基于智能配變終端的臺區典型應用研究與設計

盧 丹，劉 洋，張琳娟，許長清，李俊剛，毋炳鑫

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

近年來，物聯網的邊緣計算理念逐漸在配電網融合并開展應用，為解決配電臺區問題提供了思路：構建智能配電臺區，將其中的智能配變終端作為就地數據處理中心，承載高級業務應用，實現對臺區運行狀態的在線監測、智能分析與決策控制。

1 配電臺區架構

配電臺區在配變側、低壓側、用戶側分別部署各類低壓感知設備，以智能配變終端為核心采集配電變壓器、低壓分支箱、低壓電氣數據、電能數據等信息的采集監測，再通過智能配變終端將臺區數據按需分析、計算、整理后上送至配電主站[3]，如圖1所示。

圖1 配電臺區系統構成

1.1 智能配變終端

作為配電臺區數據監測及處理的中心，智能配變終端采用安全自主可控的國產工業級雙核芯片，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，滿足配電臺區的各種信息接入需求。部署基于輕量化的Linux容器技術，支持各類App靈活配置，滿足邊緣計算的平臺需求。

1.2 就地設備配置

1.2.1 配變及低壓側設備

主要包括配變低壓側互感器、本體智能感知元件、低壓智能開關、智能監測裝置等，監測配電臺區電氣量、開關量、非電氣量等數據，并對低壓智能開關進行分合閘控制。

1.2.2 低壓線路側設備

主要包括低壓故障傳感器等，監測低壓線路電氣量、開關量、非電氣量，主動上報低壓故障事件及位置，實現對低壓配電網絡的拓撲動態識別、線損阻抗分析等功能。

1.2.3 末端用戶側設備

主要包括低壓智能換相開關、低壓故障傳感器、智能監測裝置、智能電能表等，實現對低壓用戶的運行數據實時采集、停電事件主動上報、低壓拓撲信息采集、自動換相負荷調節等功能。

1.3 通信系統

遠程通信網：遠程通信網主要滿足物聯管理平臺與邊緣物聯代理之間高可靠、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、無線公網等[4]。

本地通信網：本地通信網主要滿足邊緣物聯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 配電臺區典型應用

2.1 臺區拓撲識別

臺區拓撲識別業務是配電臺區的業務基礎。配電臺區一般為樹形結構，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、電流信息發送至智能配變終端，以此進行臺區拓撲識別[5]。

2.1.1 拓撲初選

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

表1 各級設備信息

2.1.2 各級節點拓撲識別

識別原理：在配電臺區中，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點進/出線的拓撲位置及聯接關系。

具體方案：以一/二級拓撲聯接關系識別為例，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，同時將該分支的設備參數、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。

其他各級節點識別方法同上，智能配變終端完成臺區總體拓撲的識別。

2.1.3 臺區變-相-戶關系識別

根據臺區總表及用戶電能表的電壓數據，進行電壓數據相關性的分析，進行臺區變-相-戶識別。

采用Pearson相關系數法計算電壓相關性[6]。首先，在一天24 h內每隔15 min，智能配變終端依次獲取各臺區總表三相電壓數據Uai、Ubi、Uci，以及各用戶表的數據Uk。然后，計算用戶表與各臺區總表各相的相關性。

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

根據以上步驟，完成臺區拓撲及變-相-戶關系識別，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

結合智能電能表及用電信息采集技術的應用，臺區智能終端可以獲得用電數據信息，在臺區進行低壓配電線路阻抗分析，研判低壓配電線路老化，減少系統故障，并可識別竊電嫌疑。

智能配變終端通過采集末端監測單元、分支節點監測單元等設備的實時與歷史運行數據，計算和分析臺區低壓各節點的回路阻抗，如圖3所示。

圖3 用電信息采集系統

根據配電臺區的系統簡化模型如圖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 臺區配電線路簡化模型

分析計算結果：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，導致在ΔV正常的情況下，流經電能表的ΔΙ≈0，以此可認為該用戶存在竊電嫌疑。

智能配變終端根據計算結果，對每段配電線路進行狀態預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，在臺區單相用戶的前端部署智能換相開關設備。智能配變終端通過4 G等通信方式采集各智能換相開關安裝處的電流、電壓信息。結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的投切。

圖5 三相不平衡治理系統

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

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

為實現三相負荷不平衡，實際有一相負荷向兩相轉移、兩相負荷向一相轉移兩類負荷轉移方式。假定A相負荷需向B、C兩相轉移，簡要說明負荷轉移方法。

將當前A相負荷按照幅值依次排序，并標記各負荷對應的換相開關。

從最大負荷Iamax開始判別，若該負荷是否在B/C相待轉負荷范圍內，則預判該負荷轉移至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，則將該換相開關加入B/C相的執行隊列。

按照同樣的方法繼續下一負荷判別，直至各相不平衡度小于預設的不平衡度定值Iumb，完成判別。

根據各開關的執行隊列，控制待執行的換相開關操作。

兩相負荷向一相轉移同上述方法類似，最終使得三相不平衡達到預設值范圍，完成不平衡調節。

2.4 低壓故障研判

當前臺區智能配變終端及就地智能設備的部署，為低壓系統故障研判提供了實施基礎，如圖6所示。

圖6 臺區故障研判系統

智能配變臺區的分支箱、用戶表箱等位置部署帶有后備電源的低壓智能監測裝置，該裝置具備停電檢測功能，當智能監測裝置監測到用戶表、低壓漏保等設備停電時，主動將設備停電信息，通過無線（LoRa/載波）的方式實時上傳至智能配變終端。根據各級監測裝置的停電信息，智能配變終端對臺區故障進行研判、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測裝置的停電遙信狀態和電壓電流遙測數據：當某個智能監測裝置及其下游設備的停電遙信狀態為1，且該分支的電流小于無流門檻、電壓失壓，則該分支停電。結合前文方案確定的一次拓撲關系，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為1，且各節點失壓、無流，此時認為電能表箱K2分支發生故障，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/出線的開關狀態及遙測值，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字，若連續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”狀態時，識別為欠費停電并上報。除上述典型應用外，在臺區智能化的總體架構下，智能配變終端還可以開展低壓用電負荷感知、配變運行智能監測、臺區負荷預測、電動汽車有序充電控制等諸多業務功能，在臺區全面感知的基礎上，提升臺區的管理水平。

3 試點應用

根據當前智能化臺區的建設思路，本文設計的典型業務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、服務水平要求高多個臺區進行試點建設工作。

實現臺區運行狀態監測。采集進出線運行數據，實時掌握低壓線路電壓，電流等數據，并完成對低壓開關的分/合狀態、剩余電流值和告警等信息的監測。

實現臺區的運行狀態診斷及管控。對設備輕重載、低電壓、三相不平衡等問題進行智能診斷、定位。

提供臺區數據展示。提供配電網線變關系、臺戶關系等拓撲數據和停電異常事件等運行數據，提供拓撲路徑、停電范圍等可視化展示服務。后續將按照配電物聯網技術路線，在智能配變終端與配電自動化主站系統的就地決策、“云-邊”協同管理機制方面加強研究，支撐低壓配網的便捷運維服務能力的建設。

4 結束語

在配電臺區智能化、物聯網化的發展趨勢下，本文以智能配變終端為中心，同時基于臺區智能采集、感知設備的接入，構建智能配電臺區系統，并結合邊緣計算的理念，研究并設計了臺區拓撲識別、線路阻抗分析、三相不平衡治理等典型業務方案，開展試點應用后，效果顯著，可為智能配電臺區的建設提供支撐。方案推廣后，不但能夠使臺區數據得到有效處理及利用，而且可助力運維提升，提高配電臺區的精益化化管理水平。