臺區(qū)智慧物聯(lián)應(yīng)用研究

蔡 超，艾福洲，余福振，王之偉

（1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司，湖北 武漢430000；2.山東省煙臺市東方電子股份有限公司，山東 煙臺264010）

隨著社會的發(fā)展，用戶的用電需求已經(jīng)從“有電用”轉(zhuǎn)向“用好電”，這就要求臺區(qū)具備故障快速處理、線損精益化管理、電能質(zhì)量優(yōu)化、自主綜合監(jiān)控等功能，在具備上述功能后，供電質(zhì)量和供電可靠性可以進(jìn)一步得到保障。

近年來，電力系統(tǒng)正在穩(wěn)步推進(jìn)老舊臺區(qū)信息化、自動化改造，探索臺區(qū)線損分析、拓?fù)渥R別、故障定位保護(hù)等應(yīng)用，提出了智慧物聯(lián)臺區(qū)成套化、標(biāo)準(zhǔn)化的建設(shè)理念。然而，隨著電網(wǎng)規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大和大量新能源的不斷接入，現(xiàn)有臺區(qū)在供電安全、經(jīng)濟(jì)運行以及電能質(zhì)量方面出現(xiàn)了或多或少的問題，比如，臺區(qū)的電氣設(shè)備智能監(jiān)測范圍僅包含配電變壓器附近的設(shè)備，沒有覆蓋到靠近用戶側(cè)的低壓配電網(wǎng)，低壓側(cè)的服務(wù)、通信以及設(shè)備缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各生產(chǎn)廠家的服務(wù)架構(gòu)以及設(shè)備接口難以做到兼容，這使得臺區(qū)難以進(jìn)行靈活的升級。配電臺區(qū)需要進(jìn)行大量的實時數(shù)據(jù)傳輸，但本地的通信又沒有足夠的帶寬和傳輸速率，導(dǎo)致配電臺區(qū)不能做到實時交互。

在此背景下，智慧物聯(lián)臺區(qū)的概念應(yīng)運而生。臺區(qū)智慧物聯(lián)以配電物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，其目的是提升供電質(zhì)量、運營效率并改善用戶體驗。智慧物聯(lián)臺區(qū)采用的技術(shù)很多，比如通信技術(shù)、能源儲輸技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在采用了這些技術(shù)之后，臺區(qū)將會更加清潔化和智能化。

配電物聯(lián)網(wǎng)是新時代電力工業(yè)發(fā)展的主要趨勢。在新的發(fā)展環(huán)境下，世界范圍內(nèi)正在發(fā)生新一輪的能源革命，其特征是大規(guī)模開發(fā)和使用新能源。對于電氣化，重點是用電替代煤炭和石油，對于再電氣化，重點是建設(shè)低碳排放，清潔，高效和智能化的現(xiàn)代綠色能源系統(tǒng)。在此過程中，存在著許多新挑戰(zhàn)，例如客戶的多級服務(wù)需求以及消納清潔能源時的巨大壓力，這使得管理配電網(wǎng)的傳統(tǒng)方式難以滿足電力系統(tǒng)的發(fā)展需求。新時代的配電網(wǎng)需要使用云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)的信息技術(shù)來改善配電網(wǎng)的運營管理和維護(hù)，以滿足能源轉(zhuǎn)換的需求。

1 智慧物聯(lián)臺區(qū)關(guān)鍵技術(shù)

1.1 臺區(qū)拓?fù)渥R別

分布式智能終端可以向配電網(wǎng)中注入拓?fù)涮卣餍盘枺⒕邆涓呔鹊亩嗦凡杉芰Α；诠残畔⒛Ｐ偷恼Z法結(jié)構(gòu)，確定模型的映射規(guī)則，將識別到的中間文件傳輸至公共信息模型。在智能終端發(fā)出啟動命令后，各個節(jié)點開始檢測電流和電壓，并注入無功信號，收集注入信號后的信息，將收集到的信息傳輸至智能配變終端單元，智能配變終端單元進(jìn)行邊緣計算和識別，構(gòu)建了臺區(qū)拓?fù)淠Ｐ椭笾悄芘渥兘K端單元會將該模型傳輸至主站，電氣接線圖會根據(jù)上傳的信息自動生成。臺區(qū)拓?fù)渥R別系統(tǒng)硬件原理如圖1 所示，識別信號如圖2 所示。

圖1 硬件原理

圖2 識別信號

主站側(cè)會對上傳信息的拓?fù)潢P(guān)系、語法語義、字符編碼進(jìn)行驗證，驗證通過后主站結(jié)合數(shù)據(jù)建模和電氣建模便會生成低壓拓?fù)洌诘蛪和負(fù)渲髡緯詣油瓿膳_區(qū)接線圖的繪制，其具體過程如圖3 和圖4 所示。

圖3 特征注入與識別的數(shù)學(xué)模型

圖4 拓?fù)滢D(zhuǎn)化

1.2 邊緣計算終端

在配電變壓器出現(xiàn)側(cè)部署有智能配電變壓器終端，對用戶智能電表和配電變壓器之間的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，這使得進(jìn)行邊緣計算成為可能，這也是智慧物聯(lián)臺區(qū)的架構(gòu)核心。內(nèi)置邊緣計算平臺，消除了硬件之間的差異，使得軟件的接口得以統(tǒng)一，由于采用了信息交互總線，信息的交互速率得以保證，軟件結(jié)構(gòu)如圖5 所示。為實現(xiàn)終端內(nèi)營銷、運檢等業(yè)務(wù)的獨立進(jìn)行，終端內(nèi)部署有多個容器，運用chroot 創(chuàng)建虛擬文件系統(tǒng)，使各個容器中的文件系統(tǒng)相互隔離，但各個容器中的文件系統(tǒng)可以共享位于底層的文件系統(tǒng)。采用此架構(gòu)的邊緣計算軟件可以更高效地進(jìn)行邊緣計算。

圖5 邊緣計算軟件結(jié)構(gòu)

1.3 主動搶修低壓故障

智慧物聯(lián)臺區(qū)以相應(yīng)的配電物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，實時對線路故障信息和用戶停復(fù)電信息進(jìn)行收集，也可以自動化研究和判斷臺區(qū)存在的低壓故障。完成判斷結(jié)果的整理后，生成主動搶修工單，故障搶修人員在接到工單后快速進(jìn)行故障搶修工作。智慧物聯(lián)臺區(qū)可準(zhǔn)確識別低壓故障的類型，還可以準(zhǔn)確地進(jìn)行故障定位，從而使得故障停電時間得以縮短，故障搶修效率得到提高。

2 智慧物聯(lián)臺區(qū)應(yīng)用實踐

目前，在北京、上海、浙江、江蘇、山東、寧夏、福建等國家電網(wǎng)公司開展了基于物聯(lián)網(wǎng)的配電臺區(qū)管理試點應(yīng)用，已經(jīng)完成了五千多個臺區(qū)的智能化改造，已有二十萬臺低壓智能設(shè)備接入到配電臺區(qū)。除此之外，還開發(fā)和審核評價了多款智能管理軟件，故障的研判時間由分鐘級縮短至秒級，臺區(qū)實現(xiàn)了低壓設(shè)備的快捷互通。在進(jìn)行了臺區(qū)的智慧互聯(lián)之后，主站可全面掌控配電變壓器及其周圍設(shè)備的信息，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與臺區(qū)做到了有機(jī)結(jié)合。智慧物聯(lián)臺區(qū)的建設(shè)范圍主要有用戶側(cè)、低壓線路側(cè)、配變側(cè)。

2.1 用戶側(cè)部分

對于用戶側(cè)，需要將物聯(lián)網(wǎng)型智能斷路器安裝于用戶進(jìn)線處，智能型微斷路器安裝于表后開關(guān)，以實時監(jiān)測開關(guān)位置、電流大小、進(jìn)出線電壓大小，通過無線傳輸物聯(lián)網(wǎng)通信單元將會接收智能斷路器發(fā)出的信息，通信單元通過相應(yīng)的通信模塊將信息傳輸至智能配變終端。

儲能單元通過配置物聯(lián)網(wǎng)通信單元可以實時監(jiān)測儲能單元的電量及運行狀態(tài)，儲能單元的狀態(tài)信息將會被傳輸至智能配變終端。

2.2 低壓線路側(cè)部分

三相電流互感器和分布式臺區(qū)智能終端配置于低壓分支箱，實時監(jiān)測線路的電流和電壓，當(dāng)電流和電壓出現(xiàn)異常時迅速報警，除此之外，線路側(cè)部分還具有注入拓?fù)湫盘柕墓δ埽ㄟ^反饋的信息可以進(jìn)行信號識別，所得信息經(jīng)相應(yīng)的通信模塊傳輸至智能配變終端。

2.3 配變側(cè)部分

配變側(cè)的建設(shè)范圍主要為低壓開關(guān)柜、配電變壓器以及其他的電氣設(shè)備。

（1）將聯(lián)絡(luò)柜、進(jìn)出線開關(guān)柜、智能電容柜配置于配電室，框架式斷路器配置于聯(lián)絡(luò)柜、進(jìn)線柜，除此之外，還需配置相應(yīng)的通信元件，以使斷路器擁有通信功能。

（2）兩臺智能配變終端配置于配電室，以使配電變壓器的電氣量處于監(jiān)測之下，為臺區(qū)的邊緣計算提供數(shù)據(jù)。

（3）開啟式電流互感器以及分布式智能終端配置于低壓出線柜，智能配變終端與分布式智能終端之間采用HPLC 通信方式。

（4）溫濕度傳感器配置于配電室的墻上，煙霧傳感器配置于天花板上，水位傳感器配置于電纜槽中，各傳感器實時監(jiān)測站室內(nèi)的狀態(tài)，經(jīng)通信單元將信息傳輸至智能配變終端。

（5）通過控制裝置將站室內(nèi)的智能電容接入到智能配變終端。

（6）無線測溫裝置配置于進(jìn)出線柜，并與智能配變終端相連。

3 結(jié)束語

本文對臺區(qū)智慧物聯(lián)的應(yīng)用進(jìn)行了研究，首先分析了臺區(qū)智慧物聯(lián)的關(guān)鍵技術(shù)，具體有臺區(qū)拓?fù)渥R別、邊緣計算終端以及主動搶修低壓故障。還進(jìn)行了臺區(qū)智慧物聯(lián)的應(yīng)用實踐，智慧物聯(lián)臺區(qū)的建設(shè)范圍主要有用戶側(cè)、低壓線路側(cè)、配變側(cè)，本文詳細(xì)列出了各側(cè)所需安裝的元件及設(shè)備。