基于融合終端的智慧臺區治理技術研究

國網江蘇省電力有限公司南通供電分公司 劉王春 袁明秋 孫巍 黃冬冬 吳楠 曹越 王孟希

1 引言

隨著城市的發展，各地電網公司在智能配電網的建設方面投入了大量的人力、物力、財力，智能配電網的建設取得了重大進展。充分利用智能電網的基礎數據，輔助各類智能監測感知單元，進行大數據分析解決電網的安全運行、故障搶修、線損管理等實際問題也初現成效。基于融合終端的智慧臺區治理技術通過分析不同方案的臺區信息治理方案，為智慧臺區建設提供指導，實現電網智能實時運行監測管理、線損精益化管理、低壓拓撲動態識別、故障研判、快速定位和輔助主動搶修等功能[1]。

2 外置式智能低壓故障傳感器

隨著電力物聯網技術的不斷發展，越來越多的高精度、多維度的智能傳感技術應用到電網。傳統融合終端主要實現配用電臺區用電信息采集功能，通過外置式智能低壓故障傳感器，對低壓臺區設備狀態監測，包括臺區設備溫度、電流、電壓等信息采集，最終將信息傳輸至融合終端，由融合終端統一上傳。

基于融合終端+外置式智能低壓故障傳感器的低壓臺區智能化方案，通過傳感器模塊采集信息，進行實時感知電網的運行狀態，將信息傳輸至融合終端，實現融合終端的智能化[2]。該方案具有模塊化、可擴展、低功耗、低投資、免維護的優點。融合終端如圖1所示、傳感器模塊如圖2所示。

圖1 融合終端

圖2 傳感器模塊

3 智能物聯塑殼斷路器

隨著電網穩定需求的不斷提高，小型斷路器的應用越來越廣泛。而智能物聯塑殼斷路器具有電路通斷功能，能夠實現負載過載保護、過壓保護、短路保護、打火保護以及過溫保護等功能。內置帶計量的電子開關，可讀取用電設備的電流、電壓、用電量及接線端溫度等數據。智能物聯塑殼斷路器具有NB-IoT、4G、5G、電力載波等通信方式，部分智能物聯塑殼斷路器除具有通信模塊，同時具有液晶顯示模塊，智能物聯塑殼斷路器如圖3所示。

圖3 智能物聯塑殼斷路器

基于融合終端+智能物聯塑殼斷路器的低壓臺區智能化方案，具有可遠程遙控、保護動作、實時感知等功能，能夠根據電流、電壓、電能、功率、功率因素及功耗情況，實時監控漏電電流、三相不平衡、缺相、故障電弧等異常情況，對負載進行通斷控制。

4 融合終端多維融合感知

配電物聯網技術架構如圖4所示。

圖4 配電物聯網技術架構

基于“云、管、邊、端”的配電物聯網技術架構，進行配電低壓臺區物聯網智能化改造。通過外置式智能低壓故障傳感器、智能物聯塑殼斷路器形成多維智能感知。基于智能融合終端形成智能配電網邊緣計算，實現配電信息匯聚、遠程智能決策，并通過無線通信技術接入云平臺，實現配電狀態全景感知、臺區營配融合、供電質量提升、線損精準管控、故障就地研判等支撐等功能。結合供服指揮平臺，實現配電網故障快速搶修、供電快速恢復，從而提高配電網安全性、穩定性。

“云”采用“物聯網平臺+大數據+業務微服務+智能感知”的技術架構，實現了海量配電終端通信連接、配電網靈活部署、彈性伸縮、應用和采集數據解耦、應用快速上線，滿足配電網業務需求的快速響應、動態分配、集約化運維、智能化搶修等要求。“管”采用“遠程通信+本地通信”的混合架構，通過配電遠程化、物聯網協議、物聯網模型，實現配電網設備組網、配網資源自描述，支撐邊緣設備即插即用，實現配電業務實時性及大帶寬。“邊”采用“標準化平臺+邊緣操作系統+App”的技術架構，集合存儲、計算、通信，通過邊緣側的計算提高業務處理效率，減少云端通信、計算的壓力；通過App定義終端，實現配電網生產業務與客戶服務應用的靈活部署。“端”采用“硬件+物聯網+App”的架構，采集配電網的自檢狀態、環境信息、輔助信息等基礎數據，執行上級決策命令或就地控制，完成與電力末端互動，滿足電網安全生產和客戶服務需求[3-4]。

5 基于互聯網通信的通信協議

融合終端通信目前主要采用電力專用VPN 的4G流量卡，同時在服務器端進行正向加密，保證互聯網通信的安全性，而目前IEC014 主要應用于IP比較固定的應用場景，而由于移動端無法固定IP地址，因此基于IEC104進行擴展，形成適用于融合終端通信的104協議[5]。

5.1 連接過程

云平臺監控布置在云平臺上，具備固定的互聯網IP 地址。通信的規約暫時采取網絡104 的方式，管理機主動連接云平臺。管理機主動連接云平臺后，會主動發送ASDU0（配電臺區標識），云平臺判斷是否具備連接的資格。配電臺區名稱20個字節。

5.2 協議格式

APDU格式如圖5所示。

圖5 APDU格式

融合終端通信參考IEC60870-5-104 標準，其中APDU 長度域定義了APDU 的長度，APDU 包括APCI 的四個控制域八位位組和IEC104 中定義的ASDU。ASDU 最大長度限制在249 個字節，因為APDU 域字節最大是253，控制域長度是4。APCI格式圖6所示。

圖6 APCI格式

5.3 數據傳輸

管理機一旦連接上云平臺后，等待云平臺召喚上送全數據（全遙信、全遙測、全電度）。云平臺總召喚的時間，在云平臺端設置（默認為300s）。管理機的變化遙信數據，會立刻上送到云平臺。每隔10s（可配置）管理機會主動上送變化遙測。云平臺可單獨召喚全電度數據，5min 一次（可設置）。管理機的程序里，沒有處理遙控、遙調、設置數據等命令，云平臺也不允許下發類似命令。

6 基于FP-G的配電網故障挖掘研究

基于融合終端的智慧臺區治理技術主要通過FP-Group 算法，對配電網融合終端多維異構數據進行故障挖掘。配電網FP數據結構如圖7所示。

圖7 配電網FP數據結構

配電網故障挖掘步驟可以分為以下五步。

一是掃描臺區數據，得到所有頻繁項集的計數。刪除支持度低于閾值（可配置的故障特征閾值）的項，選擇一項頻繁集放入項頭表，并按照支持度進行降序排列，形成第一個頻繁項序列。

二是掃描頻繁項序列，將讀到的原始數據排除非頻繁項集，并按照支持度降序排列，形成第二個頻繁項序列。

三是讀入排序后的數據集，按照排序后的頻繁項序列插入FP-tree。在頻繁項序列排序中靠前的節點為祖先節點，靠后為子孫節點。

四是若頻繁項序列祖先節點相同，則該祖先節點累加1。插入頻繁項序列后，若有新節點出現，則項頭表對應的節點會通過節點鏈表鏈接上新節點。循環直到所有數據都插入FP-tree。

五是從項頭表的底部項向上依次找到項頭表項對應的條件模式基。從條件模式基進行遞歸計算，得到項頭表項的頻繁項集。

六是完成故障挖掘下，若不限制頻繁項集的項數，則返回所有遞歸挖掘到的頻繁項集，否則只返回滿足項數的頻繁項集。

基于FP-G 的配電網故障挖掘根據臺區環境數據、電能數據、歷史數據等海量信息挖掘出關聯故障信息，對配電網隱患進行提前預警，同時推進配電臺區運檢業務智能化，為后期低壓配電臺區批量智能化改造提供參考方向。

7 結語

低壓配電網直接服務于用戶，其可靠運行是整個電網運行的重要組成部分。然而，當前低壓配電網主要存在狀態監測不足、故障率高、故障查找困難等突出問題，制約了配電網供電可靠性、限制了供電服務水平提升。因此，本文提出基于融合終端的智慧臺區治理技術研究，以外置式智能低壓故障傳感器、智能物聯塑殼斷路器作為融合終端的感知支撐，通過基于互聯網通信協議上傳至云平臺，對配電網融合終端多維異構數據進行故障挖掘，保障供電臺區的安全。