基于智能融合終端的臺(tái)區(qū)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐崢，王貴海，王思南，羅中，趙元

（1.國(guó)網(wǎng)北京海淀供電公司，北京 100031；2.北京電力自動(dòng)化設(shè)備有限公司，北京 100044）

傳統(tǒng)配電臺(tái)區(qū)智能終端通常只具備某一特定功能需求，如用電數(shù)據(jù)采集、開(kāi)關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、環(huán)境狀態(tài)信息采集等，且缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備接口與系統(tǒng)架構(gòu)通常存在兼容性問(wèn)題。通信網(wǎng)絡(luò)帶寬、時(shí)延、可靠性等與配電臺(tái)區(qū)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸交互需求也存在一定差距[1-4]。

低壓配電臺(tái)區(qū)分布分散、設(shè)備眾多，目前其運(yùn)行管理、運(yùn)維質(zhì)量、控制模式距離智能化運(yùn)維與服務(wù)要求尚存在一些差距[5-9]，主要體現(xiàn)在：1）配電變壓器、開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)、JP 柜等缺乏感知設(shè)備，分布式能源與充電樁等新能源的用電情況、臺(tái)區(qū)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c電氣參數(shù)也難以有效識(shí)別[10]，導(dǎo)致無(wú)法主動(dòng)感知重要設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和臺(tái)區(qū)內(nèi)用戶(hù)用電情況；2）臺(tái)區(qū)異常運(yùn)行狀態(tài)感知和故障排查依賴(lài)于人工巡檢，工作量大且效率低。當(dāng)前的配電臺(tái)區(qū)運(yùn)維管理仍停留在相對(duì)粗獷的“被動(dòng)搶修”水平[11-12]，無(wú)法引導(dǎo)用戶(hù)有序用電，進(jìn)而影響低壓配電網(wǎng)的電能質(zhì)量和穩(wěn)定運(yùn)行。

基于此，開(kāi)展了臺(tái)區(qū)智能融合終端及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，以期實(shí)現(xiàn)低壓臺(tái)區(qū)運(yùn)行異常狀態(tài)的智能精準(zhǔn)識(shí)別。

1 臺(tái)區(qū)智能融合終端設(shè)計(jì)方案

臺(tái)區(qū)智能融合終端部署在配變出線(xiàn)側(cè)，處于主站與終端設(shè)備的中間，負(fù)責(zé)向主站提供低壓配電臺(tái)區(qū)的運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)、環(huán)境信息及其他基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。同時(shí)，具備對(duì)其所連接的終端下發(fā)上層決策或直接就地控制的功能[13]。

1）硬件架構(gòu)：臺(tái)區(qū)智能融合終端的系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1 所示。其采用模塊化的設(shè)計(jì)原則，硬件模塊主要包括CPU、顯示模塊、交流采樣模塊、電源模塊、上行通信模塊和下行通信模塊等。CPU 是臺(tái)區(qū)智能融合終端的核心，負(fù)責(zé)所有的控制、通信功能；顯示模塊用于與運(yùn)維人員的人機(jī)交互；交流采樣模塊實(shí)現(xiàn)交流強(qiáng)電信號(hào)的轉(zhuǎn)換、采集和計(jì)算等功能；電源模塊為臺(tái)區(qū)智能融合終端提供穩(wěn)定的工作電源；上行通信模塊負(fù)責(zé)臺(tái)區(qū)智能融合終端向上級(jí)主站傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；下行通信模塊負(fù)責(zé)臺(tái)區(qū)智能融合終端與下級(jí)終端設(shè)備控制指令等的信息交互。

圖1 臺(tái)區(qū)智能融合終端系統(tǒng)架構(gòu)

2）軟件平臺(tái)方案：臺(tái)區(qū)智能融合終端的軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，如圖2 所示。該終端具備邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)特性，該文基于“硬件平臺(tái)化、軟件APP 化、高度標(biāo)準(zhǔn)化”的設(shè)計(jì)理念，采用開(kāi)放型技術(shù)架構(gòu)將數(shù)據(jù)采集、通信、控制三類(lèi)接口進(jìn)行封裝。根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行組合，既支持不同廠商的硬件產(chǎn)品，又避免了硬件資源的浪費(fèi)。同時(shí)通過(guò)虛擬容器技術(shù)在Linux空間實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用的獨(dú)立封裝部署，滿(mǎn)足通信、采集、控制管理需求，具備設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控、拓?fù)渥詣?dòng)識(shí)別、電能質(zhì)量治理、分布式能源管理、故障預(yù)警上報(bào)以及用戶(hù)互動(dòng)服務(wù)等功能。

圖2 臺(tái)區(qū)智能融合終端軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

3）通信網(wǎng)絡(luò)方案：通信網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計(jì)，如圖3 所示。臺(tái)區(qū)智能融合終端依托廣泛的本地通信協(xié)議和大量設(shè)備接口，為不同種類(lèi)終端設(shè)備的接入提供平臺(tái)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了信息集成。其可以為配電物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行設(shè)備狀態(tài)信息感知、用電數(shù)據(jù)抄收、配變監(jiān)測(cè)、通信組網(wǎng)、本地化分析決策機(jī)制提供支撐。通過(guò)高速載波通信實(shí)現(xiàn)電能表、分布式光伏、充電樁等設(shè)備信息采集，利用RS-485 實(shí)現(xiàn)斷路器、分支開(kāi)關(guān)、補(bǔ)償電容器、漏電保護(hù)斷路器等設(shè)備的信息采集；通過(guò)射頻技術(shù)與溫度、濕度傳感器通信，實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息采集。

圖3 臺(tái)區(qū)智能融合終端通信網(wǎng)絡(luò)方案

2 臺(tái)區(qū)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

該文設(shè)計(jì)的基于智能融合終端的臺(tái)區(qū)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架如圖4 所示[14-16]，臺(tái)區(qū)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用“云、管、邊、端”四級(jí)架構(gòu)。

圖4 基于智能融合終端的臺(tái)區(qū)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架

1）“云”：指云化的主站，將營(yíng)銷(xiāo)系統(tǒng)、PMS2.0 系統(tǒng)、供服平臺(tái)、調(diào)度系統(tǒng)等多平臺(tái)數(shù)據(jù)有機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用功能的協(xié)同自治。

2）“管”：指主站與邊緣設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸通道，目前常規(guī)的通道為4G 無(wú)線(xiàn)公網(wǎng)或230 Mbit/s 無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)，具備數(shù)據(jù)加密性?xún)?yōu)、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)。

3）“邊”：指處于低壓配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)設(shè)備側(cè)的分布式智能終端，其采集設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)邊緣計(jì)算等方式識(shí)別臺(tái)區(qū)異常運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)就地智能化管理。

4）“端”：指低壓配電臺(tái)區(qū)中直接感知運(yùn)行狀態(tài)或執(zhí)行控制命令的主體元素，包括一次設(shè)備、二次裝置、智能傳感器、通信單元等。

該文設(shè)計(jì)的智能融合終端屬于“邊”設(shè)備，也是低壓配電臺(tái)區(qū)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

基于智能融合終端的臺(tái)區(qū)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖5 所示，主要包括用電數(shù)據(jù)分析、環(huán)境信息監(jiān)測(cè)、變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)和其他輔助功能。

圖5 臺(tái)區(qū)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

1）用電數(shù)據(jù)分析：臺(tái)區(qū)智能融合終端通過(guò)采集電能表實(shí)時(shí)電能示值、日零點(diǎn)凍結(jié)電能示值、抄表日零點(diǎn)凍結(jié)電能示值、電能數(shù)據(jù)采集時(shí)的時(shí)標(biāo)等數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)電壓偏差、電壓合格率和電壓超限率統(tǒng)計(jì)，異常用電行為識(shí)別、告警以及故障定位。終端還可以對(duì)電能表運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，包括電能表參數(shù)變更、電能表時(shí)間超差、電能表故障信息、電能表示度下降、電能量超差、電能表“飛走”、電能表停走、相序異常、電能表開(kāi)蓋記錄、電能表運(yùn)行狀態(tài)字變位等。

2）環(huán)境信息監(jiān)測(cè)：在室外配電箱、配電房、變壓器等需要監(jiān)測(cè)環(huán)境狀況的位置可以配置溫濕度傳感器，通過(guò)臺(tái)區(qū)智能融合終端獲取相應(yīng)信息數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息的監(jiān)測(cè)和智能控制。

3）變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)：臺(tái)區(qū)智能融合終端通過(guò)采集配變低壓側(cè)的三相電流和電壓，可有效監(jiān)測(cè)電壓、電流、功率因數(shù)、三相不平衡度、電壓偏差、諧波含量、配變負(fù)載率等電氣參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了基本配變監(jiān)測(cè)功能。終端還可以對(duì)抽頭檔位、繞組溫度、風(fēng)機(jī)啟停情況等變壓器狀態(tài)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

4）其他輔助監(jiān)測(cè)：臺(tái)區(qū)智能融合終端可通過(guò)RS-485 等通信接口與智能電容器、智能換相開(kāi)關(guān)等電能質(zhì)量治理設(shè)備進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)治理設(shè)備的投切容量、共補(bǔ)/分補(bǔ)狀態(tài)等信息監(jiān)控。

同時(shí)終端還可與漏電保護(hù)動(dòng)作保護(hù)器通信，獲取其分?jǐn)酄顟B(tài)，設(shè)定保護(hù)值，對(duì)故障事件進(jìn)行監(jiān)測(cè)告警，并通過(guò)載波通信等通信方式實(shí)現(xiàn)低壓臺(tái)區(qū)用戶(hù)側(cè)運(yùn)行狀態(tài)等信息的遠(yuǎn)程采集與管理。

3 算例分析

以北京市某供電局臺(tái)區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行仿真測(cè)試，驗(yàn)證該文所提基于智能融合終端的臺(tái)區(qū)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的有效性。該臺(tái)區(qū)基礎(chǔ)信息，如表1 所示。

表1 某供電局臺(tái)區(qū)基礎(chǔ)信息

3.1 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)功能

基于融合終端的臺(tái)區(qū)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)該臺(tái)區(qū)變壓器于2021 年2 月16 日-2021 年2 月17日的三相不平衡度、三相電壓、功率因數(shù)、負(fù)載率進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。

1）三相不平衡度

該臺(tái)區(qū)A 相負(fù)荷較大、B 相負(fù)荷較小，三相不平衡度為3%～48%，大部分時(shí)間超過(guò)了三相不平衡度限值15%。該臺(tái)區(qū)的三相不平衡較嚴(yán)重，需調(diào)整負(fù)荷接入相序結(jié)構(gòu)。

2）三相電壓

該臺(tái)區(qū)變壓器三相電壓范圍為240～264 V，處于合理運(yùn)行區(qū)間。

進(jìn)一步計(jì)算臺(tái)區(qū)末端電壓，計(jì)算結(jié)果如表2 所示，其最小值為203.5 V，電壓偏差小于10%，在合格運(yùn)行范圍內(nèi)。

表2 該臺(tái)區(qū)末端電壓計(jì)算結(jié)果

3）功率因數(shù)

該臺(tái)區(qū)變壓器功率因數(shù)范圍為0.75～0.99，最小功率因數(shù)遠(yuǎn)低于功率因數(shù)限值0.90，因此需要配置無(wú)功補(bǔ)償裝置。

4）配變負(fù)載率

該臺(tái)區(qū)變壓器負(fù)載率為9.8%～40.2%，監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)53.2%的時(shí)間處于輕載運(yùn)行狀態(tài)，46.8%的時(shí)間處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)，該配變?nèi)萘磕軌驖M(mǎn)足當(dāng)前的負(fù)荷需求。

5）線(xiàn)損分析

應(yīng)用所設(shè)計(jì)系統(tǒng)，對(duì)該臺(tái)區(qū)2020 年12 月份的線(xiàn)損進(jìn)行分析，結(jié)果如表3 所示。2020 年12 月份該臺(tái)區(qū)實(shí)際線(xiàn)損率為8.35%，理論線(xiàn)損率為6.21%。

表3 該臺(tái)區(qū)末端電壓計(jì)算結(jié)果

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用成效

應(yīng)用該文設(shè)計(jì)的臺(tái)區(qū)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)該臺(tái)區(qū)2020 年1 月～12 月進(jìn)行監(jiān)測(cè)，異常運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果如表4 所示。

表4 異常運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)次數(shù)(單位：次)

由表4 可知，在應(yīng)用該系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)期間內(nèi)，累計(jì)發(fā)現(xiàn)異常用電行為27 次、重過(guò)載278 次、三相不平衡323 次、低電壓219 次、缺相斷電32 次。在監(jiān)測(cè)期間，成功處理重過(guò)載、低電壓事件共116 起，平均異常運(yùn)行狀態(tài)處理時(shí)間由原先的35.2 min減少為18.7 min。可見(jiàn)，該文所提系統(tǒng)能夠輔助運(yùn)維人員開(kāi)展重過(guò)載、低電壓等異常運(yùn)行狀態(tài)篩選核實(shí)，大幅節(jié)省了人工排查時(shí)間，保障了臺(tái)區(qū)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

該文分析了智能融合終端的軟硬件方案，開(kāi)展了智能融合終端在低壓臺(tái)區(qū)輔助運(yùn)維的應(yīng)用研究，提出了基于智能融合終端的臺(tái)區(qū)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)和功能設(shè)計(jì)方案。通過(guò)北京市某供電局臺(tái)區(qū)進(jìn)行的測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果表明，文中所提系統(tǒng)能夠智能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)臺(tái)區(qū)變壓器的三相電流、三相不平衡度、三相電壓和功率因數(shù)等運(yùn)行參數(shù)。通過(guò)應(yīng)用所設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠發(fā)現(xiàn)異常用電行為，監(jiān)測(cè)重過(guò)載、低電壓等事件，保障臺(tái)區(qū)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。但文中設(shè)計(jì)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)僅適用于系統(tǒng)主站，為方便工作人員現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)有必要研究設(shè)計(jì)相應(yīng)APP 軟件，這將在后續(xù)研究中開(kāi)展。