10kV配電臺區(qū)智能化的設(shè)計研究

鄭鍵雄

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局，廣東 中山 528400）

0 引 言

近幾年，隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，用戶對用電可靠性以及供電質(zhì)量等方面提出了更高的要求。配電臺區(qū)作為用戶和電力系統(tǒng)之間連接的關(guān)口，也面臨著向智能化方向轉(zhuǎn)型升級的需要。但配電臺區(qū)中存在設(shè)備結(jié)構(gòu)形式不統(tǒng)一、智能化程度低以及搶修運維復(fù)雜等問題，無法充分滿足現(xiàn)代智能配電臺區(qū)的管理和發(fā)展需求。基于此，文章根據(jù)《配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計技術(shù)導(dǎo)則》(Q/CDW 1738—2012)規(guī)范中對10 kV 配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計的要求，從配電網(wǎng)自動化和配電臺區(qū)智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計等方面，對配電網(wǎng)智能化發(fā)展展開全面探究[1]。

1 針對10 kV 配電臺區(qū)智能化試點區(qū)域的選擇分析

由于現(xiàn)階段國內(nèi)對配電臺區(qū)的智能化設(shè)計研究處于起步階段，10 kV 配電臺區(qū)的智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)當(dāng)基于配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計，結(jié)合地方配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、用戶性質(zhì)以及負(fù)荷密度共3 個方面，選擇所需要的設(shè)備和設(shè)計方案。所以，在進(jìn)行配電臺區(qū)智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計時，還應(yīng)當(dāng)對用戶較多、供電線路半徑合理以及高密度負(fù)荷的臺區(qū)進(jìn)行考慮。同時，針對配電臺區(qū)的智能監(jiān)控通信系統(tǒng)建設(shè)時，應(yīng)當(dāng)保留能夠和其他系統(tǒng)連接的接口。

2 10 kV 配電臺區(qū)的智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計研究

2.1 配電臺區(qū)智能監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

為更好地解決10 kV 配電臺區(qū)中存在的設(shè)備運維困難、工作量大等問題，提出了一種配電臺區(qū)智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)的設(shè)計主要包含了配電區(qū)域通信、智能配電臺區(qū)監(jiān)控平臺以及智能配電臺區(qū)一二次設(shè)備等部分。其中，從配電臺區(qū)智能監(jiān)控平臺方面來看，通過配置一臺工作站和服務(wù)器，并將設(shè)備安裝在配網(wǎng)地?fù)屝迲?yīng)急指揮中心或者其他需要的地方，可以為供電企業(yè)配電管理人員提供數(shù)據(jù)分析服務(wù)、數(shù)據(jù)存儲服務(wù)、數(shù)據(jù)監(jiān)控服務(wù)以及預(yù)警發(fā)布服務(wù)等服務(wù)功能。同時，本平臺的設(shè)計不僅能夠與其他系統(tǒng)進(jìn)行互相通信，還可以利用Web瀏覽器，發(fā)布信息到企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。配電臺智能設(shè)備設(shè)計方面主要包含了永磁換相開關(guān)設(shè)備、低壓永磁開關(guān)設(shè)備、智能變壓器設(shè)備、計量表設(shè)備、無功補償設(shè)備、智能一體化配電箱以及集中器共7 個部分。而監(jiān)控系統(tǒng)與智能一體化配電箱之間主要通過利用5G 移動通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)通信連接；配電臺區(qū)的設(shè)備和智能配變終端2 者之間，主要利用無線傳感器實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信[2]。具體10 kV 智能配電臺區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 10 kV 配電臺區(qū)的智能化監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計框圖

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇

配電臺區(qū)的智能化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計主要采用分布式體系結(jié)構(gòu)，但不同的應(yīng)用所分布的計算機節(jié)點也不相同。因此，在針對配電臺區(qū)智能化監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)時，應(yīng)當(dāng)以節(jié)約成本為原則，選擇合適的結(jié)構(gòu)。而系統(tǒng)結(jié)構(gòu)又分為單機單網(wǎng)型、雙機雙網(wǎng)型以及單機集中型共3 種結(jié)構(gòu)類型。針對在對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的選擇時，應(yīng)當(dāng)充分結(jié)合地方配電臺區(qū)的相關(guān)管理體制與智能配電臺區(qū)建設(shè)的規(guī)模，對架構(gòu)進(jìn)行升級。當(dāng)將配電臺區(qū)的監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和其他網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行互聯(lián)時，需要增添網(wǎng)絡(luò)防火墻、Web 服務(wù)器，進(jìn)行雙向隔離設(shè)備配置，然后在公網(wǎng)通信方面同樣要增設(shè)防火墻，以保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩玔3]。其中，雙機雙網(wǎng)型結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包含了網(wǎng)絡(luò)冗余配置和硬軟件，主設(shè)備與備用設(shè)備主要利用自動切換或者手動切換的方式實現(xiàn)無縫切換，保障臺區(qū)數(shù)量多、數(shù)據(jù)量大的區(qū)域供電的可靠性。從單機集中型方面來看，該類型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要適合應(yīng)用在臺區(qū)數(shù)量少的地方。其系統(tǒng)軟件功能可以充分滿足10 kV 智能配電臺區(qū)的需求。

2.3 配電臺區(qū)智能主站系統(tǒng)設(shè)計

10 kV 智能配電臺區(qū)的主站系統(tǒng)，主要配置在配網(wǎng)應(yīng)急搶修指揮系統(tǒng)當(dāng)中。從功能設(shè)計方面來看，主站系統(tǒng)主要包含了配電臺區(qū)資產(chǎn)管理、系統(tǒng)接口功能、系統(tǒng)管理功能、視頻處理功能、配電數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）、短消息發(fā)布功能、統(tǒng)計分析共7 種功能，實現(xiàn)了配電臺區(qū)的數(shù)據(jù)智能監(jiān)測和統(tǒng)計分析。其中，系統(tǒng)接口設(shè)計主要起到主站系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的接口連接。系統(tǒng)管理模塊的設(shè)計，主要起到對日志、材料以及用戶權(quán)限管理的作用。配電模塊的設(shè)計主要實現(xiàn)了對配電臺區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，以及對數(shù)據(jù)庫的實時管理、報警處理等。從統(tǒng)計模塊上來看，該模塊的社會主要實現(xiàn)了對配電臺區(qū)中的用電情況、電能質(zhì)量統(tǒng)計、臺區(qū)線損以及故障問題等方面進(jìn)行統(tǒng)計分析[4]。

2.4 智能一體化綜合配電箱設(shè)計

智能一體化配電箱的設(shè)計，主要起到對變壓器的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測、保護(hù)、控制、臺區(qū)計量、戶表信息采集、無功補償以及出現(xiàn)剩余電流的保護(hù)、三相調(diào)節(jié)以及設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測等作用。現(xiàn)階段國內(nèi)的配電臺區(qū)主要由10 kV 配電變壓器、接地裝置、普通低壓配電箱（部分臺區(qū)無配電箱）以及10 kV 避雷器以及熔斷器共5 個部分組成。同時，大部分配電臺區(qū)中并沒有補償設(shè)備和監(jiān)控設(shè)備。因此，研究設(shè)計功能模塊化和結(jié)構(gòu)一體化的智能配電臺區(qū)設(shè)備，能夠有效提高供電的質(zhì)量和可靠性。并且，在智能配電箱設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)充分考慮絕緣問題，所以文章選擇一體化機構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，不僅方便了接線的連接，還為后期的擴(kuò)容以及運維管理等提供了便利。利用標(biāo)準(zhǔn)元件接口以及元件序列，能夠有效解決元件與元件之間的互聯(lián)問題。最后，在配電箱中加入低壓配電開發(fā)熱插拔技術(shù)，可以在不斷電的情況下，實現(xiàn)接口的靈活插接，并起到防誤操作保護(hù)的作用[5]。

2.5 永磁換相開關(guān)設(shè)計

永磁換相開關(guān)的設(shè)計主要解決了不平衡負(fù)荷切換問題。通過在用戶表箱中配備永磁換相開關(guān)，能夠在對負(fù)荷不平衡現(xiàn)象監(jiān)測時，可以起到部分負(fù)荷自動互相切換的作用，以及保持三相負(fù)荷平衡的作用。此外，換相開關(guān)的配備，起到了對漏電電流保護(hù)功能和數(shù)據(jù)采集功能等作用。

2.6 通信模塊的設(shè)計

針對10 kV 配電臺區(qū)智能監(jiān)控系統(tǒng)的通信模塊設(shè)計，文章選擇利用5G 無線通信網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信與數(shù)據(jù)傳輸。同時，針對采集層的通信方式，選擇利用ZigBee 無線通信方式來滿足系統(tǒng)的通信要求。具體通信模塊的設(shè)計可以結(jié)合配電臺區(qū)的實際情況來選擇對應(yīng)的通信系統(tǒng)。一般通信方式主要分為有源/無源光纖專網(wǎng)、配電線路載波通信、無線虛擬專用網(wǎng)絡(luò)（Virtual Private Network，VPN）以及無線公網(wǎng)等多種通信方式[6]。

2.6.1 配電線路載波通信

該通信方式主要利用調(diào)制解調(diào)技術(shù)、信道編碼技術(shù)、耦合結(jié)合技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及前端模擬技術(shù)等多種技術(shù)，借助額低壓配電網(wǎng)為傳輸介質(zhì)實現(xiàn)通信服務(wù)。這樣能夠有效避免無光纜或者基站的情況，僅需要在配電站配電終端上配備主、從載波設(shè)備即可實現(xiàn)通信。

2.6.2 網(wǎng)絡(luò)VPN

VPN 主要是通過在公網(wǎng)上建立起來的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并且整個網(wǎng)絡(luò)中的任意2 個不同節(jié)點之間的連接，不存在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)所需要的端到端物理鏈路，只需要在公用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商所提供的相關(guān)平臺上以中繼的方式實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸[7]。具體不同通信方式的對比如表1所示。

表1 不同類型的通信方式對比分析

2.7 分布電源接入設(shè)計

近幾年，隨著太陽能、風(fēng)能等清潔能源的開發(fā)利用，在配電臺區(qū)智能化設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)對分布電源的接入進(jìn)行考慮。分布式電源主要通過利用發(fā)電設(shè)備或者儲能裝置實現(xiàn)和城市智能配網(wǎng)連接。而城市智能配電網(wǎng)中分布式電源可以結(jié)合電源容量的大小，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與通信。

2.8 配電臺區(qū)智能自感知機制設(shè)計

為了更進(jìn)一步構(gòu)建智能化、安全可控的電力系統(tǒng)，可以從配電臺區(qū)的自動化程度以及自愈能力等方面為切入點。其中，配電臺區(qū)的自愈能力作為智能電網(wǎng)中的一部分，可以通過提高智能配電臺區(qū)的自感知能力，并以傳感器以及配電箱一體化融合設(shè)計為基礎(chǔ)，促進(jìn)設(shè)備的自診斷能力以及感知能力得到提升，從而實現(xiàn)對配電箱當(dāng)中的設(shè)備運行狀態(tài)進(jìn)行控制與感知，并對配電臺區(qū)中的低壓設(shè)備故障進(jìn)行預(yù)警。

3 工程實例分析

為了進(jìn)一步證明10 kV 配電臺區(qū)智能化設(shè)計的可行性，文章以某個城區(qū)的配電臺變智能化建設(shè)工程為例，對其進(jìn)行研究。首先，此配電臺區(qū)的智能化設(shè)計中，已知配電臺區(qū)的電源來自10 kV 線路，經(jīng)過配電變壓器之后，轉(zhuǎn)變成了0.4 kV，同時擁有3 條低壓出線，主要負(fù)責(zé)臺區(qū)方面的電力供應(yīng)。其次，本臺區(qū)當(dāng)中分別擁有1 臺容量為120 kVA 的無功補償柜、1 臺變壓器以及JB 柜和計量箱。最后，整個臺區(qū)中的三相用戶共有30 戶，單相用戶共有227 戶，其平均負(fù)荷率為31%，而電流的平均不平衡度為30%。

3.1 工程具體內(nèi)容

首先，在此配電臺區(qū)中配備1 臺具有載調(diào)容功能的變壓器，利用分布混合與共補的方式實現(xiàn)無功補償，并利用復(fù)合開關(guān)實現(xiàn)對電容器投切的控制。其次，為了能夠滿足子線調(diào)節(jié)負(fù)荷的能力，還增添了換相開關(guān)。最后，利用智能配變終端實現(xiàn)了對配電臺區(qū)的線路數(shù)據(jù)、線損、用戶負(fù)荷曲線、開關(guān)狀態(tài)以及電壓電流的數(shù)據(jù)等進(jìn)行采集、匯總、傳輸以及分析，從而實現(xiàn)對配電臺區(qū)的智能監(jiān)控[8]。

3.2 具體成效

通過更換有載調(diào)容變壓器后，該配電臺區(qū)的負(fù)載率小于每天10%時，設(shè)運行時間為5 h，其年節(jié)約電量能夠達(dá)到383.41 kW·h。利用智能監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了配電網(wǎng)的有序跳閘與實時監(jiān)控。

4 結(jié) 論

配電網(wǎng)的智能化設(shè)計發(fā)展是實現(xiàn)智能電網(wǎng)建設(shè)的組成部分之一，文章通過對當(dāng)前10 kV 配電臺區(qū)中存在的不足進(jìn)行分析，提出了一種智能配電臺區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案，并對該系統(tǒng)的主要功能以及設(shè)備接入進(jìn)行了闡述。最后，經(jīng)實例驗證本系統(tǒng)的設(shè)計，切實可行地提高配電臺區(qū)的智能化水平，不僅有效滿足了配電臺區(qū)的保護(hù)需求以及用戶對供電能力、質(zhì)量方面的新要求，還促進(jìn)了配網(wǎng)供電能力的安全性和可靠性，對促進(jìn)國內(nèi)城市配電網(wǎng)智能化發(fā)展具有重要現(xiàn)實意義。