基于數(shù)字化融合的用戶用電監(jiān)測與控制的研究及應(yīng)用

黃天祥 張琰美 張永鑫 劉渝銘 曹先德

摘 要：對電力用戶開展用電監(jiān)測與控制是保證電網(wǎng)安全運行、提高服務(wù)水平的有效手段，針對目前用戶用電監(jiān)測與控制存在的不足和缺陷，基于一二次融合網(wǎng)源分界柱上斷路器開展用戶用電監(jiān)測與控制方案的研究，柱上斷路器本體集成了高精度、多合一電子式傳感器，可實現(xiàn)相電壓/相電流及零序電壓/零序電流的高精度、寬量程采樣，實現(xiàn)數(shù)字化融合的用戶用電監(jiān)測與控制。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化融合；用戶用電監(jiān)測與控制；一二次融合網(wǎng)源斷路器

中圖分類號：TP274? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）03-0025-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.03.006

0? ? 引言

隨著國家“雙碳”戰(zhàn)略的實施，在能源供給側(cè)有越來越多的分布式電源接入配電網(wǎng)，能源需求側(cè)響應(yīng)也越來越多樣化，對配電網(wǎng)安全、管理、調(diào)度等多個方面提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1]。為提升含多種分布式電源的用戶配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行水平，需要在分布式電源公共連接點設(shè)置專用的網(wǎng)源分界斷路器，以滿足網(wǎng)側(cè)和源側(cè)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控及分布式電源并離網(wǎng)管理等需求，實現(xiàn)用戶的用電監(jiān)測與控制功能[2-3]。

一二次融合網(wǎng)源分界柱上斷路器主要用于10 kV用戶與10 kV公網(wǎng)的并離網(wǎng)控制，安裝于公共連接點（PCC），目的是提升配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行水平，滿足網(wǎng)側(cè)和源側(cè)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控及分布式電源并離網(wǎng)管理等需求[4]。

如果用戶接入10 kV線路時不使用專用的網(wǎng)源分界斷路器，而使用常規(guī)10 kV用戶分界斷路器，會存在以下問題：（1）無法監(jiān)控分布式電源并、離網(wǎng)情況，造成分布式電源無法上送電網(wǎng)，導(dǎo)致客戶電量損失，降低新能源消納水平；（2）電網(wǎng)側(cè)故障跳閘后，分布式電源可能會非計劃孤島運行，導(dǎo)致依據(jù)電壓判斷的饋線自動化策略失效；（3）電網(wǎng)線路停電檢修時，分布式電源可能會孤島運行，向電網(wǎng)側(cè)反向送電，給檢修工作及人員安全帶來風(fēng)險；（4）常規(guī)10 kV用戶分界斷路器僅支持單向電流保護，無法區(qū)分故障電流來自系統(tǒng)還是分布式電源，可能造成保護誤動；（5）無法監(jiān)控分布式電源注入公共連接點的電能質(zhì)量，包括三相不平衡度、諧波等，造成整體供電質(zhì)量降低。

針對以上問題，本文基于一二次融合網(wǎng)源分界柱上斷路器開展用戶用電監(jiān)測與控制方案的研究，柱上斷路器本體集成了高精度、多合一電子式傳感器，可實現(xiàn)相電壓、相電流及零序電壓、零序電流的高精度、寬量程采樣，有效實現(xiàn)用戶狀態(tài)監(jiān)測、故障處理、電能質(zhì)量分析、線損監(jiān)測、并離網(wǎng)管理等功能，實現(xiàn)電網(wǎng)和用戶的安全高效互動。

1? ? 面向用戶用電監(jiān)測與控制的網(wǎng)源分界柱上斷路器構(gòu)成

國家電網(wǎng)有限公司《12千伏一二次融合柱上斷路器及配電自動化終端（FTU）標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計方案（2021版）》已正式發(fā)布，配套的《國家電網(wǎng)有限公司一二次融合標(biāo)準(zhǔn)化配電設(shè)備技術(shù)規(guī)范》也隨即固化完成。本文研制的斷路器基于一二次融合標(biāo)準(zhǔn)化配電設(shè)備技術(shù)規(guī)范進行擴展，考慮用戶用電監(jiān)測與控制，兼顧現(xiàn)有配電網(wǎng)和分布式電源的需求：一是最大程度滿足一二次融合標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，采用深度融合固封極柱實現(xiàn)雙側(cè)電壓采樣，滿足公共連接點網(wǎng)源兩側(cè)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控需求；二是一二次接口選用擴展性強的數(shù)字式接口，不改變航插及FTU接口的標(biāo)準(zhǔn)定義即可實現(xiàn)新增數(shù)據(jù)的傳輸，也便于支持采集數(shù)據(jù)擴展和未來新增的需求。

數(shù)字式一二次融合網(wǎng)源分界柱上斷路器由斷路器本體、標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字式FTU、電源PT及連接電纜等構(gòu)成，如圖1所示。

該方案基于電子式傳感器和就地數(shù)字化技術(shù)打造，其中柱上斷路器本體集成了高精度、多合一電子式傳感器，可實現(xiàn)相電壓、相電流及零序電壓、零序電流的高精度、寬量程采樣；就地數(shù)字化單元ADMU將電子式傳感器的高精度采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；中間的8～10 m電纜采用數(shù)字信號傳輸，保證傳輸過程中不引入任何附加誤差；二次部分采用最新標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字式FTU，具備狀態(tài)監(jiān)測、故障處理、電能質(zhì)量分析、并離網(wǎng)管理等功能。

2? ? 基于網(wǎng)源分界柱上斷路器的用戶用電監(jiān)測與控制方案特點

本文基于網(wǎng)源分界柱上斷路器的用戶用電監(jiān)測與控制方案具有以下特點：

（1）標(biāo)準(zhǔn)化、全功能。既滿足國網(wǎng)一二次融合標(biāo)準(zhǔn)化的最新要求，具備標(biāo)準(zhǔn)化的全部功能，包括集中/就地型FA、保護、接地故障處理、線損計量功能，配備最新的安全加密、藍(lán)牙通信、GPS/北斗定位及對時、開關(guān)特性監(jiān)測等功能，支持無線、光纖等多種類型的通信；又滿足網(wǎng)源分界斷路器的特殊功能需求，包括雙側(cè)電壓采樣、電能質(zhì)量監(jiān)測與分析、各類并網(wǎng)保護、高精度錄波等特點。

（2）高精度的電能質(zhì)量監(jiān)測與分析功能。采用的電子傳感器具備精度高、傳變特性好、動態(tài)范圍廣、頻率響應(yīng)優(yōu)的特點，可有效實現(xiàn)諧波、電壓波動、閃變等電能質(zhì)量監(jiān)測及分析，并具有計量器具型式批準(zhǔn)證書（CPA），可作為法定計量器具，現(xiàn)場經(jīng)過與關(guān)口計量裝置一年以上并列運行對比，相對誤差小于0.5%，確保計量數(shù)據(jù)可接入供電企業(yè)廣泛使用的一體化電量與線損監(jiān)測系統(tǒng)，為線損管控提供一種新的有效手段。

（3）二次回路安全設(shè)計。開關(guān)與FTU連接電纜簡化為8芯設(shè)計，所有測量、遙信信號均采用數(shù)字量傳輸，無二次短路、開路風(fēng)險，方便終端的裝置級更換。電源PT二次信號采用2芯航插設(shè)計、防呆設(shè)計，無接錯線及由此引發(fā)的風(fēng)險隱患。

（4）豐富的可擴展性。數(shù)字化融合方案采用固定的物理接口進行信號傳輸，不會因為采樣數(shù)據(jù)的種類、數(shù)量、頻度變化而改變傳輸電纜及航插接口的定義，擴展不同的采集功能時只需擴展FT3傳輸協(xié)議即可實現(xiàn)。采用數(shù)字化方案可最大限度保持網(wǎng)源分界開關(guān)與一二次融合標(biāo)準(zhǔn)化柱上斷路器的兼容性和標(biāo)準(zhǔn)化成果，也便于后期標(biāo)準(zhǔn)的檢測和標(biāo)準(zhǔn)化的運維。

3? ? 應(yīng)用效果

在新羅區(qū)供電公司10 kV××線6號桿安裝數(shù)字式一二次融合網(wǎng)源分界斷路器，如圖2所示。利用該斷路器開展用戶用電監(jiān)測與控制研究，并從用戶用電負(fù)荷及設(shè)備狀態(tài)、電量與線損監(jiān)測兩個方面，驗證本文基于一二次融合網(wǎng)源分界斷路器的用戶用電監(jiān)測與控制方案的有效性。

用戶用電負(fù)荷及設(shè)備狀態(tài)方面，如圖3所示，數(shù)字式一二次融合網(wǎng)源分界斷路器可以實時采集到電流和功率信息，并上傳到供電公司配網(wǎng)數(shù)字化監(jiān)測平臺，通過平臺直觀展示用戶的負(fù)載情況、有無重過載用戶，一旦發(fā)現(xiàn)重載或重載跡象，即可提示供電人員超前采取有序用電等控制措施，避免影響電網(wǎng)安全運行和客戶安全用電，提高供電可靠性。

用戶電量與線損監(jiān)測方面，如圖4所示，用戶售電量和線損率等計量數(shù)據(jù)可接入一體化電量與線損系統(tǒng)，展示用戶的電量變化趨勢、線損率等信息，一旦發(fā)現(xiàn)電量和線損率的異常波動，即可提示用電稽查人員及時深入排查異常原因，及時采取反竊查違等處理措施，避免因電量“跑冒滴漏”造成的經(jīng)濟損失，維護正常的供用電秩序。

4? ? 結(jié)束語

針對目前用戶用電監(jiān)測與控制存在的不足和缺陷，本文基于數(shù)字式一二次融合網(wǎng)源分界柱上斷路器開展了用戶用電監(jiān)測與控制方案研究，具有兩個創(chuàng)新點：（1）研制新型開關(guān)，采用電阻分壓和電磁感應(yīng)方式進行電壓和電流測量，整個產(chǎn)品包括三只獨立的電子式組合互感器，通過后級配套的帶電可插拔電子式互感器數(shù)字化單元實現(xiàn)三相電壓、電流以及零序電壓、電流的測量功能；（2）適用場景多、功能強，有效實現(xiàn)了用戶故障處理、電量線損監(jiān)測、狀態(tài)監(jiān)測、并離網(wǎng)管理等多項功能。

[參考文獻]

[1] 孫麗華.基于雙碳背景的高比例可再生能源電力系統(tǒng)[J].中國科技信息，2023（14）：117-119.

[2] 熊禮.電力負(fù)荷控制與監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用[J].大眾用電，2020，35（6）：28.

[3] 錢敏.用戶電能質(zhì)量在線監(jiān)測研究[D].保定：華北電力大學(xué)，2013.

[4] 徐鑫，張祥.智能分界斷路器在10 kV線路中的應(yīng)用[J].大眾用電，2022，37（12）：41-42.

收稿日期：2023-10-10

作者簡介：黃天祥（1986—），男，福建上杭人，碩士研究生，工程師，研究方向：配網(wǎng)檢修。