白洋，洪海生，陳博，伍國林，李俊林，柯慶軍，張惠堂

(廣州供電局有限公司，廣東，廣州 510620)

配電網(wǎng)直接向用戶傳輸分配電能[1-2]，是電力系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而由于結(jié)構(gòu)及環(huán)境的復雜性，配電網(wǎng)智能化水平長期低于輸電網(wǎng)。配電房作為配電網(wǎng)中的重要供電節(jié)點，缺少智能化的監(jiān)測平臺，限制了電網(wǎng)企業(yè)配電管理水平提升。運維人員工作中通常采用外觀檢查加儀器測量的方式，無法對配電柜內(nèi)部設(shè)備的運行狀態(tài)(如電纜頭溫度、絕緣受潮、老化情況等)做出準確評估，巡視效果有限。此外，由于無法實時監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，導致不能及時發(fā)現(xiàn)并主動處理設(shè)備隱患。在發(fā)生突發(fā)事件時，后臺應急指揮人員對現(xiàn)場態(tài)勢掌控不足，影響搶修復電時間?？梢?，搭建智能配電房態(tài)勢覺察平臺，提高配電網(wǎng)態(tài)勢感知能力[3-4]，對提高電網(wǎng)運維水平至關(guān)重要。

近年來，隨著智能配電網(wǎng)的發(fā)展，提升態(tài)勢感知能力成為智能配電房建設(shè)的重點[5-16]。態(tài)勢感知是在特定的時間和空間下，對環(huán)境中各元素或?qū)ο蟮挠X察、理解及對未來狀態(tài)的預測。對電力系統(tǒng)而言，其重點是實現(xiàn)對自身運行態(tài)勢的感知[3-4]。態(tài)勢覺察是態(tài)勢感知的基礎(chǔ)，其本質(zhì)是數(shù)據(jù)信息的收集，即根據(jù)配電系統(tǒng)分析和控制的需求合理配置量測，以獲取所需要的數(shù)據(jù)。智能配電系統(tǒng)信息的量測優(yōu)化配置、量測采集、雙向傳輸和管理處理是智能配電網(wǎng)區(qū)別于常規(guī)配電的顯著特征[17-19]。文獻[20-23]以優(yōu)化配置為目標，探討了量測裝置的優(yōu)化規(guī)劃問題。文獻[24-26]介紹了高級量測體系在用戶用電信息采集方面配置方案。在智能配電房態(tài)勢覺察能力建設(shè)方面，文獻[27]介紹了一種變電設(shè)備智能監(jiān)測傳感網(wǎng)絡(luò)及基于云平臺的變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)一體化智能監(jiān)測裝置方案，實現(xiàn)分布式計算、故障診斷與預警功能。文獻[28]針對智能配電網(wǎng)智能小區(qū)建設(shè)，介紹了融合集成通信、互動服務、小區(qū)配電自動化、分布式電源運行控制、智能家居等技術(shù)的智能小區(qū)系統(tǒng)架構(gòu)。文獻[29]介紹了居住區(qū)配電房的智能信息終端及配電房分布式智能運行平臺。文獻[30]提出配電物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)背景下的配電房智能終端設(shè)計概念，將其從單一業(yè)務功能終端向數(shù)據(jù)終端以及通信網(wǎng)關(guān)等多功能終端擴展，并進行了試點應用。文獻[31]介紹了一種智能配電房監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)環(huán)境、安防、視頻、設(shè)備狀態(tài)、電氣運行參量、設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)標簽管理等態(tài)勢覺察功能。文獻[32]對智能配電房功能及其經(jīng)濟效益進行介紹。以上文獻表明，智能配電房整體態(tài)勢覺察平臺方案有待完善。

針對上述問題，本文提出了一套智能配電房態(tài)勢覺察平臺方案。該方案通過智能配電房開關(guān)設(shè)備狀態(tài)、電能傳輸狀態(tài)、綜合環(huán)境等遙信、遙測實時數(shù)據(jù)監(jiān)測及上送，實現(xiàn)態(tài)勢覺察；通過智能配電房監(jiān)控系統(tǒng)、配電自動化系統(tǒng)等多源數(shù)據(jù)的信息融合共享，實現(xiàn)量測裝置優(yōu)化配置；通過配電房現(xiàn)場顯示屏、遠程監(jiān)控中心指揮屏幕、值班人員電腦，實現(xiàn)態(tài)勢感知可視化。該平臺具有信息融合和多維度態(tài)勢覺察功能，有利于工作人員分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)設(shè)備早期故障，降低人工巡檢成本；有助于深化配電網(wǎng)精益化管理實踐，提高運維水平，保障電網(wǎng)的安全運行。

1 智能配電房態(tài)勢覺察平臺構(gòu)成

1.1 智能配電房功能結(jié)構(gòu)

智能配電房可以實現(xiàn)配電房環(huán)境、安防、設(shè)備運行狀態(tài)的所有監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、分析、故障診斷和報警，其基本功能架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能配電房功能架構(gòu)

智能配電房態(tài)勢覺察平臺由傳感器、主控終端、配電終端單元(distribution terminal unit，DTU)、配電房顯示屏、后臺監(jiān)控機、監(jiān)控中心大屏幕、通信系統(tǒng)組成，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 智能主控終端

主控終端采用模塊化設(shè)計如圖3所示，可擴展，維護方便，可靠性高，集成度高，實時性好，運行穩(wěn)定。主控終端的通信采集模塊可支持配電房環(huán)境、配電房安防、電纜及通道監(jiān)測、10 kV設(shè)備監(jiān)測、0.4 kV設(shè)備監(jiān)測、導軌機器人等多種設(shè)備的接入。

圖3 智能主控終端軟件架構(gòu)

核心單元組件負責數(shù)據(jù)的處理、分析、儲存、與主站數(shù)據(jù)傳輸并實現(xiàn)智能聯(lián)動功能。傳感主站接入類組件具有豐富的接口，支持多種通信規(guī)約，滿足房內(nèi)傳感器裝置的直接接入。

1.2.1 軟件架構(gòu)說明

a)通信處理功能模塊。主站互動模塊負責主控終端與主站的信息交互，實現(xiàn)“三遙”功能。支持標準協(xié)議(包含IEC 60870-5-101和IEC 60870-5-104)、網(wǎng)管協(xié)議等。通信子模塊負責主控終端與傳感器、主站之間的數(shù)據(jù)通信。通信規(guī)約支持多種標準協(xié)議，包含Modbus、IEC 60870-5-101和IEC 60870-5-104等。

b)數(shù)據(jù)分析處理功能模塊。對數(shù)據(jù)進行處理分析，對接近閥值和超越閥值的檢測量進行預警和告警，并且實現(xiàn)與風機控制器、攝像頭、水泵的智能聯(lián)動。

c)數(shù)據(jù)存儲功能模塊。對相關(guān)的測量數(shù)據(jù)、告警數(shù)據(jù)、及文件數(shù)據(jù)進行本地存儲。

1.2.2 主控終端主要功能

a)通信功能。具備RS-485、RS-232、RJ45等接口，通信規(guī)約支持多種標準協(xié)議，包含Modbus、IEC 60870-5-101和IEC 60870-5-104等。

b)告警功能。主控終端根據(jù)信息類別進行分析，異常時分類告警，告警信號見表1。

表1 分類告警信號說明

c)智能聯(lián)動功能。主控終端根據(jù)遙信、遙測數(shù)據(jù)分析以及告警信息實現(xiàn)與視頻、風機控制器、水泵控制器之間的智能聯(lián)動，智能聯(lián)動功能見表2。

d)數(shù)據(jù)本地記錄功能。具備動態(tài)數(shù)據(jù)本地可靠

表2 智能聯(lián)動功能說明

存儲、數(shù)據(jù)循環(huán)存儲，滿足裝置(服務器)停電數(shù)據(jù)不丟失、數(shù)據(jù)存儲過程只循環(huán)改寫不支持外部改寫及刪除功能。

e)數(shù)據(jù)處理功能。配電房監(jiān)測數(shù)據(jù)量大，全部轉(zhuǎn)發(fā)到主站將會給主站帶來極大的壓力。智能終端將采集到的數(shù)據(jù)進行分類處理和計算分析，將分析結(jié)果上傳到主站。數(shù)據(jù)處理主要包括有效性檢驗、定值、極值統(tǒng)計、視頻圖像識別、局部放電分析等。

2 態(tài)勢覺察平臺的數(shù)據(jù)量測

配置量測裝置，實現(xiàn)“三遙”功能。量測數(shù)據(jù)中遙信數(shù)據(jù)為離散的數(shù)字信號，包括開關(guān)分合狀態(tài)、接地刀閘分合狀態(tài)、智能配電房主輔設(shè)備狀態(tài)信號等。遙測數(shù)據(jù)為模擬信號，包括電能(電壓、電流、功率、負荷等)實時數(shù)值信號，也包括電纜頭溫度、環(huán)境溫濕度、水浸、煙感、噪聲、氣體泄漏、消防等智能配電房監(jiān)測信號。遙控實現(xiàn)遠程操作開關(guān)及配電房安防、門禁、視頻監(jiān)控等設(shè)備。

2.1 配電自動化量測裝置配置

配電自動化系統(tǒng)是智能配電網(wǎng)的重要組成部分，其通過站所DTU采集測量裝置信號，實現(xiàn)“三遙”功能。配電自動化測量裝置配置如圖4所示。遙信量(開關(guān)、接地刀閘實時狀態(tài))通過采集開關(guān)輔助觸點信號實現(xiàn)；遙測量(電能實時數(shù)據(jù))通過采集開關(guān)柜內(nèi)的相電流互感器、零序電流互感器、電壓互感器等裝置二次信號實現(xiàn)。DTU通過采集模塊接收測量回路遙信、遙測量，存儲并上傳至配電自動化系統(tǒng)主站。主控終端從DTU中讀取遙信、遙測數(shù)據(jù)，通過與配電自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享實現(xiàn)設(shè)備運行狀態(tài)關(guān)鍵數(shù)據(jù)監(jiān)控。

圖4 配電自動化二次設(shè)備示意圖

2.2 智能配電房監(jiān)測傳感器配置

2.2.1 配電房綜合環(huán)境監(jiān)測

綜合環(huán)境監(jiān)控實現(xiàn)對配電房內(nèi)環(huán)境溫濕度、水浸、煙感、噪聲、氣體泄漏、消防設(shè)備等遙測量的實時監(jiān)測，并聯(lián)動控制照明、風機、防汛設(shè)備、驅(qū)鼠器、站內(nèi)除濕器工作，系統(tǒng)如圖5所示。本地允許保存監(jiān)測數(shù)據(jù)，進而對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)預設(shè)報警判據(jù)，產(chǎn)生報警事件。

圖5 配電房綜合環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

2.2.2 設(shè)備溫度監(jiān)測

SF6充氣環(huán)網(wǎng)柜是智能配電房的主要中壓設(shè)備。實際運行經(jīng)驗表明，電纜接頭或堵頭等部位的虛接、材料老化、磨損、過載等易造成接觸電阻過大、運行中過熱，最后導致絕緣燒損，形成線間或相間短路，瞬間引發(fā)火災事故；因此，對環(huán)網(wǎng)柜電纜溫度監(jiān)測至關(guān)重要。針對環(huán)網(wǎng)柜溫度監(jiān)測的需要，采用無線測溫傳感器監(jiān)測電纜頭溫度，系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 電纜頭溫度監(jiān)測系統(tǒng)

低壓設(shè)備在運行中，相對高壓線路更容易出現(xiàn)線路過載；同時回路電氣接點接觸不良、絕緣受損、積塵、受潮、元件本身質(zhì)量不良等諸多原因，造成過熱溫升問題發(fā)生。因而在低壓柜母線、電纜接頭等易發(fā)溫升部位配置溫度傳感器，實時監(jiān)測設(shè)備溫度。

2.3 主控終端與DTU及后臺的數(shù)據(jù)通信

目前配電自動化系統(tǒng)廣泛采用IEC 61870-5-104標準。建立主控終端與DTU的通信回路，其通信架構(gòu)如圖7所示。主控終端采集接收DTU傳送的報文，對其進行解密和數(shù)據(jù)編碼處理。通過RS-485串口采集工具將需顯示的數(shù)據(jù)傳送至顯示屏相應地址的數(shù)碼管上，完成數(shù)據(jù)通信。

圖7 DTU與主控終端數(shù)據(jù)通信架構(gòu)

主控終端與各類傳感器數(shù)據(jù)通信采用無線網(wǎng)絡(luò)、RS-485線、光纖等方式。數(shù)據(jù)匯集后，通過光纖傳輸至后臺管理平臺。

3 態(tài)勢覺察平臺可視化

態(tài)勢覺察平臺的可視化通過配電房顯示屏、后臺監(jiān)控屏幕、后臺值班電腦實現(xiàn)。

3.1 智能配電房顯示屏主要功能

智能配電房顯示屏讀取主控終端內(nèi)的實時數(shù)據(jù)，在本地集中顯示。顯示屏如圖8所示，顯示數(shù)據(jù)見表3。

圖8 配電房一次系統(tǒng)顯示屏示意圖

功能顯示內(nèi)容顯示方式站房一次設(shè)備連接關(guān)系主接線圖靜態(tài)噴涂開關(guān)分合閘狀態(tài)顯示燈接地刀閘狀態(tài)顯示燈防誤閉鎖功能(預留)防誤閉鎖防誤閉鎖接口設(shè)備運行狀況A、C相電流數(shù)碼顯示管A、B、C三相電纜頭實時溫度數(shù)碼顯示管運行環(huán)境信息環(huán)境溫濕度LED屏顯示日期及歷史數(shù)據(jù)安全運行天數(shù)LED屏顯示電氣設(shè)備告警類濕度、煙感、水浸報警信息LED屏顯示安防報警聲音運行報警如過載、溫升異常聲光報警

3.2 智能配電房顯示屏元件

在本方案中，顯示屏配置選擇了數(shù)碼顯示管與LED屏組合的馬賽克屏[33]，其具有造價較低、對運行環(huán)境適應性強的特點，可在設(shè)計時按照配電房遠期最大擴建規(guī)模預留間隔，保證可擴展性。但顯示屏配置并不唯一，亦可選擇基于組態(tài)軟件驅(qū)動的數(shù)字顯示屏等，應綜合考慮配電房級別、配電房類型、運行環(huán)境、設(shè)備造價進行差異化配置。

本方案采用數(shù)碼顯示管與LED屏組合顯示屏。運行數(shù)據(jù)顯示元件對應關(guān)系見表3。模擬屏采用鑲嵌式高彈度絕緣阻燃模塊結(jié)構(gòu)，每個模塊大小為25 mm×25 mm，顏色為淺灰。顯示屏尺寸為2 000 mm×1 300 mm，一次主接線圖以雕刻填漆工藝加工繪制于屏上。當需要進行配電房改造時，可對改動的子模塊進行拆除更換，完成重新拼接。馬賽克屏預留數(shù)碼顯示管和顯示燈位置，對每個顯示元件以相應地址編碼。以用于顯示電流值的7位數(shù)碼管為例，該元件需要直流穩(wěn)壓電源提供工作電壓，數(shù)據(jù)通信線提供數(shù)據(jù)傳輸通道，如圖9所示。

圖9 數(shù)碼管顯示元件

3.3 顯示屏供電及通信系統(tǒng)

主控終端作為數(shù)據(jù)中心，向顯示屏傳送信號狀態(tài)數(shù)據(jù)。輸出端口為RS-232，經(jīng)過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為RS-485接口，傳輸至顯示屏的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接通信控制器。

系統(tǒng)供電電壓包括2個部分。如圖10所示，第1部分為5 V直流工作電源，由電源模塊1提供，其經(jīng)過8引線排線(占用4根)依次連接所供的7位數(shù)碼顯示管。第2部分為12 V直流工作電源，由電源模塊2提供，對控制器系統(tǒng)板1、2和LED顯示屏供電。每個控制器系統(tǒng)板供3回線路9盞狀態(tài)燈。

圖10 顯示屏供電通信示意圖

采用RS-485通信，通信回路經(jīng)過8引線排線(占用4根，雙回路)依次連通數(shù)碼顯示管。每個顯示元件設(shè)定特定IP地址，對應顯示遙測、遙信、告警信號等數(shù)據(jù)。

模擬屏上部布置LED滾動屏，準確顯示年、月、日、時、分、秒、安全運行天數(shù)以及當前故障狀態(tài)，具有停電保護功能，停電時不會丟失現(xiàn)行數(shù)據(jù)。LED屏供電數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過網(wǎng)線與電腦連接，可程序設(shè)置顯示內(nèi)容。

3.4 后臺遠程監(jiān)控

智能配電房態(tài)勢覺察平臺的后臺主站系統(tǒng)采用云平臺配置模式，如圖11所示。配電房與主站的通信采用光纖通信和無線通信方式，優(yōu)先選用電力光纖承載智能配電房業(yè)務，不具備光纖條件的配電房可采用公網(wǎng)有線、無線通信通道。配置獨立的工業(yè)以太網(wǎng)交換機，接入配電通信網(wǎng)絡(luò)，通信網(wǎng)絡(luò)通過防火墻接入云平臺，實現(xiàn)配電房端與主站之間的通信。監(jiān)控中心后臺從云端讀取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，在中心大屏幕上顯示，配電值班人員可通過計算機、手機APP了解智能配電房設(shè)備運行狀況。

圖11 態(tài)勢覺察平臺數(shù)據(jù)遠程監(jiān)控系統(tǒng)

4 應用場景及應用案例

4.1 應用場景

智能配電房態(tài)勢覺察平臺已應用于某供電局智能配電房試點工程中。實際運維中，運行人員可通過遠程監(jiān)控了解配電房內(nèi)設(shè)備運行狀態(tài)，減少現(xiàn)場巡視次數(shù)，節(jié)約了人力成本，尤其在保供電期間可減少保供電人員的被占用。在進行現(xiàn)場操作時，操作人員能從配電房顯示屏內(nèi)直觀了解設(shè)備運行狀態(tài)和開關(guān)、刀閘位置，對操作風險作出判斷，當設(shè)備狀態(tài)較差時及時上報問題，采取相應措施。執(zhí)行操作后，顯示屏實時顯示開關(guān)分合位置、刀閘位置信息，操作人員得以對現(xiàn)場操作效果進行有效驗證，減少設(shè)備未分合到位造成的安全隱患。預留“五防”閉鎖接口，也將兼容防誤閉鎖功能，進一步減少操作風險。故障搶修時，現(xiàn)場搶修人員可以同后臺指揮人員一起研判故障類型，采取有效處理措施。

4.2 應用案例

如圖12所示為某實際運行饋線地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)圖部分，A開關(guān)房、B綜合房均為智能配電房。

圖12 使用案例對應的現(xiàn)場GIS圖

4.2.1 日常巡視案例

現(xiàn)場巡視時，針對一次設(shè)備，巡視人員從配電房內(nèi)顯示屏檢查記錄環(huán)境參數(shù)、開關(guān)狀態(tài)、電流值等是否正常；針對二次，巡視人員從顯示屏檢查記錄線路電流值、遙信狀態(tài)與主站是否一致。除現(xiàn)場巡視外，非重要時段可采用遠程監(jiān)控巡視。

4.2.2 停電轉(zhuǎn)電案例

B綜合房為A開關(guān)房的下一級聯(lián)絡(luò)配電房。對A開關(guān)房進行轉(zhuǎn)電時，接到配電網(wǎng)調(diào)度命令后，現(xiàn)場操作人員除了核對開關(guān)柜名牌外，亦需要通過顯示屏核對開關(guān)狀態(tài)、刀閘狀態(tài)和負荷電流值是否正常，再次確認是否滿足轉(zhuǎn)電條件。確認無誤后，方可執(zhí)行轉(zhuǎn)電操作。操作完成后通過顯示屏對開關(guān)狀態(tài)、負荷電流進行核對。轉(zhuǎn)電前A開關(guān)房605開關(guān)電流為其他所有出線開關(guān)電流之和；轉(zhuǎn)電后A開關(guān)房602開關(guān)電流為其他所有出線開關(guān)電流之和。通過站內(nèi)顯示屏驗證操作結(jié)果，避免誤操作。

4.2.3 故障處理案例

A開關(guān)房與B綜合房之間電纜發(fā)生接地短路故障，導致甲變電站的站出線甲F22開關(guān)跳閘，A開關(guān)房母線全停。故障發(fā)生后，監(jiān)控中心調(diào)取運行數(shù)據(jù)，立刻派出搶修人員到達現(xiàn)場。配電網(wǎng)調(diào)度根據(jù)自動化指示信息，斷開A開關(guān)房到B綜合房的602開關(guān)，對站出線甲F22試送電。此時，搶修人員通過站內(nèi)顯示屏及開關(guān)柜，核對操作結(jié)果，記錄甲變電站至A開關(guān)房站出線甲F22電纜的電流值，核對602開關(guān)饋出電流值為零。檢修人員檢查故障電纜兩側(cè)開關(guān)狀態(tài)，確認無誤后，結(jié)合顯示屏狀態(tài)，合上故障開關(guān)兩側(cè)接地刀閘，將故障電纜轉(zhuǎn)為檢修狀態(tài)。

5 結(jié)論

本文開發(fā)了一種智能配電房態(tài)勢覺察平臺，可實時反映智能配電房設(shè)備運行狀況及環(huán)境信息，實現(xiàn)了配電房多維度態(tài)勢覺察和態(tài)勢可視化功能。該系統(tǒng)提升了配電運維人員操作、運維、搶修的效率和安全性，同時實現(xiàn)了多源數(shù)據(jù)信息融合，深化了配電網(wǎng)精益化管理實踐，有助于提高供電效率，提升電網(wǎng)運維水平。