智能網關在配網供電可靠性評估與策略優選算法中的應用

陳觀壽

（廣東順暢科技有限公司，廣東 江門 529000）

配電智能網關是一種具備快速接入、運維便捷以及本地智能特點的融合網關，從數據采集源頭解決多源異構數據的融合問題，基于融合后的多源數據實現更精確的狀態監測、 更高效的智能運維管控，從而實現配電房的自動巡檢與預測性檢修功能，減少人工運維成本， 提升供電質量、用電客戶滿意度以及配網精益化管理水平。

1 智能網關的特點與基本技術

智能網關架構的基本組成如圖1所示。核心硬件層主控制器采用32位或64位RISC CPU的基于ARM系列的處理器，該處理器具有低功耗、高運算能力、高集成度、支持睡眠模式以及主動省電模式等特點。該處理器具有多個處理核心且片內集成高速緩存（I/D）/MMU、多級流水線（VFP）、DDR內存控制器、高速USB控制器/PCIE控制器、高速千兆網卡控制器以及485/232串口控制器等硬件邏輯控制器。軟件平臺層主要包括Linux操作系統、容器引擎等。

智能網關中智能應用處理器內部集成了豐富的外圍接口（包括RS232、RS485、RJ45以及DI/DO），智能網關內置的智能協議棧，通過調用相應的硬件驅動接口獲取與外界相連的各類傳感器，通過協議棧來對接外部傳感器的通信協議，以獲取傳感器的設備信息（包括傳感器設備的名稱、設備類型以及傳感器數據等信息），應用服務程序對從外界獲取的物聯網設備信息進行統一化管理、存儲，并以標準的MQTT協議來與外部進行通信，通過內置硬件安全加密引擎實現對數據的安全傳輸和安全智能化管理[1]。

2 網供電系統中智能網關的應用實踐

利用智能網關強大的硬件資源實現可靠性評估計算與策略優選算法等邊緣智能計算高級功能。主要包括低壓臺區拓撲識別、線損管理、停電故障精準定位、三相不平衡以及臺區重過載等。

2.1 智能網關在低壓臺區拓撲識別優選算法的應用研究

該方案利用智能網關強大的硬件資源，通過策略優選算法等邊緣智能計算方法實現低壓拓撲識別。利用通信技術特性、實時強耦合電氣通信特性構造100%準確低壓電氣拓撲，并且自動實時更新。

軟件程序預先設置好閉合開關的順序以及記錄好所有開關的ID，所有拓撲開關節點均安裝在電源側，且所有開關處于斷開狀態。

按預設順序進行合閘操作。智能網關收到由集中器轉發的臺區的所有電表復電信息。根據復電信息查詢電表的上電時間。

根據上電時間區分變戶關系。戶變關系策略優選算法是在載波模塊上電后，模塊內的計數器開始運行（直至下次斷電再重置，中間重啟計數不停止）。以智能網關的時間為基準，網關統一下發廣播指令，并凍結當前計數值，查詢每個載波模塊計數器的當前計數值，模塊上電時間等于智能網關當前時間減去模塊計數器計數時間，模塊上電時間即是電表復電時間，電表與網關之間的通信傳輸時間可忽略不計。智能網關程序設計流程如圖2所示。

圖2 程序設計流程圖

2.2 智能網關在線損計算方面的應用研究

在計算臺區同期線損的過程中，供售電能量使用的同一時刻電能量的計算方法是目前電網企業廣泛采用的線損計算方法。利用數據分析等智能手段，加強線損管理，切實提升企業的經濟效益。在智能網關中主要算法如公式（1）～公式（4）所示。

2.3 智能網關在停電故障精準定位算法中的應用研究

2.3.1 臺區停電告警

臺區停電告警能通過智能網關自行研判臺區停電，時間小于3 min，只需要主動上報臺區停電告警，不需要上報分支和電表停電告警，具體步驟如下：1）實時監測臺區電壓。2） 當電壓低于額定電壓的60%時，網關即可產生臺區停電上報事件，并記錄停電時間。3） 臺區復電后，網關通過透傳下行表計的上電記錄對表計的上電時間和網關記錄的停上電記錄進行研判，誤差小于5 min，將其標記為有效的上電記錄，并上報主站。

2.3.2 分支停電告警

分支停電告警能通過智能網關自行研判某分支停電，時間小于3 min，只需要主動上報某分支停電告警，不需要上報分支后電表的停電告警，具體步驟如下：1）分支發生停電后，故指載波模塊上報停電事件。2） 網關接收到故指停電事件上報后對該分支電表節點進行透傳采集電壓，采集失敗或者采集電壓低于額定電壓的60%時，則產生分支停電上報事件，同時過濾分支下表計停電信息且不上報該信息。3）分支發生復電后，故指、表計載波模塊上報復電事件；網關接收到故指/表計復電事件上報后對該分支電表節點進行透傳采集電壓，采集成功或者采集電壓高于額定電壓的60%時，則產生分支復電上報事件，同時過濾分支下表計復電信息且不上報該信息。

2.3.3 電表停/復電告警

電表停/復電告警能實現停電告警主動上送，時間小于1.5 min，具體步驟如下：1）電表停電后，載波模塊上報停電事件。2）網關接收到停電事件上報后存儲相關信息，并上報主站。3）電表發生復電后，載波模塊上報復電事件，網關接收到復電事件上報后存儲相關信息并上報主站。

2.4 智能網關在三相不平衡監測方面算法的應用研究

臺區電流三相不平衡，通過智能網關RS232/485接口直接讀取智能配變終端數據。

2.4.1 日三相不平衡臺區

Yyn0接線的配變每T min斷面值的三相不平衡度在15%以上，Dyn11接線的配變每T min斷面值的三相不平衡度在25%以上，當日出現次數不小于4次（1 h）時，則判斷該配變當日三相負荷不平衡（例如臺賬無法區分Yyn0接線和Dyn11接線，則都按15%來判斷）如公式（5）所示。

2.4.2 月平均三相不平衡臺區定義

1個自然月內累計出現5 d及以上三相不平衡且該配變月平均負載率在20%以上。

求解月平均三相不平衡度，即對當月的日平均三相不平衡度求均值，如公式（6）所示。

2.4.3 年平均三相不平衡臺區

求解年平均三相不平衡度，即對當年的月平均三相不平衡度求均值，如公式（7）所示。

分支電流三相不平衡度如公式（8）所示。

2.4.4 三相不平衡換相

如圖3所示，假設所在臺區具備換相功能的智能開關。在DM5Z智能開關下的A相、B相和C相分別安裝不同功率的用電設備，DZ3智能換相開關下裝有一定功率的負荷，DN-600多功能智能邊緣計算網關通過485讀取DM5Z提供的三相電流量信息，判別DM5Z智能開關下的負荷不平衡狀況以及最小矢量的相別，形成三相不平衡矢量信息圖（電流的幅值和相位），同時對最佳負載匹配進行計算，即對DM5Z智能開關所帶的DZ3智能換相開關進行換相負荷平衡調節，實現三相平衡，并呈現相關結果[2]。邊緣計算網關根據DM5Z提供的三相電流量信息計算最佳換相方案并給DZ3智能換相開關下發換相指令，自動調節負載供電相位，達到三相負荷平衡。同時，網關記錄換相事件，將其保存在告警信息列表中以供查詢。

圖3 臺區換相測試架構圖

2.5 智能網關在臺區重過載方面算法分析的應用研究

配變重過載主要是由配變容量小、負荷發展迅速而引起的。負載率如公式（9）所示。

通過有功和無功功率計算，負載率如公式（10）所示。

2.5.1 臺區重載（直接讀取配變終端遙測數據，遙測信息持續1 h輸出告警信息（遙信））

日重載判斷規則如下：配變每T min斷面值的負載率不小于80%，干變當日出現次數不小于4次（1 h）、油變出現次數不小于8次（2 h）且不滿足過載的判斷條件。

月重載判斷規則如下：如果1個自然月內重載天數加過載天數等于10 d及以上且當月不屬于過載或長時間過載，就可以判定該配電變壓器當月重載。

2.5.2 臺區過載（直接讀取配變終端遙測數據，遙測信息持續1 h輸出告警信息（遙信））

日過載判斷規則如下：配變每T min斷面值的負載率在 100%以上，干變當日出現次數不小于4次（1 h），油變出現次數不小于8次（2 h），就可以判斷該配變當日過載。

月過載判斷規則如下：如果1個自然月內累計出現10 d及以上且小于20 d過載，就可以判定該配電變壓器當月過載，如果1個自然月內累計出現20 d及以上過載，就可以判定該配電變壓器當月長時間過載[3]。

3 智能網關系統優化思考

新型的智能網關采用硬件平臺化、軟件容器化的技術架構，基于邊緣計算、云計算等先進技術，支持就地數據存儲與決策分析，可實現配電網的智能管理，具備可靠性、經濟性、擴展性、通用性以及智能化等特性。利用這類新型智能網關系統可以達成在配網供電多異構終端快速接入的目標，從而提升配網供電的可靠性。新型智能網關應與下一代智能電表、集中器相結合，兼容各類外設智能電子設備的通信規約，利用硬件資源優勢滿足電力行業實時業務、低時延、數字化以及安全加密等需求，且智能網關硬件功耗低、結構簡單、使用成本低以及維護少，能夠有效提升配電網智能化水平及效率。

4 結語

通過拓展智能網關高級算法應用，緊密結合低壓建設、運維痛點和盲點，選取低壓電氣拓撲自動更新功能作為突破點，利用新一代低壓寬帶載波技術、近距離無線定位集群技術特性，通過構造智能低壓載波通信物理網絡將智能開關電氣狀態監測量同步推送至調度低壓可視化平臺，同時整合計量自動化系統、營銷管理系統數據，實現低壓電氣拓撲自動更新、低壓定值自動下發、低壓故障自動隔離以及班組遠程監控等功能，切實解決低壓運維效率低、人手不足問題。同時，也為未來低壓資產智能電子化移交提供技術解決思路。