探索基于電力物聯網的精品臺區建設新模式

國網勝利（東營）供電有限公司 仲崇山 管明睿 劉 筠 山東德源電力科技股份有限公司 張洋洋 張 坤

2020年4月2日國家電網公司召開“新基建”工作領導小組第一次會議，深入貫徹總書記重要講話和指示精神，加快新基建建設，加快建設具有中國特色國際領先的能源互聯網體系，著力于提質增效，提高裝備使用率，帶動全社會產業鏈發展，履行社會責任，發揮大國重要作用。深入推進數字技術與電網技術融合發展，在電網全環節推進數字化轉型是實現公司戰略目標的關鍵所在。大力加快推進數字化配網建設，加快推進配電網智能化升級和管理數字化轉型，是公司貫徹落實中央“新基建”戰略部署的重要舉措，也是建設能源互聯網企業的內在要求。

400V 配電網絡結構正在悄然改變：太陽能等分布式能源的開發利用，有源電網需要關注局部區域的潮流；電動汽車的逐步普及，大規模的充電樁投運會對臺區造成沖擊，需對充電樁進行約束運行管控，進一步優化資源利用效率。

1 建設必要性

電網精益管理向低壓延伸。400V 低壓配網長期以來屬于監控盲區，400V 末端電能管理亟待整體提升，一是低壓電網設備空間分布廣，作業半徑大，交通耗時多；二是低壓電網生產作業是全天候、7×24小時、全年無休的模式，且夜晚等特殊時段工作效率低；三是專業分工細、工序分段多、工作交接頻繁，協同效率不高；四是專業目標不統一、業務數據不標準、數據無法貫通共享、存在專業壁壘，影響公司整體工作效率提升。

低壓運維工作標準亟待提升。近些年生產電網工作質量得到了巨大提升，但仍有潛力可挖。主要體現在五方面：安全目標對工作差錯零容忍；工作質量因組織層級多、傳達時間長，存在層層衰減；巡視、檢測類工作彈性大，成效顯現滯后，工作監管成本大，難推進；人員素質不一，工作質量差異性大，尤其零散的外包業務；生產工作大多為機械性重復工作，容易產生倦怠[1]。

低壓供電可靠重要性日益凸顯。在新興的能源生產與消費模式不斷出現背景下，供電公司的客戶服務需要電力系統更可靠的運行：一是客戶的服務預期不斷提高，需不斷改善服務質量，獲得電力指數提升；二是客戶維權意識強，需約束、規范各類運營行為；三是美麗環境的要求，需更科學地規劃、建設、運維電網。

精準投資提質增效需求迫切。近兩年國網主業整體效益在下滑，需通過更精益化管理實現內部節約：一是社會要求運營成本進一步壓降，電價連續兩年大幅度下降；二是電網建設投資需要更精準；三是電網設備需差異化地開展檢修，降低全壽命周期管理的成本；四是節能降耗，需大幅降低管理線損并為技術線損提供靶向性指導依據。

2 技術方案

2.1 設計理念、整體架構、系統電氣結構

以“硬件平臺化、軟件App 化”為理念，應用分布式邊緣計算、物聯網通信和設備全面感知技術，構建以常規設備加智能感知終端設備為重要邊緣計算點的低壓配電網全息感知系統，最終實現低壓配電信息的全面感知，智能設備的靈活接入、即插即用，深度契合電力物聯網終端泛在接入、平臺共享開放、云霧協同計算、數據驅動業務、應用隨需定制等特征。

基于電力物聯網的新型智能臺區建設方案是通過在低壓臺區內安裝智能物聯設備與營配數字協同微應用平臺（以下簡稱智能平臺）及協同APP 相結合，除完成傳統的電力抄表功能外，還具備設備狀態智能分析、線損分段精益管控、表計精度在線診斷、多道防線硬核防竊電、掛接設備智能識別及服務行為一體化管理等功能，可全方位、系統化的提升低壓臺區精益化管理水平，從計量管理提升、節能降耗、反竊查違、減少設備投資、減少運維工作量五方面實現經濟效益的大幅提升。

以模組化感知終端為核心，采用配電臺區與電氣拓撲智能識別技術，實現臺戶檔案關系精準校核、竊電分析與告警、線損分析與異常定位等功能[2]。在臺區側加裝臺區能源控制器，在電纜分支箱、末端計量箱側加裝模組化感知終端，實時感知分支、表箱的電流、電壓量測值以及計量事件，動態計算供入售出電量，自動繪制線損態勢可視化曲線，基于低壓拓撲關系定位異常線損位置點。

2.2 關鍵設備

基于電力物聯網的智能臺區中關鍵設備為智能物聯感知模組，智能物聯感知模組采用導軌式安裝，包含一個基礎單元和兩個擴展單元，形成了以感知模組為基礎、可擴展控制模組和防護模組的組合模式，每個單元都進行了可插拔的模組化設計，讓三個模組能進行自由搭配組合，并根據不同需求進行插拔式模組化的組裝，滿足不同客戶的不同要求。

感知模組是綜合高頻CPU、計量芯片、HPLC通訊芯片、安全加密芯片、臺區識別模塊等于一體的管理單元，其與臺區能源控制器上行通信傳輸選用寬帶電力線載波（HPLC）；下行通信RS-485接口用于智能電表抄讀，支持DL/T645、DL/T698.4通訊協議；近端配置低功耗藍牙模塊支持近距離無線及本地維護升級。通過內置電壓互感器和外置電流互感器實現高精度采樣，具備全量電參量采集能力，包括三相電壓、三相電流、瞬時有功功率、瞬時無功功率、瞬時視在功率、功率因數、電壓波形失真度、電流波形失真度、電壓諧波含量、電流諧波含量等；內置拓撲識別模塊，實現臺區自動識別、相位識別、臺區拓撲自動生成；內置高精度溫濕度傳感器，實時監測箱體內的環境狀態。裝載了國網安全芯片，對身份認證、權限控制等進行了周密防護，保障數據的安全性和完整性[3]。

控制模組內置高性能的北斗定位模塊，具有高靈敏度、低功耗、小型化的特點，其極高追蹤靈敏度大大擴大了其定位的覆蓋面，滿足設備高精度準確定位的需求，結合感知模組自動上報故障事件，實現搶修人員制定的最優路徑和實時地圖導航；內置的小尺寸、分辨率加速度傳感器，具有低功耗、耐沖擊性高及可編程的待機喚醒功能，能實現箱體的傾斜檢測、振動檢測、移動檢測等功能；內置門鎖控制模塊，具備智能鎖管理和控制功能，支持遠程開鎖和本地藍牙認證開鎖，實時反饋門鎖開關狀態。

防護模組內置熱釋電紅外人體檢測傳感器、強磁感應模塊、取證攝像裝置和SD 卡存儲，能檢測設備前方是否有人員在操作，并與智能箱鎖狀態進行聯動。當有非法侵入時防護模組觸發攝像裝置進行連續拍照存儲至本地留證，并通過感知模組上傳至主站觸發預警；實際工作時還可根據是否存在強磁干擾計量準確度，對非法開箱、竊電等異常行為進行實時監控。

2.3 關鍵技術

基于工頻畸變信號通信的臺區歸屬關系識別技術。臺區側智能終端（能源控制器）與末端側智能終端（模組化終端）均內置基于工頻畸變信號通訊芯片，依托畸變信號不跨臺區、不跨相位且不易受環境干擾的特征，臺區側智能終端在注冊時或運行中定期通過畸變電流信號發送自身終端地址（臺區標識），末端側智能終端接收解析后即可獲知實際所屬臺區。

基于特征電流通信的臺區層級關系識別技術。末端側智能終端中內置可在線路零火線之間產生滿足一定頻域規律的特征電流信號的電阻，通過臺區側智能終端交采對線路電流信號進行實時采樣分析，記錄信號識別到的時間標，對時間標進行對比分析，繪制線路物理拓撲[4]。

基于主動時間補償的定時廣播校時方法。其相對于點對點校時方式具有較高的執行效率和校時精度，同時具有較低的通信開銷，實際使用中一般采用該方式進行校時操作。在廣播校時方式下，標準Q/GDW1376.2—2013制定了TTU 可以查詢通信延時相關的廣播通信時長，以此來估計終端廣播校時過程中的信道延時估計值。除廣播通信信道延遲時間外，也要考慮在通信接口上的延遲并對其做出合理的估計。確保TTU 與LTU 和電能表之間的高精度時鐘同步，滿足分支線路用電信息特征量以時間片段分組。

3 實現功能

臺區拓撲動態辨識。基于矢量數據精確到微秒級的同步采集，結合電氣特征量分析、寬帶網絡通信拓撲信息、通信信道品質等參數進行識別，輸出正確可信的識別結果，“邊端協同”完成拓撲關系的辨識，確保低壓臺賬準確可信，為降低管理線損，撕拉亂接以及竊電現象的迅速識別發現，提供可靠的基礎依據；全息狀態實時感知。通過安裝在各節點、分支的智能感知終端，可進行電氣量、狀態量、環境量的實時感知，可實現電流、電壓、矢量展示（幅值+角度），可管理周邊溫濕度、水浸、煙感、門節點等小微傳感器，實現環境狀態實時感知，可接入32路電表，實現營配數據同源。

即插即用功能。在新接入設備上電后，經由能源控制器向主站發送注冊請求，主站根據入網設備基本信息判斷設備是否允許入網并進行入網許可。主站進行身份識別與認證后與一次系統圖進行關聯，主站下發設備定值和參數。設備認證通過后將自帶的銘牌信息上報至主站，主站自動完善設備檔案，從而實現新接入設備即插即用；實現“四遙”功能。實現遙測、遙信、遙控、遙調功能。實現各層級節點的電氣量深度感知，設備信息遠程監控，斷路器遠程分合閘以及遠程保護定值設置功能。

臺區線損精細化管理。基于低壓拓撲關系和各層級節點智能感知終端/物聯監測單元計量芯片進行電能量采集信息，實現分段、分相、分時多維度線損自動計算，提升低壓臺區線損精益管理，實現對于臺區更細粒度的線損感知，為線損治理提供可靠依據；低壓故障定位和精準搶修。基于低壓配電網絡拓撲，通過低壓拓撲關系及各節點智能感知終端的故障保護跳閘信息（短路、過流、失壓、缺零等保護動作信息）以及漏電流越限告警，進行低壓臺區故障研判，故障事件秒級上報，定位故障區段，推送主動搶修工單輔助精準搶修。

臺區電能質量溯源。通過臺區電氣量的采集和計算，實現計算臺區負載率、電壓合格率、三相不平衡度、功率因數、諧波等電能質量指標，并能實現問題的溯源和定位；故障預知和提前排故。基于智能感知終端的邊緣計算功能和低壓配電網絡拓撲關系，結合能源控制器采集各節點的工況信息,通過建立低壓配電網阻抗在線動態辨識模型實現低壓配電網各節點回路阻抗計算，以及通過節點歷史剩余電流故障特征值實現提前發現設備異常、電弧放電監測預警火災、因設備老化造成的故障預警，實現潛在的故障預判。

4 應用效果與評價

2020～2021年在山東東營共完成1393個臺區實施運行，合計安裝智能感知設備46121臺，在營配數據梳理、臺區線損治理、故障主動搶修、負荷智能調節等方面均取得良好效果，具體分析如下：

狀態全息感知與信息融合貫通。通過在配變、分支箱、戶表、充電樁、分布式能源等關鍵節點應用智能感知終端（智能感知終端），對400V 配電網的運行工況、設備狀態、環境情況等信息全面采集。實現低壓電網實施運行監控（5分鐘）、停電實時上報（秒級）、供電質量溯源、提高配變負荷利用率、減少光伏發電倒送比例、提高低壓電網運行效率；故障快速處置與精準主動搶修。智能感知終端支持故障研判、展示故障區段，定位故障類型，邊端協同實時跟蹤分析，提升配電網智能處置和自愈能力，變被動搶修為主動服務。農網臺區為TT 接線，漏電流越限跳閘是農網運維檢修人員的難點痛點，基于帶漏電流的智能感知終端漏電流趨勢跟蹤以及越限告警，可提前排除故障或在故障前精確定位，減少停電時間，提高客戶滿意度。

狀態在線評價與設備預先檢修。低壓配網各關鍵節點每5分鐘數據同步矢量采集以及異常指數的實時監控，實現對低壓配網進行智能綜合性研判分析，精確評估配電網及設備當前狀態、智能預測未來趨勢。智能感知終端支持基于阻抗變化的電網狀態評價，支持基于電弧放電感知的電氣火災預警。本次智能化改造后可將低壓臺區設備、線路故障消滅在萌芽中；供電方案優化與用電可視化。通過中低壓配電網全息感知，開展基于配網及設備承載能力的可開放容量綜合計算，同時綜合考慮客戶用電需求及增長趨勢、主配網規劃計劃、設備通道路徑造價等，為客戶提供最優供電方案，利用基于臺區能源控制器的各類APP 微應用，實現用電客戶接入的線上全景展示和交互。

停電準確定位與精準透明發布。利用各類智能終端和邊緣計算，為用戶提供末端配網事件處理服務，監視并主動發現用戶用電異常，制定解決方案并提供處理服務；同時結合智能感知的停復電事件，云端自動識別停電影響范圍及重要敏感用戶，自動生成結構化停電信息并通過短信或微信等手段，點對點精準推送至用電客戶，全面提升客戶的用電體驗；負荷特性識別與用電用能優化。以龐大海量的客戶用電行為數據為基礎，對家庭、企業不同客戶群體的用電行為特征進行識別并畫像，通過配置合理的中低壓終端，為用戶提供關鍵運行及服務信息，包括提供臺區直至用戶戶內的用電和電能質量信息，結合用戶用能特性，為客戶提供包括電能質量治理、用電用能的優化策略，提升用戶電力獲得感。