用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)的一臺(tái)負(fù)荷控制終端和一塊三相多功能電能表。與此同時(shí)，該新型終端可完成配電臺(tái)區(qū)原四種運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備的所有功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能、最大需量、電壓、電流、功率、功率因數(shù)和電壓合格率等電參量數(shù)據(jù)信息的自動(dòng)采集、存儲(chǔ)及傳輸、配電臺(tái)區(qū)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、電能表數(shù)據(jù)采集、終端自身故障告警，負(fù)荷控制、本地維護(hù)等功能，為配電臺(tái)區(qū)運(yùn)維管理需求、用戶(hù)服務(wù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。模組化智能融合終端的模塊化和APP化設(shè)計(jì)，也使得其在功能實(shí)現(xiàn)上更加靈活高效，并且為新功能的拓展預(yù)留有空間。

模組化智能融合終端的研制及開(kāi)發(fā)中，南方電網(wǎng)公司及下屬的深圳供電局有限公司等單位全面分析配電臺(tái)區(qū)原四種運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備相互之間功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)聯(lián)度與相似度，提煉出它們共有的功能以及特殊功能，進(jìn)而將它們的所有功能進(jìn)行模塊劃分和關(guān)聯(lián)性接口規(guī)劃，再配置相應(yīng)的軟件APP，來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的所有功能。該終端作為配電臺(tái)區(qū)下一代計(jì)量管理終端及配電網(wǎng)智能化建設(shè)的關(guān)鍵設(shè)備之一，主要適用于公變臺(tái)區(qū)和專(zhuān)變用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)。需要注意的是，當(dāng)模組化智能融合終端安裝在專(zhuān)變用戶(hù)側(cè)時(shí)，由于用戶(hù)變壓器及與變壓器二次側(cè)相連的各種表計(jì)設(shè)備均不屬于供電公司的資產(chǎn)，所以，終端無(wú)需配置下行通信擴(kuò)展模塊進(jìn)行集中抄表。

從2019年起，南方電網(wǎng)公司及下屬的深圳供電局有限公司等單位就已開(kāi)始在廣州、深圳等地的多個(gè)配電臺(tái)區(qū)開(kāi)展初代融合終端的試點(diǎn)應(yīng)用工作。經(jīng)過(guò)兩年時(shí)間的試運(yùn)行以及技術(shù)迭代，已逐步形成了所描述的模組化智能融合終端。目前，該終端在各個(gè)試點(diǎn)臺(tái)區(qū)的總裝設(shè)量已近1 200臺(tái)。試點(diǎn)應(yīng)用結(jié)果表明：模組化智能融合終端在配電臺(tái)區(qū)運(yùn)行正常，完全能夠滿(mǎn)足預(yù)期的運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量功能，并表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性和可靠性。

模組化智能融合終端的設(shè)計(jì)、構(gòu)建及研發(fā)，不僅在前人關(guān)于配電臺(tái)區(qū)運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備一體化研發(fā)基礎(chǔ)上又加入了負(fù)荷控制終端和三相多功能電能表，進(jìn)一步提升了配電臺(tái)區(qū)運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備的功能集成度，并且還通過(guò)增加收集配電室內(nèi)多種智能儀表和傳感設(shè)備的測(cè)得數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)配電臺(tái)區(qū)各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的全面采集和感知，做到了配電室狀態(tài)的可視化監(jiān)測(cè)，進(jìn)而提高了智能配電網(wǎng)的運(yùn)載能力，為電力客戶(hù)可提供更高質(zhì)量的用能服務(wù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)配電臺(tái)區(qū)運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備種類(lèi)多，但很多功能存在重復(fù)，運(yùn)維、管理復(fù)雜，造成配電臺(tái)區(qū)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)管理成本高昂，人力、物力浪費(fèi)等問(wèn)題，通過(guò)對(duì)配變監(jiān)測(cè)計(jì)量終端、用電數(shù)據(jù)信息采集集中器、負(fù)荷控制終端和三相多功能電能表這四種配電臺(tái)區(qū)主要運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備所具有功能的細(xì)致分析，以及對(duì)它們實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的軟件、硬件資源條件的全面梳理，提出了配電臺(tái)區(qū)運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備的功能一體化構(gòu)建方案，并將原四種運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備中的通信單元以及特有功能設(shè)計(jì)成相互獨(dú)立且可拔插、可擴(kuò)展的功能模塊，進(jìn)而構(gòu)建出一款模組化智能融合終端。該終端的研發(fā)成功和投入使用，將明顯減少配電臺(tái)區(qū)運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備的數(shù)量，降低供電公司綜合運(yùn)營(yíng)管理成本，提升配電網(wǎng)運(yùn)維管理的自動(dòng)化和集約化水平，同時(shí)，也為未來(lái)供電公司營(yíng)銷(xiāo)和配電業(yè)務(wù)的融合及用戶(hù)用電量的精準(zhǔn)分析提供技術(shù)支撐。

隨著綜合能源服務(wù)體系的日益擴(kuò)大，服務(wù)于泛在公共場(chǎng)所的智能共享插座、電動(dòng)汽車(chē)充電樁等供電設(shè)施，也已成為綜合能源、能源互聯(lián)網(wǎng)范疇的新應(yīng)用，并且它們同樣也具有電能計(jì)量、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，如果能將它們與配電臺(tái)區(qū)運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備一體化終端相整合，不僅可以進(jìn)一步拓展模組化智能融合終端的功能，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)戶(hù)外泛在公共場(chǎng)所供電設(shè)施的統(tǒng)一管控，進(jìn)而節(jié)省公共服務(wù)資源，滿(mǎn)足未來(lái)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求。