魏訓虎

（南京南瑞信息通信科技有限公司，江蘇 南京211500）

隨著國家電網(wǎng)公司提出“三型兩網(wǎng)、世界一流”的戰(zhàn)略目標，政府工作報告提出碳中和碳達峰目標，全國范圍以電力物聯(lián)網(wǎng)建設與能源互聯(lián)網(wǎng)建設為核心，開啟了新一輪的電網(wǎng)升級。長期以來，我國在中高壓輸電側(cè)與變電側(cè)的建設成就舉世矚目。但在低壓側(cè)，配電網(wǎng)的運維管理長期處于較低水平，臺區(qū)拓撲檔案等存在較多錯誤；配網(wǎng)感知能力與感知深度嚴重不足，智能電表長期只采集日凍結(jié)功率數(shù)據(jù)上報，采集頻率過低，僅用于支持營銷部門的電費核算，不足以支撐電力物聯(lián)網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)應用。

因此提高低壓配電網(wǎng)數(shù)據(jù)感知能力，加深數(shù)據(jù)感知深度，提高數(shù)據(jù)采集頻率成為電網(wǎng)基礎設施建設的關(guān)鍵點。與此同時，隨著數(shù)據(jù)感知能力的加強，為使數(shù)據(jù)流支撐電力物聯(lián)網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)的建設、支撐配電網(wǎng)智能化與自動化，還需要積極追蹤用戶需求，開發(fā)數(shù)據(jù)流驅(qū)動的配電臺區(qū)應用，真正實現(xiàn)“三型兩網(wǎng)、世界一流”。

1 配電臺區(qū)分鐘級采集方案

目前營銷專業(yè)、設備專業(yè)分別建設用電信息采集系統(tǒng)、配電自動化系統(tǒng)，并部署低壓故障、監(jiān)測單元、智能電表等采集設備實現(xiàn)臺區(qū)狀態(tài)的感知，由智能配變終端TTU、集中器等設備匯聚數(shù)據(jù)，傳送至內(nèi)網(wǎng)系統(tǒng)。兩套系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)內(nèi)容的重合度極高，主要差別在采集頻率上，配電自動化系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的實時性要求高于用電信息采集系統(tǒng)。因此，完全可以部署一套較高性能的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，實現(xiàn)源數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集、統(tǒng)一處理。為解決上述問題并進行技術(shù)升級，通過在臺區(qū)部署邊緣物聯(lián)代理/TTU/融合終端，統(tǒng)一接入各類感知數(shù)據(jù)，實現(xiàn)分鐘級數(shù)據(jù)采集，避免過度傳感建設?；谥悄茈姳矸昼娂壊杉瘮?shù)據(jù)可實現(xiàn)臺區(qū)狀態(tài)實時感知、故障定位、能效分析、線損精益化管理等功能。針對集中器分鐘級采集改造的總體思路是充分利用現(xiàn)有硬件設備，在軟件協(xié)議、抄表策略等方面進行擴展和優(yōu)化。

當前的臺區(qū)用電信息采集系統(tǒng)的部署有II 型采集器+485 表、I 型集中器+載波表、I 型集中器+I 型采集器+485 表、I 型集中器+II 型采集器+485 表4 種，集中器與采集器的組網(wǎng)采用HPLC+1376.2 協(xié)議，集中器與用電信息采集系統(tǒng)主站組網(wǎng)采用無線專網(wǎng)或無線公網(wǎng)+1376.1 協(xié)議，采集器與智能電表間通信采用RS485+DL/T645 協(xié)議。圖1 為目前臺區(qū)用電信息采集系統(tǒng)示意圖。

圖1 用電信息采集系統(tǒng)示意圖

分鐘級數(shù)據(jù)采集與傳統(tǒng)小時級乃至于15 分鐘級數(shù)據(jù)采集在表面上看只是采集頻率的提高，實質(zhì)上涉及到從軟件到硬件的整體升級。隨著采集頻率的提高，對硬件穩(wěn)定性、采集成功率、數(shù)據(jù)上報延時、采集數(shù)據(jù)存儲都提出了更高的要求。特別是數(shù)據(jù)上報延時和采集數(shù)據(jù)存儲方面，以往的低頻度采集中一個臺區(qū)所有電表都能在上報時間跨度中完成，但采用分鐘級采集后將不能保證這一點，又同時帶來了采集同步性的問題；在采集數(shù)據(jù)存儲上，更高頻率的采集意味著更高的數(shù)據(jù)量，因此還需要對集中器、采集器與電表升級硬件設備。為適應分鐘級采集任務，采取了I 型集中器與II 型采集器兩種升級方案分別對集中器與采集器的數(shù)據(jù)采集策略進行了改進。II 型集中器在協(xié)議上的升級方案與I 型集中器升級方案基本是相同的，差別主要在于集中器與采集器的采集策略上。

首先為集中器及采集器配置基于DL/T645 和Q/GDW 1376.2 協(xié)議擴展的分鐘級通訊協(xié)議，并對應地擴大采集器存儲空間；開發(fā)拓展通信接口以支持DL/T645 協(xié)議，擴展報文數(shù)據(jù)標識，將分相電壓、電流和功率在內(nèi)的多個數(shù)據(jù)項匯集于一個字段；對于涉及集中器通信的1376.2 協(xié)議，對其通信報文格式進行擴展，在645 報文格式中加入時標并封裝入1376.2 協(xié)議報文的上下文中。在下行報文里所有645 報文的應答被全部收集完成后，統(tǒng)一組成一幀回復給集中器。I 型與II 型集中器對被監(jiān)測電壓采用有效值采樣，采樣周期至少每秒1 次，并作為預處理值貯存。1 分鐘作為一個統(tǒng)計單元，取1 分鐘內(nèi)電壓預處理值的平均值，作為被監(jiān)測系統(tǒng)即時的實際運行電壓；終端上行通信方式設置為混合模式，支持雙通道、雙主站（用采主站、智能邊設備）；II 型采集器增加存儲容量（128k），將采集到的電表當前數(shù)據(jù)進行存儲后再打包上傳。同時在用電信息采集系統(tǒng)中加入智能邊設備，部署分鐘級數(shù)據(jù)同頻采集APP，實現(xiàn)對集中器數(shù)據(jù)采集匯聚、邊緣計算。

與此同時，修改抄表策略以適應分鐘級采集任務。在添加了分鐘級任務后，由于集中器一般都會連接數(shù)十塊電表，由于傳輸延遲等因素的影響，可能導致集中器連接的電表在1 分鐘內(nèi)無法將所有分鐘級采集數(shù)據(jù)全部上傳的問題出現(xiàn)。為解決這一問題，在645 報文中加入時標用于識別數(shù)據(jù)采集時間，但在實時循環(huán)采集機制中，可能因為延遲等在同一秒內(nèi)采集到時標相同的本是兩次采集得到的數(shù)據(jù)，這將導致數(shù)據(jù)丟失，具體如圖2 所示。為解決這一問題，采用整分采集機制而棄用循環(huán)采集。雖然這會導致不能完全實現(xiàn)1 小時采集60 個數(shù)據(jù)上報，但保證了采集成功率和數(shù)據(jù)良率。

圖2 循環(huán)采集時標重復示意圖

2 配電臺區(qū)拓展應用

在以往的配電臺區(qū)，由于數(shù)據(jù)采集頻度低，感知能力差，很難利用用電信息采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)對配電臺區(qū)開發(fā)針對性的功能應用，諸如線損分析、拓撲識別、線路隱患排查等，往往都依賴于人工進行，費時費力。在分鐘級數(shù)據(jù)采集成功實現(xiàn)后，充足的數(shù)據(jù)量足以支撐諸多配電臺區(qū)自動化應用，同時還可以應用于新能源光伏臺區(qū)，服務于碳中和、碳達峰目標?？砷_發(fā)應用有相位識別、戶變糾錯、分相線損分析、光伏反竊電、光伏出力預測、負荷預測、電能質(zhì)量分析等。

2.1 相位識別

通過用戶電表、光伏電表及臺區(qū)關(guān)口表分鐘級采集數(shù)據(jù)，開發(fā)相別自動識別算法，實現(xiàn)低壓臺區(qū)電表和戶變相別識別。從關(guān)口表、用戶電表與光伏電表采集的分鐘級數(shù)據(jù)，包括電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等。算法有基于相關(guān)性分析、多元線性回歸、曲線聚類、頻譜聚類等機器學習算法，以往最多基于15 分鐘頻度的采集數(shù)據(jù)，相位識別精度不能達到100%。在引入分鐘級采集后，升級的相位識別算法能將相位識別準確度提高到100%。同時若將光伏出力導致的功率倒送考慮在內(nèi)，將用戶時序電壓、電流、功率等與關(guān)口表采集的電壓電流功率等進行綜合計算，還可以對光伏臺區(qū)電表相位等拓撲關(guān)系進行識別。

2.2 光伏出力擬合與預測

光伏臺區(qū)的出力影響配電網(wǎng)的潮流分配與無功分配，降低系統(tǒng)慣性，對配電網(wǎng)穩(wěn)定性有著較大影響。配調(diào)部門需要較為精確的光伏出力曲線來輔助調(diào)度工作，往往將低頻度的出力數(shù)據(jù)擬合出高頻數(shù)據(jù)。在實現(xiàn)分鐘級數(shù)據(jù)后，光伏出力的擬合工作將大大簡化，分鐘級的頻度已滿足絕大部分要求，若有更精確的要求，利用分鐘級數(shù)據(jù)再進行擬合的精度也更高。另一方面，為確保調(diào)度部門合理安排系統(tǒng)無功補償、切除光伏倒送等應對措施，需要對配電網(wǎng)分布式光伏出力進行短期與長期預測?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡、支持向量機等機器學習算法，結(jié)合光照、云層等氣象數(shù)據(jù)進行光伏出力短期與長期預測，為調(diào)度部門提供參考。

2.3 光伏反竊電

傳統(tǒng)的臺區(qū)反竊電往往都依賴于線損異常甄別和人工排查。而在光伏臺區(qū)，由于用戶自購自接光伏電池板與逆變器，在光伏出力大于家庭負荷時，將會有功率反送上網(wǎng)并依據(jù)功率上網(wǎng)量獲取補貼。為了保證光伏上網(wǎng)量不至于對配電網(wǎng)穩(wěn)定性產(chǎn)生沖擊，會限制用戶自接光伏電池板的容量。但有用戶會超額接入電池板，甚至還會有光伏計量表升壓、市電整流逆變、市電改接法等竊電手段，即將配電網(wǎng)送入用戶的交流電經(jīng)過逆變或不逆變直接返送上網(wǎng)，以此騙取補貼。相對于傳統(tǒng)臺區(qū)，光伏臺區(qū)竊電數(shù)據(jù)樣本少，竊電邏輯不同，竊電行為隱蔽，傳統(tǒng)的線損異常甄別、人工排查等手段難以精準識別。

在實現(xiàn)分鐘級采集后，數(shù)據(jù)驅(qū)動的反竊電方法可以實現(xiàn)，通過比較正常用戶電壓、電流、功率曲線和不同情況下竊電樣本的電壓、電流、功率分鐘級數(shù)據(jù)曲線，可有效甄別光伏竊電用戶。而對于竊電數(shù)據(jù)樣本少的問題，有文獻指出，可以利用基于NICE 的數(shù)據(jù)增強算法擴充竊電數(shù)據(jù)樣本庫，提高竊電識別準確率。同時通過光伏電表計量的返送功率數(shù)據(jù)，甄別違約加增光伏板用戶，實現(xiàn)光伏反竊電功能。

3 結(jié)束語

本文提出了用電信息采集系統(tǒng)的分鐘級采集方案，在硬件上升級I 型和II 型集中器、采集器與智能電表，在軟件上升級DL/T645 和1376.2 通信協(xié)議，優(yōu)化數(shù)據(jù)采集策略，統(tǒng)一物模型，采用邊緣計算技術(shù)，大大提高了用電信息采集系統(tǒng)的采集頻率，滿足了電力物聯(lián)網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)建設背景下配電網(wǎng)智能化與自動化建設的數(shù)據(jù)需求。

在實現(xiàn)分鐘級采集方案的基礎上，提出了相位識別與戶變糾錯、光伏出力預測、反竊電、反向線損分析等配電臺區(qū)數(shù)據(jù)驅(qū)動業(yè)務應用，滿足配電臺區(qū)不同的業(yè)務需求，實現(xiàn)配電臺區(qū)的智能化建設，為配電臺區(qū)進一步升級改造、業(yè)務應用進一步開發(fā)提供了思路。

需要指出的是，分鐘級采集在帶來數(shù)據(jù)頻度提高的同時，給采集成功率等帶來了很多挑戰(zhàn)。上文提及為保證采集良率而采用了整分采集策略，如果臺區(qū)下帶電表數(shù)量過多，需要很長的周期才能完成一輪采集，這樣會大大降低實際采集頻率，從而使后續(xù)應用開發(fā)出現(xiàn)問題。可考慮對于分鐘級數(shù)據(jù)采集策略和數(shù)據(jù)通信協(xié)議進行進一步改造，如對數(shù)據(jù)報文進行壓縮處理等，這是后續(xù)研究的方向之一。