賈化萍 桑學(xué)寧

北京煜邦電力技術(shù)股份有限公司 北京 100029

引言

能源互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，要求未來(lái)的配變終端必須具備多元、快速的數(shù)據(jù)處理能力和海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，而現(xiàn)有的低壓配電網(wǎng)終端如配電監(jiān)控裝置(DTU)、饋線監(jiān)控裝置(FTU)、用電信息采集終端郵寄智能電表等分類(lèi)繁多、功能單一、資源配置偏低、擴(kuò)展性差，已難以適應(yīng)能源互聯(lián)網(wǎng)“云大物移”的發(fā)展方向。本文將對(duì)滿足未來(lái)多種業(yè)務(wù)需求的智能化程度更高的新型終端進(jìn)行詳細(xì)描述，具體闡述其組成結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用場(chǎng)景等。

1 低壓配電物聯(lián)網(wǎng)概述

配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)的重要組成部分，低壓配電網(wǎng)是電力供應(yīng)的末端，物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在低壓配電領(lǐng)域中的應(yīng)用實(shí)踐，它是一種新型電力網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)設(shè)備之間的完全互操作性、互聯(lián)性、可靠性綜合感知、數(shù)據(jù)集成和智能應(yīng)用，滿足電力系統(tǒng)可靠性精益化和智能化強(qiáng)電網(wǎng)快速建設(shè)的需要，是電力系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)。

低壓配電物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)分為“云、管、邊、端”四層，“云”即搭建在云平臺(tái)之上的主站系統(tǒng)，通過(guò)統(tǒng)一的云平臺(tái)來(lái)管理、調(diào)配系統(tǒng)資源，并為業(yè)務(wù)應(yīng)用提供支撐；“管”即是數(shù)據(jù)傳輸通道；“邊”是靠近數(shù)據(jù)端的邊緣計(jì)算設(shè)備；“端”是各種傳感、采集設(shè)備。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)的低壓配電物聯(lián)網(wǎng)本質(zhì)上是智能信息技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化的深度融合，是解決目前低壓配電領(lǐng)域面臨的諸多問(wèn)題的完美解決方案，實(shí)現(xiàn)了分布式網(wǎng)絡(luò)的感知，通過(guò)信息的力量進(jìn)一步釋放原有配電網(wǎng)的生產(chǎn)力，適應(yīng)未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展[4]。

2 智能配電終端

2.1 智能配電終端概述

智能配電終端是對(duì)傳統(tǒng)配用電終端的智能化改造而形成的新一代智能終端，屬于低壓配電物聯(lián)網(wǎng)的邊側(cè)設(shè)備，具備邊緣計(jì)算功能，不僅用于配電變壓器，還用于整個(gè)配電區(qū)域、用電側(cè)設(shè)備和綜合信息通信管理，集成邊緣計(jì)算功能，可實(shí)現(xiàn)狀態(tài)感知、邊緣物聯(lián)和數(shù)據(jù)采集等功能。

2.2 應(yīng)用原則

傳統(tǒng)的配電終端只起到監(jiān)測(cè)配電變壓器的運(yùn)行工況的作用，幫助運(yùn)維人員實(shí)現(xiàn)對(duì)智能設(shè)備的控制。新一代智能配電終端以國(guó)網(wǎng)公司“云、管道、邊、端”的頂層體系結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，提高對(duì)側(cè)負(fù)荷控制，優(yōu)化分布式能源訪問(wèn)管理，旨在提高配電網(wǎng)設(shè)備水平，加強(qiáng)配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)維護(hù)，提高配電網(wǎng)服務(wù)效率，推動(dòng)配電網(wǎng)從被動(dòng)管理走向主動(dòng)管理。通過(guò)電力物聯(lián)，以配電主站為平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)低壓端、用戶端的全面聯(lián)系，統(tǒng)一集中管理。優(yōu)先訪問(wèn)配電變壓器、低壓開(kāi)關(guān)、無(wú)功補(bǔ)償裝置等電源端設(shè)備信息。根據(jù)臺(tái)區(qū)設(shè)備條件，可以逐步實(shí)現(xiàn)與電動(dòng)汽車(chē)充電樁、分布式電源、智能電能表、三相不平衡管理裝置等設(shè)備的信息交互及現(xiàn)場(chǎng)智能控制。根據(jù)業(yè)務(wù)管理要求，實(shí)施智能變壓器終端應(yīng)用軟件(APP)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)無(wú)處不在，可以?xún)?yōu)化人員配置，制定綜合計(jì)劃，方便管理。

2.3 智能配電終端相關(guān)技術(shù)

2.3.1 通信技術(shù)。針對(duì)低壓配電的物聯(lián)網(wǎng)解決方案，將系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類(lèi)型分為操作數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)。配電終端的通信包括遠(yuǎn)程接入和本地通信接入，可使用LTE/LOT-G專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)和GPRS/4G/5G公共網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信接入，而HPLC、Zig Bee、LORA等技術(shù)可用于本地通信接入。230M電力無(wú)線專(zhuān)用網(wǎng)技術(shù)采用7m頻段的功率授權(quán)和ofdm離散頻譜聚合技術(shù)，具有速度快、時(shí)延小、覆蓋范圍廣等技術(shù)特點(diǎn)，且安全性高，成本低，可以有效解決現(xiàn)有電力無(wú)線通信系統(tǒng)頻譜效率低、組網(wǎng)能力弱、實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題，是構(gòu)建智能電網(wǎng)信息通信體系的重要技術(shù)[3]；5G網(wǎng)絡(luò)將為配電網(wǎng)的無(wú)線遠(yuǎn)程接入提供更為可靠、實(shí)時(shí)、靈活的解決方案；HPLC技術(shù)是以電力線為載體的數(shù)據(jù)傳輸解決方案，具有數(shù)據(jù)傳輸速度快、數(shù)據(jù)容量大、雙向傳輸?shù)燃夹g(shù)特點(diǎn)，采用HPLC通信技術(shù)的低壓配電終端可以實(shí)現(xiàn)對(duì)端側(cè)智能傳感設(shè)備數(shù)據(jù)的高速、并發(fā)采集。

2.3.2 安全防護(hù)技術(shù)。智能配電終端采用多個(gè)層級(jí)的安全措施來(lái)保證終端全維度的操作可控性、風(fēng)險(xiǎn)可防性。硬件通過(guò)兩個(gè)安全加密芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)云接入平臺(tái)、配電及用電主站的多個(gè)通道的安全認(rèn)證；系統(tǒng)層面采用安全加固的操作系統(tǒng)，并采用數(shù)字簽名等機(jī)制，對(duì)系統(tǒng)引導(dǎo)程序、操作系統(tǒng)、內(nèi)核、應(yīng)用程序等進(jìn)行合法校驗(yàn)；終端接入主站時(shí)采用雙向身份認(rèn)證機(jī)制，任何數(shù)據(jù)交互前須先進(jìn)行身份認(rèn)證；業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)交互根據(jù)數(shù)據(jù)的重要性采用不同的加密等級(jí)；運(yùn)維方面基于唯一標(biāo)識(shí)和數(shù)字證書(shū)結(jié)合保證數(shù)據(jù)的可靠性。

2.4 智能配電終端架構(gòu)設(shè)計(jì)

新一代的智能配電終端多采用硬件平臺(tái)化、軟件APP（Application應(yīng)用程序）化的設(shè)計(jì)思路。在安全加固操作系統(tǒng)及其通用基本接口和基礎(chǔ)業(yè)務(wù)功能接口的基礎(chǔ)上，基于容器技術(shù)的APP設(shè)計(jì)，每種業(yè)務(wù)由一個(gè)或多個(gè)App來(lái)實(shí)現(xiàn)，從協(xié)議到架構(gòu)采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，降低各個(gè)模塊之間的耦合性。使用消息總線框架，APP之間的交互全部通過(guò)消息總線采用統(tǒng)一的接口進(jìn)行，可靈活采用MQTT、IPC、UDP、TCP等多種消息驅(qū)動(dòng)方式，提高了終端軟件的可維護(hù)性、可讀性、可擴(kuò)展性及靈活性。實(shí)現(xiàn)了由應(yīng)用軟件定義終端功能，業(yè)務(wù)應(yīng)用快速開(kāi)發(fā)、快速部署，適應(yīng)未來(lái)多種業(yè)務(wù)需求。

圖1 智能配電終端架構(gòu)圖

3 智能配電終端在低壓配電物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用場(chǎng)景

3.1 故障研判

與高壓電網(wǎng)相比，低壓電網(wǎng)的故障檢測(cè)手段十分匱乏。由于低壓側(cè)用戶眾多，低壓支線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大型故障指示器安裝投資大，成本高效益低。然而，低壓配電網(wǎng)作為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的終端環(huán)節(jié)，直接面向用電者，如果不提供有效的管理手段，用戶的用電體驗(yàn)將大大降低。

智能配電終端能夠與DTU、FTU、中壓側(cè)故障指示器良好配合，形成配電網(wǎng)的防線。智能配電終端可通過(guò)采集低壓側(cè)監(jiān)控設(shè)備，獲取配電變壓器狀態(tài)容量數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)智能電能表的數(shù)據(jù)采集，準(zhǔn)確地確定電表的分配信息以及電表和變壓器之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)低壓側(cè)拓?fù)淠Ｐ偷膭?dòng)態(tài)管理。并根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行故障識(shí)別，準(zhǔn)確定位故障區(qū)段，將結(jié)果上報(bào)主站，進(jìn)行故障研判和故障預(yù)警，從而變“被動(dòng)搶修”為“主動(dòng)檢修”。例如，電力公司在某小農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行試點(diǎn)時(shí)，利用智能終端將故障數(shù)據(jù)發(fā)送到中央主站，主站通過(guò)分析，精確定位故障的原因，推送服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行搶修，并向用戶發(fā)送斷電時(shí)間及信息，減少了60%的故障時(shí)間，大大提高了維修效率，有效地提高了客戶的需求水平和配電要求[1,5]。

3.2 智慧用能

在低壓連接和配電網(wǎng)用戶端，智能終端通過(guò)與臺(tái)區(qū)各種低壓電器設(shè)備的通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)臺(tái)區(qū)各種電力運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)控制以及對(duì)電能等的管理功能?；诖罅窟\(yùn)行數(shù)據(jù)，建立智慧用電的數(shù)據(jù)模型，感知分析用戶的用電信息，了解不同用戶群體的用電行為特征。對(duì)家庭和企業(yè)進(jìn)行了識(shí)別和描述，并為用戶提供節(jié)能及用電安全隱患診斷。針對(duì)用能效率低的高耗能工商業(yè)用戶，提供智能化的節(jié)能解決方案；針對(duì)家庭用戶，提供合理的用電建議。從而引導(dǎo)用戶采用科學(xué)的用能方式，提高能源的利用率，改善長(zhǎng)期以來(lái)居民家庭及企業(yè)用電信息缺失、需求側(cè)響應(yīng)不及時(shí)、用戶體驗(yàn)感不高的問(wèn)題。

3.3 線損管理

配電網(wǎng)線損是電力系統(tǒng)中普遍存在的問(wèn)題。隨著電力市場(chǎng)化信息化的發(fā)展，用電量逐年增加，用電量呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)，線損問(wèn)題處理得越成功，越能有效控制用電量。

智能配電終端的應(yīng)用有效地解決了配電線路的線損計(jì)算問(wèn)題。在不改變?cè)须娏Σ杉到y(tǒng)通信結(jié)構(gòu)的前提下，建立了低壓信息采集網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)采集各分支計(jì)量裝置的數(shù)據(jù)，基于臺(tái)區(qū)總表、各分支箱及表箱和用戶智能電表的計(jì)量數(shù)據(jù)，計(jì)算各個(gè)分支、各分級(jí)的線損數(shù)據(jù)，并可統(tǒng)計(jì)日、小時(shí)、分鐘的線損率，對(duì)線損異常進(jìn)行預(yù)警，從而實(shí)現(xiàn)線損的精細(xì)化管理。

3.4 設(shè)備管理

配電設(shè)備規(guī)模大，維護(hù)設(shè)備管理更具有一定的難度，基于電力物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的智能終端，可通過(guò)采集并分析配電臺(tái)區(qū)內(nèi)各種設(shè)備的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行信息并結(jié)合各種感知數(shù)據(jù)智能評(píng)估預(yù)測(cè)低壓配電網(wǎng)及設(shè)備未來(lái)的運(yùn)行趨勢(shì)。從而建立起了對(duì)臺(tái)區(qū)設(shè)備的分析與管控機(jī)制，完善預(yù)防措施，為低壓故障維修提供技術(shù)指導(dǎo)，為故障的定位提供技術(shù)支撐。這有助于減少檢驗(yàn)員的工作量，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的設(shè)備、人力和物力資源的有效管理[2]。

4 結(jié)束語(yǔ)

智能配電終端作為一種新型的智能化終端，設(shè)計(jì)中采用了通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能芯片等先進(jìn)技術(shù)手段，具有豐富的物聯(lián)網(wǎng)性質(zhì)，目的在于消除不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的障礙，實(shí)現(xiàn)了低壓配電物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)管理。但還需在更多的應(yīng)用場(chǎng)景中推廣使用，從而使功能更加完善，滿足更精細(xì)化的業(yè)務(wù)需求，為能源互聯(lián)網(wǎng)提供更好的技術(shù)支撐。