低壓配電網(wǎng)透明化及智能化運(yùn)維關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)踐

南方電網(wǎng)電力科技股份有限公司 陳 文 尤 毅 胡春潮 宋旭東 韓博文

1 介紹

目前，人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展面臨以傳統(tǒng)化石能源濫用所帶來的環(huán)境問題以及可再生能源消納能力不足所面臨的能源問題[1]。以數(shù)字化信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將電能發(fā)、輸、配、變、用、儲(chǔ)等各個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)施連接在一起，通過智能化控制實(shí)現(xiàn)電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)與用戶側(cè)等資源效益最大化，實(shí)現(xiàn)多方共贏的目的，這就是智能電網(wǎng)的思想[2]。

當(dāng)前，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)、人工智能為智能電網(wǎng)注入新的內(nèi)涵，國內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)及眾多電網(wǎng)公司紛紛開始進(jìn)行“云大物移智”等新技術(shù)的應(yīng)用。南方電網(wǎng)提出了“透明電網(wǎng)”概念，即為利用信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、電子控制技術(shù)、自動(dòng)控制理論、運(yùn)籌學(xué)、人工智能、互聯(lián)網(wǎng)等有效的綜合運(yùn)用于電力系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的可見、可知、可控[2]。

2017年南方電網(wǎng)廣東電網(wǎng)公司全面啟動(dòng)智能電網(wǎng)示范建設(shè)，智能電網(wǎng)是將現(xiàn)代先進(jìn)的傳感測(cè)量、通訊、信息、計(jì)算機(jī)和控制技術(shù)與物理電網(wǎng)高度集成而形成的新型電網(wǎng)。廣東電網(wǎng)公司將在佛山、珠海、東莞、中山、韶關(guān)、云浮和汕頭建設(shè)7個(gè)智能電網(wǎng)示范區(qū)，涵蓋城市、農(nóng)村和海島等不同類型區(qū)域，為智能電網(wǎng)建設(shè)探索路徑[3]。

目前而言，對(duì)于電網(wǎng)中的主網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的智能化改造已經(jīng)基本完成，而對(duì)于400V的智能化改造仍顯不足，主要表現(xiàn)為低壓電力搶修不及時(shí)、低壓電能質(zhì)量較差、低壓線損較高、電力設(shè)備資產(chǎn)臺(tái)賬混亂等諸多問題。該部分電網(wǎng)的建設(shè)成效將直接影響到客戶服務(wù)水平和客戶滿意程度。另外由于低壓電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，點(diǎn)多面廣等多種問題而導(dǎo)致低壓?jiǎn)栴}尚未得到良好的解決。近期，隨著國家電網(wǎng)“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”、南方電網(wǎng)“透明電網(wǎng)”概念的提出，眾多研究機(jī)構(gòu)均提出了相應(yīng)的解決方案。以“云管邊端”作為基本架構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)路線，即以底層感知物理層作為最底層感知終端，以微功率無線或者電力載波作為臺(tái)區(qū)管理的“通訊管道”，以臺(tái)架智能終端作為低壓臺(tái)區(qū)的管理終端，以高速無線網(wǎng)絡(luò)或者光纖作為臺(tái)架邊與云端的連接管道的技術(shù)路線，在實(shí)現(xiàn)低壓臺(tái)區(qū)的智能化、透明化改造，解決低壓臺(tái)區(qū)面臨的低電壓、三相不平衡、線損過高、低壓網(wǎng)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜、搶修不及時(shí)等問題具有顯著的優(yōu)勢(shì)。筆者所在的單位承接了國內(nèi)某智能電網(wǎng)項(xiàng)目，其中低壓配電泛在物聯(lián)作為該項(xiàng)目中重點(diǎn)打造的項(xiàng)目，筆者所在的公司在前期策劃、設(shè)備研發(fā)和集成、中期工程實(shí)施、以及后期消缺等工作中發(fā)揮了積極的作用，較好地實(shí)現(xiàn)了低壓拓?fù)渥R(shí)別、故障主動(dòng)告警、電能質(zhì)量就地解決等功能，達(dá)到了低壓配電智能化的改造目的。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的低壓臺(tái)區(qū)智能化架構(gòu)體系

2 本公司提出的技術(shù)路線及關(guān)鍵設(shè)備

下面根據(jù)文中所提出的技術(shù)路線，對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了討論。

底層電表模塊主要實(shí)現(xiàn)電表數(shù)據(jù)采集、故障主動(dòng)告警、相位識(shí)別等功能，在本次工程應(yīng)用中創(chuàng)新性地運(yùn)用拓?fù)渥詣?dòng)識(shí)別技術(shù)。目前在低壓配電網(wǎng)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)拓?fù)渥R(shí)別的方法主要有：特征電流法、分支電流分析法以及特征信號(hào)法。

特征電流法即為在臺(tái)區(qū)邊緣計(jì)算終端指令下拓?fù)渥R(shí)別模塊產(chǎn)生一種具有特征的電流如畸變電流、短路電流等，在分支上安裝相應(yīng)的檢測(cè)裝置對(duì)特征電流進(jìn)行檢測(cè)，然后將檢測(cè)到的信號(hào)傳遞至臺(tái)區(qū)邊緣計(jì)算終端，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)末端的拓?fù)渥R(shí)別。該方法實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單，然而畸變電流一方面其能耗較高，勢(shì)必增加配電網(wǎng)絡(luò)線損；另一方面，由于低壓配電設(shè)備復(fù)雜，電力電子原件、光伏等新能源日趨增多，其所產(chǎn)生的電力諧波對(duì)如畸變電流等特征電流進(jìn)行檢測(cè)并正確識(shí)別在技術(shù)上提出了一定的挑戰(zhàn)。

分支電流分析法在分支處加裝一套CT對(duì)分支電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)借助高級(jí)量測(cè)體系對(duì)戶表電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)分支處以及戶表處進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，提取相應(yīng)的特征量，然后對(duì)低壓拓?fù)湫畔⑦M(jìn)行分析。該方法依賴于戶表電流，實(shí)現(xiàn)方法較簡(jiǎn)單，然而目前基于輪詢的量測(cè)體系無法保證分支電流以及電表電流在同一時(shí)間斷面，所得到的拓?fù)浞治鼋Y(jié)果準(zhǔn)確性有待提升。

特征信號(hào)法是采用先進(jìn)的通信技術(shù)，在進(jìn)行拓?fù)渥R(shí)別時(shí)臺(tái)區(qū)邊緣計(jì)算終端下發(fā)廣播信號(hào)，終端拓?fù)溲b置在接收邊緣終端信號(hào)后產(chǎn)生包含自身信息的特征信號(hào)，并向上傳輸，并在分支處加裝相應(yīng)的檢測(cè)裝置，在分支處監(jiān)測(cè)到相關(guān)信號(hào)后向臺(tái)區(qū)邊緣計(jì)算終端傳輸，由此進(jìn)行層層解析得到整個(gè)拓?fù)浞治鼋Y(jié)果。該方法實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單，拓?fù)浞治鼋Y(jié)果準(zhǔn)確率較高。

分支智能感知設(shè)備主要檢測(cè)底層拓?fù)渥R(shí)別模塊所產(chǎn)生的拓?fù)湫盘?hào)并將該信號(hào)傳送至TTU，另一方面，檢測(cè)所裝處的電氣量信號(hào)，為分段線損、故障精準(zhǔn)定位、電能質(zhì)量精細(xì)化治理等高級(jí)應(yīng)用提供技術(shù)基礎(chǔ)。

臺(tái)區(qū)邊緣計(jì)算終端負(fù)責(zé)整個(gè)臺(tái)區(qū)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)上送，具備對(duì)配變主站和下層終端設(shè)備的即插即用功能。具體而言如下：具備上行和下行數(shù)據(jù)通道，支持與集中器通信，支持遠(yuǎn)程升級(jí)和系統(tǒng)設(shè)置功能、上送設(shè)備異常信息、停電信息主動(dòng)告警、發(fā)起并管理低壓拓?fù)渥詣?dòng)識(shí)別任務(wù)、接收拓?fù)渥R(shí)別模塊的拓?fù)渥R(shí)別信號(hào)反饋確認(rèn)信息，生成低壓臺(tái)區(qū)CIM模型并與主站交互等功能。

3 工程示范及其效果

在本次智能電網(wǎng)示范區(qū)中采用以上配置進(jìn)行臺(tái)區(qū)透明化智能化改造，實(shí)現(xiàn)的效果如下。

3.1 變—線—戶拓?fù)潢P(guān)系識(shí)別

臺(tái)區(qū)智能終端發(fā)起拓?fù)渥R(shí)別開始流程，從戶表處拓?fù)渥R(shí)別模塊開始到分支箱，逐個(gè)產(chǎn)生定向電力載波信號(hào)，其它拓?fù)渥R(shí)別模塊開始檢測(cè)定向電力載波信號(hào)，記錄并報(bào)告給臺(tái)區(qū)智能終端，臺(tái)區(qū)智能終端通過收集到的信息，根據(jù)前后邏輯關(guān)系，生成臺(tái)區(qū)物理拓?fù)潢P(guān)系，并生成拓?fù)潢P(guān)系描述文件上傳給主站，主站根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系描述文件，生成拓?fù)湔故維VG圖。

圖2 拓?fù)渥R(shí)別流程及結(jié)果

圖3 主動(dòng)停電上報(bào)

3.2 精細(xì)線損分析

通過在分支處加裝智能分支監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)分支處電氣量數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并通過DLT 645規(guī)約將采集到的數(shù)據(jù)上傳至臺(tái)區(qū)智能終端。臺(tái)區(qū)智能終端通過集中器集抄統(tǒng)計(jì)分支下所接電表數(shù)據(jù)并與分支電氣量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算即可統(tǒng)計(jì)分支線損，可將臺(tái)區(qū)線損進(jìn)行精細(xì)化線損分析。

3.3 故障定位

本次采用的電表載波模塊內(nèi)置超級(jí)電容器，具有停電主動(dòng)上報(bào)的功能，可輔助判斷用戶停電是表前故障還是表后故障，若為表前故障則載波模塊會(huì)發(fā)送停電告警信息，若為表后故障則載波模塊無停電告警信號(hào)產(chǎn)生。配電箱處各支路安裝拓?fù)渥R(shí)別模塊，可以主動(dòng)上送停電信息給臺(tái)區(qū)智能終端，結(jié)合拓?fù)潢P(guān)系，精準(zhǔn)判斷低壓停電事件及準(zhǔn)確定位停電范圍，并在GIS沿布圖上展示，變被動(dòng)投訴告警為停電主動(dòng)上報(bào)，提高了低壓臺(tái)區(qū)運(yùn)維的便利性。

在該方法中由于超級(jí)電容的容量大小限制，只能上報(bào)30塊表的停電信息至集中器處，若發(fā)生告警的戶數(shù)超過30戶，則由于載波信道的擁堵無法接收所有停電告警信息。一般而言，在此情況下臺(tái)區(qū)智能終端對(duì)電表帶電狀態(tài)進(jìn)行輪詢，然而輪詢的速度較慢，無法滿足臺(tái)區(qū)快速搶修的要求。而作為另一種故障定位的方法，可將低壓戶表分段安裝含超級(jí)電容器的載波模塊，從而將臺(tái)區(qū)分成若干段。在某一段低壓線路出線故障時(shí)，臺(tái)區(qū)側(cè)則能收到停電告警信息，這樣避免了臺(tái)區(qū)側(cè)超過30塊表停電時(shí)所造成的通信擁堵同時(shí)也解決了輪詢所帶來的告警延時(shí)。

3.4 三相不平衡治理

本次電表載波模塊具有相序識(shí)別的功能，結(jié)合拓?fù)渥R(shí)別裝置和電氣量采集裝置即可對(duì)臺(tái)區(qū)和分支三相負(fù)荷是否平衡進(jìn)行判斷。在三相負(fù)荷不平衡的情況下通過電力電子換相開關(guān)即可實(shí)現(xiàn)三相不平衡治理。

3.5 漏電監(jiān)測(cè)

在分支處加裝低壓分支開關(guān)對(duì)低壓線路的故障進(jìn)行保護(hù)，在線路出現(xiàn)漏電情況下即可實(shí)現(xiàn)開關(guān)的自動(dòng)分閘，這樣既保護(hù)了用電者安全，也能減少故障影響的范圍。在分支側(cè)所配置的低壓智能分支監(jiān)測(cè)箱以及低壓智能分支控制箱均具有漏電監(jiān)測(cè)的功能，所不同之處在于低壓智能分支監(jiān)測(cè)箱只能對(duì)漏電事故進(jìn)行監(jiān)測(cè)，無法對(duì)漏電線路進(jìn)行分?jǐn)啵欢蛪褐悄芊种Э刂葡鋭t具有漏電保護(hù)功能，在發(fā)生漏電事故后即可將開關(guān)斷開，從而對(duì)觸電人畜進(jìn)行保護(hù)。

4 低壓配電物聯(lián)網(wǎng)未來發(fā)展展望

智能電網(wǎng)可以通過一個(gè)數(shù)字化信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將發(fā)電、輸電、配電、變電、供電、售電、蓄能與能源終端用戶的各種電氣設(shè)備賀其他用能設(shè)施連接在一起，通過智能化控制實(shí)現(xiàn)精確供能、對(duì)應(yīng)供能、互助供能和互補(bǔ)供能，將能源利用效率和能源供應(yīng)安全提高到全新的水平，將污染與溫室氣體排放降低到環(huán)境可以接受的程度，使用戶成本和投資效益達(dá)到一種合理的狀態(tài)[4]。智能電網(wǎng)利用先進(jìn)的技術(shù)提高電力系統(tǒng)在能源轉(zhuǎn)換效率、電能利用率、供電質(zhì)量和可靠性方面的性能，是經(jīng)濟(jì)和技術(shù)發(fā)展的必然[2]。隨著我國特高壓電網(wǎng)的建設(shè)和電力體制改革的不斷深化，智能電網(wǎng)已成為最近十來年我國電網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)新方向。

隨著特高壓電網(wǎng)建設(shè)的逐步完成以及電力體制改革，配用電網(wǎng)改造日趨緊迫。目前中國電網(wǎng)在配網(wǎng)自動(dòng)化、配網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)檢修、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)、智能巡檢等方面亟待升級(jí)。在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)方面，智能傳感是泛在電力物聯(lián)網(wǎng)感知層的核心基礎(chǔ)技術(shù)[5]。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是以數(shù)據(jù)為中心，需要智能物聯(lián)網(wǎng)終端全面采集電力系統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)[6]。

在本次示范工程中，底層傳感器的投入占總設(shè)備投入的約一半左右，拓?fù)渥R(shí)別裝置的設(shè)備投入達(dá)到了約1/3。拓?fù)渥R(shí)別原本在電力施工環(huán)節(jié)和電力用戶遷改環(huán)節(jié)做好電子化移交之后即可僅需少量外加投入即可達(dá)到良好的效果。然而現(xiàn)實(shí)中電子化移交及拓?fù)渚S護(hù)工作未能得到充分的重視，大部分的施工及電力用戶遷改未進(jìn)行電子化移交等工作，從而導(dǎo)致低壓臺(tái)區(qū)設(shè)備管理混亂、戶線變關(guān)系梳理不清直接導(dǎo)致線損無法精益化分析、故障定位難以開展、電力設(shè)備臺(tái)賬混亂等問題。在電力市場(chǎng)化改革的浪潮下，國家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司均大幅壓縮了基建部分的投入，迅速降低底層傳感器件的成本將決定技術(shù)路線的生命力。

此外，考慮到現(xiàn)實(shí)施工便利性，底層傳感器件應(yīng)具備即插即用、小型化、便于施工安裝的要求。即插即用過程可分為主動(dòng)注冊(cè)，獲取、發(fā)送、解析自描述文件，數(shù)據(jù)交互，設(shè)備控制，設(shè)備事件等幾個(gè)步驟。

5 結(jié)語

本文所提出的低壓可視化方案因其通訊方式簡(jiǎn)單可靠，可擴(kuò)展性好，具有經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、可靠性高、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。在工程示范中對(duì)低壓臺(tái)區(qū)運(yùn)行起到了設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障預(yù)警和定位、低電壓治理、電能質(zhì)量?jī)?yōu)化等作用。未來低壓可視化將朝著即插即用、小型化、低成本等方向發(fā)展。