配電臺區全景信息采集及智能組網技術

文/金鵬 李垚 張雨琳

（1.國網遼寧省電力有限公司 遼寧省沈陽市 110021）

（2.東北大學信息科學與工程學院 遼寧省沈陽市 110819）

1 引言

近年來，電網公司逐步開展老舊臺區自動化、信息化改造，探索配電臺區電能質量監測分析、拓撲識別、線損分析、故障定位保護等應用，試點了營配調融合的管理模式，提出了智能配電臺區標準化、成套化建設理念，發布并推廣了配變終端、智能配電單元等臺區內設備的功能規范。

在“堅強智能電網”[1]、“能源互聯網”[2]建設穩步向前推進的社會背景下，配電網所承載的功能也在改變。特別是在分布式可再生能源大規模接入導致的集群效應日益凸顯、電動汽車數量與日俱增、綜合能源系統將異質能源系統耦合到一起以及用戶側用能需求多樣化和不斷增長的現實下，配電網已不再是傳統上單向電能提供商，而是向著能量雙向流動與提供高級服務的方向轉變。現行配電網存在量測覆蓋率低[3]、配網設備規模龐大但標準化程度低[4]、用戶多樣化需求服務能力不足[5]等諸多問題。因此，對當前配電網進行改造和功能升級，提高其自動化、信息化、智能化水平，實現配電網信息全面感知成為配電網改造工作中的當務之急。

本文簡要闡述了配電臺區全景信息采集技術及智能組網技術，為泛在電力物聯網建設進程中老舊配電臺區的改造提供了一種切實可行的路徑。

2 全景信息采集技術

信息感知作為物聯網應用的基礎，是物聯網應用的重要的信息來源。下面簡要介紹數據的收集、清洗、壓縮和融合等信息感知技術。

2.1 數據收集

數據收集是信息感知的最基本形式，是感知節點將感知到的數據匯集到匯聚節點的過程，其最注重的是數據傳輸的可靠性，要求沒有損失。在不同應用中，數據收集對可靠性、高效性、網絡延遲、網絡吞吐量等指標有不同程度的要求，需根據具體情況而定。目前，多路徑傳輸和數據重傳等方法因可有效保證數據傳輸的可靠性而在無線傳感器網絡中被廣泛應用。

2.2 數據清洗

由于環境等客觀因素的影響，獲取到的感知數據通常不全部是有效的，很多時候異常、錯誤、噪聲數據會占有相當比例。因此，為了獲取一致有效的感知信息，需要對感知數據進行清洗和離群值判斷處理。數據清洗可在感知節點、局部或整個網絡范圍進行，應用較為靈活。數據清洗有多種方法，常用的有概率統計、近鄰分析和分類識別等。

2.3 數據壓縮

對于規模較大的網絡，數據傳輸量也會相對較大，利用數據壓縮可以有效減少數據量從而減輕傳輸壓力。數據壓縮的方法多種多樣，各有特點。以基于小波變換的壓縮方法為例，其原理是先在單個傳感器節點對數據進行小波壓縮，然后將眾多節點壓縮后的數據傳送到匯聚節點進行集中處理，從而達到減少網絡通信開銷的目的。

2.4 數據融合

數據融合是對多源異構數據進行綜合處理的過程，目的是獲得確定的信息。按照數據處理層次的不同，可分為數據層融合、特征層融合和決策層融合。對于數據層，通常采用概率統計、回歸分析和卡爾曼濾波等傳統方法以有效消除冗余信息，去除噪聲和異常值。對于特征層或決策層，通常采用D-S證據理論、模糊邏輯、神經網絡及語義融合等技術以實現事件檢測、狀態評估和語義分析等高層決策和判別。

圖1：星型結構

圖2：mesh結構

圖3：配電變壓器功能示意圖

3 智能組網技術

3.1 基于LoRa的組網技術和通訊模式

LoRa使用范圍廣泛，目前我國對LoRa的使用頻段嚴格要求為230MHZ。LoRa有兩種組網模式，分別是星型結構和mesh結構。在星型結構中，每個終端節點與網關直接通信，不經過中間節點。mesh結構中，一個終端節點可作為其他終端節點的中轉站，形成多跳通信模式。兩種組網結構分別如圖1、圖2所示。

星型結構在時延、能耗、可靠性、復雜度、容量等方面性能更優，所以應用更為廣泛。在星型結構中，網絡中網關與終端的通信方式可分為輪詢模式和并發模式。輪詢模式中采用遍歷方式，每個節點分時與網關進行信息的收發和確認，直至N個節點遍歷結束，N個節點遍歷一次為一周期。并發模式中，網關可同時與多個終端節點進行通信，可以同時接受8、16、32路，甚至更多的并發數據。

圖4：配電變壓器泛在電力物聯終端

圖5：故障錄波系統監測情況

圖6：APP巡檢系統運行狀況

3.2 MQTT協議

MQTT協議是一個基于客戶端-服務器的消息發布/訂閱（Pub/Sub）傳輸協議，因其輕量、簡單、開放且易于實現的特點而廣泛被廣泛應用，如機器與機器（M2M）通信和物聯網。發布/訂閱模式，方便消息在傳感器之間傳遞。

4 工程應用

鞍山供電公司于2017年進行了第一代配電變壓器智能化終端的研發工作，獲得相關專利的授權。并榮獲遼寧省公司新技術應用獎。通過該終端的應用，成功發現了某配電變壓器低壓接線端無緣故異常溫度故障，避免了變壓器燒毀的事故。

經過兩年的發展及逐步研發，現已基本完成了第三代變壓器智能化終端的研發工作。該終端具備配電變壓器場景全面感知能力、縱向大數據分析處理能力、人工智能在線分析能力、未來狀態預測能力、多渠道互聯能力、用電習慣分析能力、分布式能源的智能接入計算能力。圖3為配電變壓器功能示意圖，圖4是配電變壓器泛在電力物聯終端實物圖。

本工程應用中的變壓器智能化終端提前使配電變壓器的智能化及物聯組網成為可能，在解決配電變壓器智能運維的同時，為配電網絡的泛在屬性提供了一種新的思路。

針對本工程，鞍山供電公司研發了一套電力故障錄波裝置，用于電力系統故障監測。鞍山供電公司研發的配電網故障錄波系統專用于35kV及以下配電網絡，具有可靠性高、性價比高、準確率高的特點。圖5為故障錄波系統監測情況。

此工程中還應用到了APP巡檢系統，相比于筆記本電腦的笨重，手機的應用更容易被人接受。一款強大的APP軟件，不僅可以給運行巡檢帶來方便，也可以解決以往不能很好解決的問題。變壓器智能巡檢系統采用APP軟件作為交互媒介，解決了以往智能設備過度依賴電腦的問題，運行簡單可靠。使用者通過手機即可完成設備運行狀態的查看、數據下載、點檢簽到等操作，方便快捷。圖6為APP的運行展示。

5 結論

未來，隨著泛在電力物聯網的深入建設，配電變壓器泛在電力物聯終端將逐漸應用。可以預見，配電變壓器泛在電力物聯終端的大量應用將大大提高配電變壓器的智能化程度，使之具備智能互聯，智能判別，智能預測，故障追溯，新能源智能接入等功能，也將為泛在電力物聯網中配電環節的建設提供一種新的思路。