基于泛在電力物聯網的低壓末端智能感知設備技術研究

王遲， 倪光捷， 徐瓊， 黃子杰

(國網信通億力科技有限責任公司， 福建 福州 350003)

0 引言

隨著我國經濟以及科技的迅速發展，人們的生活總體水平正在不斷提升，生活水平的提升促使人們對用電的情況要求十分嚴格，本文將通過用電信息采集系統針對電力用戶的用電信息進行采集，通過采集可以詳細掌握用戶的用電狀況，并根據相關數據進行處理，除此之外，針對該系統將附加實時監控的功能，通過實時監控的方法實現對用戶的用電信息進行多種功能的實現，比如自動采集、計量異常監測、電能質量監測、用電分析和管理、相關信息發布、分布式能源監控、智能用電設備的信息交互等功能。但是，該系統具有多種優勢的同時，仍存在多種弊端，為保證該系統的正常運轉，將通過開展配用電物聯網的總體架構設計、技術實現方向、支撐配網可視化功能完善場景和支撐現代營銷體系建設和項目實施計劃，尋求電力公司配用電物聯網建設的合理化解決方案，積累經驗，推動國網泛在電力物聯網建設向更合理、更智能、更高效、更安全轉變。

1 基于泛在電力物聯網低壓末端智能感知設備建設目標

針對泛在電力物聯網中的建設目標，本文將充分應用“大云物移智”等現代信息技術以及先進通信技術，通過多種技術的應用可以實現電力系統各個環節萬物互聯、人機交互，并且通過應用能力的提升可以使人們的生活向更加便利化發展，本文將建設目標定為全程透明化發展，將電力物聯網低壓末端智能感知設備打造成能源互聯網生態圈，支撐“三型兩網”世界一流能源互聯網企業建設。圍繞“三型兩網”戰略目標，主動適應國家和公司關于物聯網建設的工作部署，推動物聯網技術與營銷、計量、配電運檢管理工作深度融合，實現設備狀態全面感知、數據信息高效處理、業務應用便捷靈活[1]。

2 低壓末端智能感知設備可視化技術研究

2.1 集中器+多功能智能擴展模塊實現繼承發展

為解決低壓設備數量多，類型復雜，通信協議不一致，低壓配網自動化臺區監控管理手段缺乏等問題，提出了用電信息采集系統支撐基于泛在電力物聯網建設方案。通過集中器增加多功能智能擴展模塊，滿足低壓側配變臺區配網信息采集和控制。智能擴展模塊實現示例,如圖1所示。

圖1 集中器+多功能智能擴展模塊實現示例圖

多功能智能擴展模塊分兩種類型，一是針對距離集中器較近的分路開關等智能設備，采用I型多功能智能擴展模塊，支持低壓全網設備以近距離通信，支持多路遙信、遙控、遙測方式接入。二是針對距離集中器較遠的表箱總開等設備，采用II型多功能智能擴展，支持設備以HPLC、藍牙等小無線多模方式接入。針對泛在物聯網的接入設備層，將應用各層級帶通信的智能開關(剩余電流保護器)，表后智能微型斷路器，支持各類設備“即接即用”。

2.2 新型多模通信智能開關提升客戶服務能力

為提升臺區配網精益管理水平，滿足主動服務、設備狀態管理需要，建設由智能漏保開關為主導的低壓智能臺區建設方案，對低壓配網觸電技術進步有質的飛躍。新型高性能智能低壓開關(智能漏保)集HPLC、藍牙、數據監測采集、數據接入網關于一身，同時還可以作為HPLC的中繼節點，解決HPLC通信組網抗衰減能力弱，信號覆蓋程度低的問題[2]。

2.2.1 線路側智能開關

線路側智能開關具備剩余電流保護以及過負荷保護等多種保護功能，通過該功能的使用有利于工作人員及時發現電力物聯網的故障問題，而通過該系統的報警功能以及剩余電流數值及故障相位顯示、監控、記錄功能可以使工作人員及時發現故障問題源于何處，除此之外剩余動作電流值、動作時間可調；通信方面上行具有載波通訊功能，下行具有微功率無線通訊功能，并與表下智能漏電監測微型斷路器實現自組網功能，除此之外，該系統還具有顯示、監測線路運行電流、電壓的功能；具有軟件升級和可通訊功能，可本地和遠程讀取設備基礎信息和用電信息；具有1路繼電器或輔助輸出開關接點可向終端管理設備提供設備的分合狀態信號；帶有單相電能表雙模通信模塊，且可熱插撥，內嵌的微功率無線模塊(藍牙模塊)，支持分簇自組網，網絡規模支持16個從節點，支持將從上行信道(高速電力線載波HPLC)發來的報文進行重新封裝發送至藍牙信道，支持藍牙信道接收到的報文進行重新封裝發送給上行信道。

2.2.2 用戶側微型斷路器

用戶側微型斷路器具有多種功能，比如通過該斷路器可以實現漏電流保護、過載保護、短路保護功能；能實時監測漏電流功能，漏電電流測量范圍為1—1 000 mA，測量精度不低于2 mA及2%；具備漏電保護功能智能投切功能；具備跳閘事件記錄和跳閘原因監控功能；具備溫度測量功能；能測量開關腔體內溫度，測量誤差不超過5度；具有微功率無線通信接口，能通過無線通信采集表后開關相關狀態和信息；采用微功率無線通信時能支持即插即用，并支持與表前開關實現自組網、具備開關狀態監測功能、漏電試跳、電壓測量、遠程升級功能。

2.2.3 基于居民負荷多面數據采集的互動需求響應

通過更換具備非侵入式用電行為感知技術的電能表，擴展相應的數據項，通過HPLC實現電能表與集中器的交互。通過負荷數據的采集、負荷特征的提取、負荷特征的匹配、識別結果的輸出四個步驟，對用戶各類負載情況進行實時監測與分析，其原理框架圖及算法框圖，如圖2、圖3所示。

圖2 非侵入式用電行為感知技術原理框架圖

圖3 非侵入式用電行為感知技術算法框圖

借助電能表MCU芯片，集成非侵入式檢測軟件，采用用電行為雙芯片設計方案電能表，包含MCU芯片、負荷開關控制芯片、計量芯片、485通信芯片、開關電源芯片，具備計量、存儲、用戶負荷監測和通訊功能。通過電能表進行電壓、電流數據采樣，不需額外增加互感器等設備[3]。

非侵入式負荷監測的本質是模式識別，核心是模式分類，其實現方式是通過利用機器學習解決模式的方法針對漏洞進行分類解決問題。通過數據采集，記錄負荷變化過程，然后進行特征提取，就是檢測用電設備對電流、諧波參數的影響形成什么樣的相量，根據提取到的相量進行特征庫比對，通過機器學習算法進行模式分類，確定該特征是屬于哪種電器。

2.2.4 無線傳感實現配電室環境采集監測

配電房環境監測系統以通信網關作為核心設備，通過智能傳感器和無線(ZigBee)本地自組網通信技術，實現門禁監控子系統等環境傳感數據形成統一數據交互平臺及聯動響應，后續可依托大數據及云服務技術，將通信網關的數據交互能力與監控平臺分析能力相結合，強化數據的采集和共享、分析服務，以“終端+平臺”的模式打造“互聯網+物聯網”的環境監控管理系統，推進環境智能監測采集技術在配變臺區的深度融合，構建配用電物聯網臺區智能化。配電房環境采集應用架構如圖4所示。

圖4 配電房環境采集應用架構

2.2.5 無源無線傳感實現變壓器狀態采集

依據變壓器的機械和電氣特性，通過加裝無源無線變壓器傳感器實時采集相關的非電氣量和電氣量數據，分析變壓器運行的數據，對變壓器可能發生的故障及時準確地做出預測，如果有異常信息會在配電自動化系統上進行告警提示，有效提升配電網運行的安全、穩定、經濟[4]。

變壓器監測系統主要由SF6監測傳感器、變壓器進出線、油溫、本體溫度監測傳感器等智能傳感器組成。

(1) 變壓器進出線接頭監測

變壓器進出線接頭因接觸不良、腐蝕等原因，容易發生熱故障，可采用無線測溫傳感器綁扎在電纜接頭進、出線處進行監測。

(2) 油浸變壓器本體監測

油浸變壓器本體發熱時，頂部溫度一般高于底部溫度，因此變壓器本體溫度的監測點選擇在變壓器頂部，安裝在變壓器頂部或測溫孔，監測頂部溫度或頂層油溫。

(3) SF6 監測傳感器

SF6 監測傳感器將通過采用多組新型高靈敏度紅外SF6傳感器的方法實現檢測功能，SF6 監測傳感器的使用具有多種優勢，比如當室內SF6及O2的濃度發生微小變化時，SF6 監測傳感器可以迅速發現并反饋給工作人員進行檢查，具有一定的研究價值。

2.2.6 智能三相平衡調節裝置提高用能質量

三相不平衡裝置治理功能通過實時監測裝置源側電流和負載側電流，根據電流值決策是否投用裝置，并對裝置投運效果評估，為保證提升電力物聯網的輸配電運行效率和電力能源價值，將通過基于物聯網技術的ASVG為用戶提供安全且穩定的持續供電。現低壓臺區的全相計算、指標監控、優化方案輸出、治理效果評價等功能，與PMS、GIS、用采系統貫通、互動，該方法的使用可以實現臺區的三相負荷監測、預警、分析、治理、評價等閉環管控機制，并且實現實時動態平衡。通該裝置應用，提高電能質量、改善低電壓、提高電動機效率、延長變壓器壽命；降低線損、降低變損。

2.3 通信能力擴展提升

2.3.1 基于采集規約擴展實現營配采集一體化

為支撐基于用電信息采集系統的泛在電力物聯網建設，需要對用采系統的通信規約進行擴展，在滿足用電信息采集基礎上擴展以滿足泛在配用電物聯網建設，實現營配采集一體化[5]。

對698規約和1 376.1/645規約進行擴展，規約中添加設備類型標志用于區分各類感知設備的類型，擴展其他相應采集數據項，制定各類設備的地址規則，確保同一臺區下所有設備地址無重復，滿足智能開關、智能漏保、動環監控裝置等各類感知設備數據采集。

各類感知設備與采集系統的通信有以下兩種實現方式。

(1) 使用4G模塊實現

多功能擴展模塊支持4G SIM卡插槽，模塊通過采集專網通信鏈路實現數據采集。

優點：采集終端無需升級；模塊可以直接與采集主站進行通信，可以有效突破老舊終端并發處理瓶頸。

缺點：4G網絡信號未覆蓋區域影響數據傳輸。

(2) 利用終端透明轉發功能實現

優點：無需加裝其他通訊設備，節約成本。

缺點：所有終端都需進行版本升級，以滿足擴展規約的通信。

2.3.2 SF6 監測傳感器提升智能感知接入安全

低壓臺區智能感知升級，通過復用基于用電信息采集系統“國網安全芯”密鑰方案實現安全通信。目前SF6 監測傳感器為提升智能感知設備的接入安全，將通過ESAM 進行實現，ESAM全稱為Embedded Secure Access Module，實際上指的是嵌入式安全控制模塊，通過該模塊的應用可以實現數據的存儲安全，嵌入式安全控制模塊的實質為DIP或者SOP芯片封裝的CPU卡芯片，通過將數據進行加解密以及終端身份的識別與認證，該模塊的使用最終可以提升智能感知設備的安全性能。為滿足低壓臺區智能感知升級，滿足臺區側類型終端、傳感器、智聯單元、智能開關等產品的安全接入需求，需要在相關智能感知層構建“國網芯”的低壓配電物聯網產品生態樹，建立安全、穩定、運行可靠的低壓臺區配電物聯網,如圖5所示。

圖5 國網安全芯產品系列

2.3.3 外置北斗位置定位模塊提供位置信息

隨著我國的不斷發展，最終可以確定當今世界在全球衛星定位領域上只有四套系統，在這四套系統中，隨中國北斗全球組網步伐的加速，其應用市場得到很大拓展。多功能智能擴展模塊帶外置北斗多模定位天線，實現終端的經緯度位置采集，可拓展了更多的應用場景。

3 基于泛在電力物聯網的配網可視化應用

3.1 精確到戶的分鐘級停電監測及數據可視化

依托現有的HPLC智能表配置電流監控任務，實現表后電流的分鐘級監控，依托大數據分析支撐表后停電研判。依靠智能開關和表后智能微型斷路器，結合各級開關跳合閘和停上電事件，實現全臺區從分路開關到用戶戶內開關各級停電故障的分鐘級研判，精準定位故障位置并確定跳閘原因，為低壓故障搶修效率和主動服務能力提升提供有力支撐。

基于用戶停電監測數據、臺區停電監測數據和定位信息，與GIS系統數據相結合，對停電用戶、臺區在GIS地圖中進行展示。以停電計劃數據為基準，通過對停電數據的比較分析，在用戶停電分布密集的區域，可以進一步研判是否配變異常停電并支撐配變供電搶修工作。在臺區停電相對密集區域，可以通過對周邊臺區運行狀態召測，來分析線路是否異常停電，并支撐線路供電搶修工作的開展。

3.2 低壓臺區多層拓撲建模與綜合分析

基于多功能智能擴展模塊的北斗定位信息，結合HPLC網絡節點數據、GIS系統數據、3D地圖數據，可對各類感知設備進行拓撲網絡圖進行繪制，分別繪制電氣設備拓撲圖、通信設備網絡拓撲圖、3D地圖臺區拓撲圖、基于GIS的臺區拓撲圖，拓撲結構從配變到低壓用戶(臺區配變→分支箱→表箱→戶表),實時顯示開關狀態、線路狀態及戶表檔案信息。實現臺區下所有感知設備物理位置拓撲關系展示[6]。

3.3 業擴報裝與供電指揮服務集成可視化建設

業擴報裝與供電指揮服務集成可視化建設將通過系統的集成應用，將其進行融合，從而實現客戶對于電力物聯網的訴求，完善業擴流程規范，使供電服務質量監督與管控等跨專業協同環環相扣、無縫對接、全過程實時預警和評價，打造電力企業核心力，進一步提升客戶滿意度。通過統一化地對數據進行實時采集，并利用其高效的分析計算能力為供電服務指揮中心提供各項業務分析計算組件，供電服務指揮系統通過其數據接口服務獲取數據用于事件研判和高級分析；一體化“國網云”平臺包含對集中式架構和分布式架構的完整支撐，可以實現微應用的實現。

3.4 供電可靠性分析

對不同電壓等級的供電電壓超出偏差限值的情況進行統計，綜合計算各單位電壓合格率，按照單位、區域、時間、變電站、線路、臺區等維度，統計電壓異常的時長、次數，按照單位、區域、時間、變電站、線路、臺區等維度，統計電壓異常的時長、次數。 通過停電計劃優化、精細化停送電監測管理兩方面措施，降低戶均停電次數、停電時長，降低重大/敏感停電事件引發服務風險概率，提升供電可靠性[7]。

4 總結

隨著國家的迅速發展，我國的物聯網將基于泛的基礎上實現通信網與互聯網的拓展應用和網絡延伸。除此之外，為了促進我國電力物聯網可以順應能源革命和數字革命融合發展趨勢，我國電力物聯網應將打造“三型兩網，世界一流”企業視為重中之重，為保證基于泛在電力物聯網可以為電網安全經濟運行、提高經營績效、改善服務質量，本文將通過泛在物聯網的建設思路進行文章的開端，針對提升泛在電力物聯網中的感知技術的目的，將采用對低壓末端智能感知設備技術進行研究的方法，具有重要研究價值。