劉浩，趙偉，溫克歡，何恒靖，李世松，黃松嶺

(1. 清華大學(xué) 電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京 100084； 2. 深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518048；3. 南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司， 廣州 510663)

0 引 言

在電力系統(tǒng)中，尤其是在配電網(wǎng)中，為實現(xiàn)對低壓配電臺區(qū)(以下簡稱配電臺區(qū))電力設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測、電能量數(shù)據(jù)的收集等，供電公司在配電臺區(qū)安裝了大量的運行監(jiān)測和帶電能計量功能的儀器設(shè)備。并且，經(jīng)過一波又一波技術(shù)升級和細(xì)化功能的改造，導(dǎo)致現(xiàn)階段配電臺區(qū)安裝使用的運行監(jiān)測和計量設(shè)備已有多個不同種類，且它們相互獨立運行，各自測得的數(shù)據(jù)信息難以共享共用；同時仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)，它們中很高比例的功能其實相同，而為具備這些功能所必備的硬件單元也存在重復(fù)。如此，這就使得供電公司承載的配電臺區(qū)運行監(jiān)測和計量設(shè)備的安裝、數(shù)據(jù)信息處理、設(shè)備管理和維護(hù)等任務(wù)日益繁重。為減少供電公司在配電臺區(qū)運行監(jiān)測和計量設(shè)備上的投資，降低設(shè)備管理及運維成本，同時提高配電網(wǎng)監(jiān)測運維管理工作效率，十分必要對配電臺區(qū)多種不同的運行監(jiān)測和計量設(shè)備進(jìn)行整合優(yōu)化。

1 配電臺區(qū)運行監(jiān)測和計量設(shè)備的整合與優(yōu)化

現(xiàn)階段，配電臺區(qū)中的運行監(jiān)測和計量設(shè)備，主要有安裝在公變臺區(qū)的配變監(jiān)測計量終端和用電數(shù)據(jù)信息采集集中器，以及安裝在專變用戶現(xiàn)場的負(fù)荷控制終端和三相多功能電能表等。所謂配電臺區(qū)運行監(jiān)測和計量設(shè)備的整合與優(yōu)化，就是將上述四種運行監(jiān)測和計量設(shè)備的軟、硬件功能單元做一體化整合，并按模組化思路加以設(shè)計，進(jìn)而研制一種由可覆蓋原四種運行監(jiān)測和計量設(shè)備共性功能的基本架構(gòu)+特定功能單元整合而成的所謂模組化智能融合終端，其中的特定功能單元有多種，是根據(jù)終端在配電臺區(qū)內(nèi)實際應(yīng)用場景的不同，配置相應(yīng)的擴展模塊以及功能APP，以實現(xiàn)所需的功能和技術(shù)性能[1-3]。研制具備上述軟件、硬件特征的新型智能融合終端，可統(tǒng)一配電臺區(qū)原四種運行監(jiān)測和計量設(shè)備的基本架構(gòu)，同時利用模組化的設(shè)計，覆蓋原四種設(shè)備的所有功能，并且能實現(xiàn)用一臺模組化智能融合終端，就能替代公變臺區(qū)的一臺配變監(jiān)測計量終端和一個用電數(shù)據(jù)信息采集集中器；或僅用一臺這種新型的終端，就可以替代安裝于專變用戶現(xiàn)場的一臺負(fù)荷控制終端和一塊三相多功能電能表。如此，新型模組化智能融合終端的應(yīng)用，將明顯提高終端設(shè)備的集成度，減少設(shè)備數(shù)量和安裝空間，整體性降低配電臺區(qū)運行監(jiān)測和計量設(shè)備運維檢修的成本，有效支撐配電網(wǎng)運行監(jiān)測管理的數(shù)字化、自動化和智能化建設(shè)。

1.1 配電臺區(qū)四種運行監(jiān)測和計量設(shè)備的功能對比

在公變臺區(qū)，配變監(jiān)測計量終端和用電數(shù)據(jù)信息采集集中器，均安裝在公用配電房內(nèi)的計量柜內(nèi)，其中，配變監(jiān)測計量終端可實時采集配電變壓器二次側(cè)的電參量數(shù)據(jù)，并對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、存儲和傳輸，進(jìn)而實現(xiàn)對配電變壓器運行狀態(tài)和供電電能質(zhì)量的監(jiān)測；同時，該終端所測得的電能量為整個臺區(qū)的總用電量，供電公司的電能計量自動化主站還可利用其測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行臺區(qū)線損分析與考核。而用電信息采集集中器，則可抄讀、存儲臺區(qū)內(nèi)所有末端用戶電能表的數(shù)據(jù)，并傳輸給供電公司的電能計量自動化主站。

另外，負(fù)荷控制終端和三相多功能電能表，則是同時安裝在用戶專用變壓器的一次側(cè)(或二次側(cè))，用于實現(xiàn)對專變用戶的現(xiàn)場服務(wù)、管理以及用電量計費。具體地，兩者會同時測量和采集專變一次側(cè)的電參量數(shù)據(jù)，其中，三相多功能電能表作為法制計量器具，其所計量的電能量可用作用電量計費；而負(fù)荷控制終端可通過RS-485總線與三相多功能電能表連接，其除采集三相多功能電能表數(shù)據(jù)并上傳至電能計量自動化主站外，本身也具備電能計量功能，因此，當(dāng)三相多功能電能表發(fā)生故障或失準(zhǔn)時，負(fù)荷控制終端計量的電能數(shù)據(jù)，也可作為退補電費和故障研判的參考[4]。此外，負(fù)荷控制終端還可對專變用戶變壓器側(cè)的斷路器進(jìn)行拉合閘，實現(xiàn)其負(fù)荷控制的功能。

配變監(jiān)測計量終端、用電數(shù)據(jù)信息采集集中器、負(fù)荷控制終端和三相多功能電能表，這四種配電臺區(qū)主要的運行監(jiān)測和計量設(shè)備的具體功能及其對比情況，見表1。

表1 配電臺區(qū)4種運行監(jiān)測和計量設(shè)備的功能對比Tab.1 Function comparison of 4 kinds of operation monitoring and metering equipment in distribution station area

從表1可明顯看出，這4種運行監(jiān)測和計量設(shè)備的大部分功能存在重復(fù)，且它們的硬件構(gòu)成、型式結(jié)構(gòu)也差異不大；并且，負(fù)荷控制終端和三相多功能電能表會重復(fù)測量和采集專變一次側(cè)的電參量數(shù)據(jù)，而兩者所用到的交流采樣模塊與配變監(jiān)測計量終端中的交流采樣模塊基本相同，無疑，這已造成相應(yīng)硬件資源的浪費。同時，原四種運行監(jiān)測和計量設(shè)備的軟件架構(gòu)相對比較固定，與終端的硬件結(jié)構(gòu)強耦合，難以實現(xiàn)新功能的拓展和升級。針對于此，借助現(xiàn)行的技術(shù)手段和條件，完全可能將上述四種運行監(jiān)測和計量設(shè)備進(jìn)行一體化改造，對它們的硬件構(gòu)成做模組化設(shè)計，軟件架構(gòu)做APP化設(shè)計，以完成對這四種運行監(jiān)測和計量設(shè)備軟件、硬件資源的整合優(yōu)化。此目標(biāo)若能實現(xiàn)，便可改變目前配電臺區(qū)運行監(jiān)測和計量設(shè)備多種多樣且數(shù)量大，相應(yīng)硬件資源存在冗余浪費、軟件程序難以更新迭代的現(xiàn)狀；同時，可降低配電臺區(qū)運行監(jiān)測和計量設(shè)備的購置、運維成本和管理難度。

1.2 配電臺區(qū)運行監(jiān)測和計量設(shè)備整合與優(yōu)化現(xiàn)狀

對配電臺區(qū)運行監(jiān)測和計量設(shè)備的改造，國家電網(wǎng)公司于2017年就提出了構(gòu)建智能配變終端的技術(shù)要求，目的是希望在供電系統(tǒng)僅使用一種集成化綜合智能終端，就能為配電臺區(qū)所有電氣設(shè)備的安全可靠運行提供智能、精細(xì)的管控技術(shù)支撐。同時，文獻(xiàn)調(diào)研注意到，截至目前，國內(nèi)有多個省市和地區(qū)的供電公司，也已在對配電臺區(qū)運行監(jiān)測和計量設(shè)備的改造上進(jìn)行探索[5-9]，取得的部分成果有，將配變監(jiān)測計量終端與用電數(shù)據(jù)信息采集集中器做一體化整合，制成一種綜合智能終端。該終端可取代配電臺區(qū)原有的兩種運行監(jiān)測和計量設(shè)備，并能實現(xiàn)原兩種設(shè)備的所有功能。例如，河北電力科學(xué)研究院研發(fā)設(shè)計出一款配用電側(cè)智慧感知設(shè)備[5]。該設(shè)備整合了配變監(jiān)測計量終端與用電數(shù)據(jù)信息采集集中器共有的軟件、硬件資源，并將通信單元做模塊化設(shè)計，支持模塊組合與互換，且在終端軟、硬件層面采取有效措施，保障了不同功能單元的相互獨立運行。該設(shè)備既可支持用電信息采集主站抄讀抄表集中器獲得的數(shù)據(jù)信息，又可將配電設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸給配變主站，實現(xiàn)了營銷和配電兩部門運行監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、信息處理共用一個終端設(shè)備的目標(biāo)。

文獻(xiàn)[7]介紹的一款多功能配變監(jiān)測終端，則是對配電臺區(qū)多種運行監(jiān)測和計量設(shè)備的功能進(jìn)行了有機整合，在保持其原有硬件結(jié)構(gòu)基本不變前提下，這款多功能配變監(jiān)測終端按實現(xiàn)功能，劃分為計量監(jiān)測、集抄和安全監(jiān)測三個子系統(tǒng)，可實現(xiàn)配變監(jiān)測、集中抄表、變壓器異常監(jiān)測以及安全監(jiān)測等功能。該多功能配變監(jiān)測終端可取代配電臺區(qū)中分立的配變監(jiān)測計量終端和用電數(shù)據(jù)信息采集集中器，并還集成有安全監(jiān)測功能模塊，切實提高了配電臺區(qū)運行監(jiān)測和計量設(shè)備的集成度。

文獻(xiàn)[10-11]在將配變監(jiān)測計量終端與用電數(shù)據(jù)信息采集集中器加以有機整合基礎(chǔ)上，還集成了無功補償裝置，開發(fā)出一款所謂智能配變終端。即該終端除了能夠?qū)崿F(xiàn)配變監(jiān)測計量終端和用電數(shù)據(jù)信息采集集中器的功能外，還可響應(yīng)配電網(wǎng)的無功功率需求，按監(jiān)測控制主站下發(fā)的指令實時補償無功功率，以改善配電網(wǎng)的供電電能質(zhì)量。

如前文所述，部分省市和地區(qū)供電公司對配電臺區(qū)運行監(jiān)測和計量設(shè)備的改造已取得一定成果[12-13]，但截至目前，已有的大部分集成化終端，都只整合了配變監(jiān)測計量終端和用電數(shù)據(jù)信息采集集中器，還并未將負(fù)荷控制終端和三相多功能電能表也包括進(jìn)去。前面表1中，后兩者的功能與前兩者其實也有重復(fù)。針對于此，對配電臺區(qū)運行監(jiān)測和計量設(shè)備的改造還可做得更為徹底，即還應(yīng)將負(fù)荷控制終端和三相多功能電能表也納入整合優(yōu)化的范圍。

2 模組化智能融合終端

基于多個省市和地區(qū)供電公司對配電臺區(qū)運行監(jiān)測和計量設(shè)備進(jìn)行改造的探索與實踐，南方電網(wǎng)公司及下屬的深圳供電局有限公司等單位根據(jù)配電臺區(qū)服務(wù)底層管理需求，經(jīng)反復(fù)論證和對運維管理一線工作現(xiàn)狀的調(diào)研，形成了“硬件平臺化、軟件APP化”的設(shè)計改造方案[14]，并通過分析、對比配電臺區(qū)原四種運行監(jiān)測和計量設(shè)備的功能，以及軟件、硬件結(jié)構(gòu)上的異同，設(shè)計并研制出一款模組化智能融合終端。這款模組化智能融合終端被設(shè)計為由計量單元、管理單元和擴展模塊三個基礎(chǔ)功能單元組成，并根據(jù)實際應(yīng)用場景的不同需求，配置不同的擴展硬件單元，以組合形成滿足應(yīng)用場景需求的終端具體硬件單元，再融合相應(yīng)功能的APP，共同實現(xiàn)應(yīng)用場景所需的運行監(jiān)測和計量功能。

如圖1所示，模組化智能融合終端主要由計量單元、管理單元和擴展模塊三個基礎(chǔ)功能單元組成。具體地，該終端在硬件實現(xiàn)上采用了“雙芯分離”的設(shè)計方案，即將計量單元與管理單元的硬件構(gòu)成在物理層面上做到嚴(yán)格分離，且各自具有單獨的處理器、存儲器和控制器等；如此設(shè)計，當(dāng)一個芯損壞或出現(xiàn)異常時，不會影響到另一個芯的正常工作。如此，既可保證計量單元獨立工作，確保計量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、獨立性和可追溯；同時，又可在不影響計量單元正常工作前提下，通過在線升級管理單元軟件，解決終端功能的擴展與升級問題，滿足供用電管理業(yè)務(wù)發(fā)展的需求。

在模組化智能融合終端中，計量單元、管理單元被集成在同一塊電路板上，共同構(gòu)成了終端硬件部分的核心本體，但兩者被分割在不同區(qū)域，以確保彼此之間硬件構(gòu)成上的相互獨立。同時，計量單元與管理單元之間，可通過雙通道硬件接口以及靈活的高彈性軟件協(xié)議實現(xiàn)嚴(yán)密的數(shù)據(jù)交互和時鐘同步。而擴展模塊則是以插入擴展槽的形式裝設(shè)在模組化智能融合終端外殼內(nèi)，但與計量單元和管理單元的電路板分開安裝；在具體應(yīng)用中，可根據(jù)終端的實際應(yīng)用場景，向擴展槽內(nèi)插入下行通信模塊、上行通信模塊、控制模塊、RS-485模塊以及遙信模塊等，以滿足終端通信、負(fù)荷控制、配電室內(nèi)環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測及設(shè)備開關(guān)狀態(tài)量采集等功能需求，使模組化智能融合終端的功能可更靈活地配置，并因而也擴大了該終端的適用性或稱普適性[15-17]。

圖1 模組智能融合終端硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hardware structure diagram of modular intelligent fusion terminal

2.1 計量單元

計量單元作為模組化智能融合終端實現(xiàn)法制計量的關(guān)鍵功能單元，承載著電能計量、對電能數(shù)據(jù)的處理、監(jiān)測、凍結(jié)、統(tǒng)計等任務(wù)[18-19]；同時還具備數(shù)據(jù)存儲、脈沖指示、異常事件檢測與記錄及告警等功能。按照設(shè)計，計量單元會實時采集被監(jiān)測電氣設(shè)備的電能數(shù)據(jù)信息，并定期向管理單元提供電壓、電流、功率和當(dāng)前電能示值等數(shù)據(jù)信息，以備電能計量自動化主站調(diào)取。

如圖2所示，模組化智能融合終端的計量單元由獨立的電壓/電流采樣電路、計量芯片、計量MCU、大容量高可靠性存儲器、獨立實時時鐘、時鐘電池和RS-485通信接口[20]等組成。其中，電壓/電流采樣電路負(fù)責(zé)將采集到的電壓、電流信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并傳給計量芯片，再由計量芯片計算出各種電參量數(shù)據(jù)信息，傳給計量MCU進(jìn)行處理；存儲器主要存儲電參量數(shù)據(jù)、校表數(shù)據(jù)以及電能量數(shù)據(jù)等；時鐘電池能防止電網(wǎng)斷電造成系統(tǒng)時鐘混亂；而RS-485通信接口，則可用于校表和故障問題溯源。

圖2 模組化智能融合終端計量單元的原理結(jié)構(gòu)Fig.2 Principle structure of the metering unit of the modular intelligent fusion terminal

如前文所述，配變監(jiān)測計量終端、負(fù)荷控制終端和三相多功能電能表，都是利用交流采樣模塊完成電能計量任務(wù)，因此，為兼容這三種運行監(jiān)測和計量設(shè)備的電能計量功能，模組化智能融合終端通過計量單元對配電變壓器的三相電壓和電流進(jìn)行實時采樣，之后，由計量MCU實現(xiàn)對配電變壓器三相供電回路的電能計量及電能質(zhì)量監(jiān)測。并且，深圳供電局有限公司所研制的模組化智能融合終端已取得CPA證書(計量器具型式評價證書)，完全可作為法制計量器具用于對專變用戶用電量的計費。

2.2 管理單元

作為模組化智能融合終端分析、處理數(shù)據(jù)的核心單元，管理單元承擔(dān)著終端非法制計量部分的很多功能，主要包括需量計算、費控、事件記錄、顯示報警、環(huán)境狀態(tài)量監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理和打包，以及通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，等等。計量單元的核心功能電能計量，要求未來長期保持不變，不需要升級和改動。而與計量單元不同，管理單元的功能，則要應(yīng)對多樣化的在線監(jiān)測和管控需求，重點要實現(xiàn)終端功能的多樣性和可擴展性。因此，模組化智能融合終端需要通過升級管理單元中軟件的方式，來實現(xiàn)其功能的不斷升級和迭代，以滿足未來配電網(wǎng)個性化、多樣化的用電服務(wù)需求[21]。

管理單元的硬件結(jié)構(gòu)見圖3，其主要由管理ARM、存儲器以及多種固定外設(shè)等組成。其中，固定外設(shè)包括液晶屏、狀態(tài)指示燈、USB、藍(lán)牙、按鍵等功能單元。在管理單元中，管理ARM和存儲器負(fù)責(zé)對計量單元傳來的電能計量數(shù)據(jù)、集中抄表獲得的數(shù)據(jù)、主站發(fā)來的指令以及其他數(shù)據(jù)等進(jìn)行處理、分析和存儲，是整個管理單元的核心部分；狀態(tài)指示燈用于反映終端的運行、告警等工作狀態(tài)；按鍵和液晶屏可實現(xiàn)終端的本地人機交互；USB接口可連接擴展模塊、進(jìn)行信息交互；藍(lán)牙可設(shè)置終端參數(shù)，實現(xiàn)本地維護(hù)、調(diào)試等功能。

圖3 模組化智能融合終端管理單元的硬件結(jié)構(gòu)Fig.3 Management unit hardware structure of modular intelligent fusion terminal

如表1所示，對于配電臺區(qū)原四種運行監(jiān)測和計量設(shè)備，它們共有的功能包括電能計量、電能質(zhì)量監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理和存儲、告警、終端維護(hù)，等等。而在這四種設(shè)備中，實現(xiàn)上述功能對應(yīng)的硬件結(jié)構(gòu)，與模組化智能融合終端中的硬件結(jié)構(gòu)基本一致，主要包括微處理器、存儲器以及多種固定外設(shè)等。而在運行監(jiān)測與計量設(shè)備未做整合優(yōu)化前，配變監(jiān)測計量終端、用電信息采集集中器、負(fù)荷控制終端和三相多功能電能表各自測得的數(shù)據(jù)，需要分別傳輸?shù)礁髯缘奈⑻幚砥骱痛鎯ζ髦腥ミM(jìn)行計算、處理和存儲。但隨著集成電路芯片技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)行微處理器的數(shù)據(jù)處理能力和處理速度都大大提高[22]；存儲器的存儲容量也增大了數(shù)倍。因此，為減少硬件資源浪費，完全可將多種運行監(jiān)測和計量設(shè)備測得的所有數(shù)據(jù)，全部交由模組化智能融合終端的管理單元來集中管理，具體地，管理單元擁有專用于存取數(shù)據(jù)的所謂數(shù)據(jù)池，并將所有數(shù)據(jù)都存放到其中，同時，終端的不同功能APP，可從數(shù)據(jù)池直接獲取所需的數(shù)據(jù)，也可向數(shù)據(jù)池提交數(shù)據(jù)，如此減少終端未整合前，數(shù)據(jù)被重復(fù)處理所造成的硬件資源浪費，提高數(shù)據(jù)處理的效率。在此基礎(chǔ)上，再對終端的固定外設(shè)進(jìn)行相應(yīng)地補充或擴展，就能夠使其具備原四種運行監(jiān)測和計量設(shè)備地所有功能，進(jìn)而做到原四種運行監(jiān)測和計量設(shè)備在硬件和軟件層面的整合優(yōu)化。如此，不僅可大大節(jié)約設(shè)備的構(gòu)建和制造成本，減少運維管理工作量，且將多種不同數(shù)據(jù)做并行處理，還可提高數(shù)據(jù)的融合度和綜合利用率，為供電公司營銷和配電業(yè)務(wù)的融合及拓展打下基礎(chǔ)。

2.3 擴展模塊

為更好滿足供電公司配電臺區(qū)業(yè)務(wù)需求，兼容臺區(qū)內(nèi)現(xiàn)有運行監(jiān)測和計量設(shè)備的接口方式和通信協(xié)議，提升模組化智能融合終端在不同應(yīng)用場景下的適用靈活性和功能可擴展性，該終端在由計量單元和管理單元構(gòu)成終端核心本體基礎(chǔ)上，通過增設(shè)裝配有擴展槽的另一塊電路板配置擴展模塊，并經(jīng)USB，與終端核心本體實現(xiàn)可靠的通信連接。具體地，該終端可配置的多種擴展模塊均可拔插、可升級，即可根據(jù)終端應(yīng)用場景的具體需求，向擴展槽內(nèi)插入合適的下行通信、上行通信以及控制、RS-485接口和遙信等多種擴展功能模塊，同時在終端管理單元中更新擴展功能模塊所對應(yīng)的軟件配置，進(jìn)而實現(xiàn)終端在不同應(yīng)用場景下應(yīng)具備的功能。同時，隨著供電公司服務(wù)業(yè)務(wù)的不斷拓展，還可根據(jù)實際需要設(shè)計開發(fā)新的擴展功能模塊。

2.3.1 下行通信模塊

在供電公司現(xiàn)行的用電信息采集模式中，用電信息采集集中器處于通信樞紐位置，同時也是電力數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵設(shè)備，其下行通信，可收集配電臺區(qū)內(nèi)所有采集器或智能電能表的數(shù)據(jù)信息。目前，用電信息采集集中器主要分為Ⅰ型和Ⅱ型兩種，它們支持的通信方式不盡相同。其中，絕大多數(shù)的Ⅰ型集中器采用寬帶載波[23-24]的抄表方式，在一些特殊場景下，也會采用微功率無線、RS-485和窄帶載波等通信方式；而Ⅱ型集中器，主要安裝于居民樓表計比較集中的表箱內(nèi)，其經(jīng)RS-485通信來收集表箱內(nèi)的電能表數(shù)據(jù)。而低壓側(cè)集中抄表，是以配電臺區(qū)為基本單位，會根據(jù)配電臺區(qū)內(nèi)裝設(shè)的采集器或智能電能表的種類、數(shù)量和分布情況等，采用合適的通信方式進(jìn)行集中抄表。因此，在不同的配電臺區(qū)，集中抄表所采用的通信方式可能不同。

為兼容用電信息采集集中器具有的電能表數(shù)據(jù)采集功能，同時也使得模組化智能融合終端適應(yīng)不同通信方式的集中抄表方案，該終端將其下行通信設(shè)計成可拔插、可互換的擴展模塊，其主要包括寬帶載波、窄帶載波、RS-485、微功率無線[25]以及寬帶載波-微功率無線雙模通信等通信功能模塊。不同的下行通信擴展模塊，可根據(jù)配電臺區(qū)原用電信息采集集中器的通信方式進(jìn)行配置，進(jìn)而適應(yīng)原有的通信方式，完成整個臺區(qū)內(nèi)采集器或智能電能表數(shù)據(jù)信息采集任務(wù)。如此，模組化智能融合終端通過擴展下行通信模塊的方式，既集成了原有的用電信息采集集中器，節(jié)約了設(shè)備制造成本，又能保證終端在不同配電臺區(qū)內(nèi)實現(xiàn)集中抄表。

2.3.2 上行通信模塊

如表1所示，配電臺區(qū)原四種運行監(jiān)測和計量設(shè)備均具有數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，它們在采集、分析和處理完測得數(shù)據(jù)后，都需要通過各自的上行通信通道，將數(shù)據(jù)傳輸給供電公司的電能計量自動化主站，同時，還可接收主站指令，完成指令要求的動作。目前，針對配電臺區(qū)運行監(jiān)測和計量設(shè)備，主流的上行通信方式包括有4G、以太網(wǎng)[26]、光纖[27]等。針對于此，為實現(xiàn)模組化智能融合終端上行通信的統(tǒng)一性，減少通信通道資源浪費，同時保證終端與供電公司電能計量自動化主站之間的通信速度，該終端中也將上行通信設(shè)計成擴展模塊的形式，支持4G、以太網(wǎng)、光纖等多種上行通信模塊的選配。將上行通信采用模組化設(shè)計，還可為通信技術(shù)更新迭代提供支撐，例如，5G[28]或其他更先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)成熟后，終端可通過更換上行通信模塊，保證其不過時。

2.3.3 控制模塊

為實現(xiàn)對專變用戶用電負(fù)荷信息的采集、存儲、傳輸及控制，并保證用戶用電的安全可靠，供電公司在專變用戶側(cè)安裝有負(fù)荷控制終端，當(dāng)線路發(fā)生過流、過載等異?；蚪K端收到開閘指令時，負(fù)荷控制終端可主動斷開專變一次側(cè)的斷路器。在配電臺區(qū)運行監(jiān)測和計量設(shè)備的整合優(yōu)化過程中，為做得更為徹底，使模組化智能融合終端同樣適用于安裝有負(fù)荷控制終端的專變用戶側(cè)，該終端在設(shè)計上，已將負(fù)荷控制終端特有的遠(yuǎn)程控制功能以控制模塊的形式加入進(jìn)來。具體地，當(dāng)專變側(cè)出現(xiàn)異?；蚪K端收到開閘指令后，終端的管理單元會給控制模塊發(fā)送開閘信號，進(jìn)而斷開專變一次側(cè)的斷路器。以模塊化的構(gòu)建方式將負(fù)荷控制終端的遠(yuǎn)程遙控功能集成于模組化智能融合終端中，將提升整個終端的集成度和靈活性，減少供電公司在配電臺區(qū)運行監(jiān)測和計量設(shè)備安裝、運維上的工作量。

2.3.4 RS-485接口模塊和遙信模塊

為實現(xiàn)配電網(wǎng)的全面感知、數(shù)據(jù)融合和智能應(yīng)用，模組化智能融合終端可通過插入RS-485接口模塊實現(xiàn)更為豐富的功能。一方面，原配變監(jiān)測計量終端不僅要對配電變壓器的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行測取和采集，還要實時監(jiān)測其運行工況。為充分滿足原配變監(jiān)測計量終端的功能需求，模組化智能融合終端可通過RS-485接口擴展模塊，將裝設(shè)于配電變壓器側(cè)的測溫探頭連接起來，進(jìn)而獲取其運行中的工作環(huán)境溫度、系統(tǒng)主母線各連接點溫度的變化等，如有異常，終端可及時發(fā)出報警信息。另一方面，終端還可通過RS-485接口擴展模塊連接配電臺區(qū)內(nèi)的無功補償裝置，并可根據(jù)終端監(jiān)測到的電壓、電流和功率因數(shù)隨時間變化及越限的情況，就地采取無功補償和自動調(diào)壓策略，保持系統(tǒng)無功功率平衡，提高配電變壓器總負(fù)荷的功率因數(shù)，以滿足配電網(wǎng)安全、經(jīng)濟運行的要求。

同時，模組化智能融合終端配置RS-485接口擴展模塊后，還可接入配電室內(nèi)智能儀表以及溫濕度、水浸或煙感等多種智能傳感器，并通過軟件APP對它們的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行實時匯集與處理，進(jìn)而在邊緣層面實現(xiàn)對配電室內(nèi)多種環(huán)境數(shù)據(jù)的實時共享，提升智能配電室運維管理效率，輔助提高供電的安全性和可靠性。

而遙信模塊，則可獲取配電室門禁、配電變壓器高壓側(cè)斷路器開關(guān)、有載調(diào)壓開關(guān)檔位或其他電氣設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)等數(shù)字量信息，當(dāng)開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化時，遙信模塊會及時傳輸給管理單元去記錄相應(yīng)事件，并上報給電能計量自動化主站。

2.4 配電臺區(qū)模組化智能融合終端功能軟件設(shè)計

如前文所述，配電臺區(qū)原四種運行監(jiān)測和計量設(shè)備的軟件架構(gòu)相對比較固定，難以開發(fā)新的功能程序；且與此同時，原設(shè)備中運行的程序也只為滿足該終端的特定功能而設(shè)計，無法實現(xiàn)多種不同類型程序的并行運行。針對于此，在模組化智能融合終端中，其功能軟件架構(gòu)則是基于APP化設(shè)計思路，在實現(xiàn)軟、硬件協(xié)調(diào)統(tǒng)一基礎(chǔ)上，與硬件結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)解耦，支持獨立開發(fā)，即支持通過在同一硬件平臺上添加不同APP來實現(xiàn)不同應(yīng)用場景所需的功能，以滿足終端業(yè)務(wù)功能靈活、快速擴展的需求。

如圖4所示，模組化智能融合終端的功能軟件系統(tǒng)，可提供驅(qū)動程序、系統(tǒng)內(nèi)核、Linux基礎(chǔ)操作等，同時，為使不同應(yīng)用程序之間相互隔離，該系統(tǒng)以容器技術(shù)為支撐，進(jìn)而保證一個容器內(nèi)APP的變動或故障，不會影響到其他容器內(nèi)APP的運行，進(jìn)而保證不同業(yè)務(wù)APP之間的隔離。系統(tǒng)內(nèi)部可配置4個及以上容器，單個容器內(nèi)支持多個第三方 APP 部署。如此，可以使得多種不同功能類型的APP在終端內(nèi)并行運行，同時滿足不同的功能需求。

圖4 模組化智能融合終端功能軟件系統(tǒng)構(gòu)架Fig.4 Modularized intelligent integrated terminal function software system architecture

在基礎(chǔ)硬件的支撐下，模組化智能融合終端的不同業(yè)務(wù)均由獨立的APP來實現(xiàn)，其可配置配變狀態(tài)監(jiān)測 APP、用戶用電信息采集 APP、負(fù)荷控制APP、環(huán)境監(jiān)測APP 、故障監(jiān)測APP等，可實現(xiàn)終端對配電臺區(qū)內(nèi)電氣設(shè)備的電壓、電流、頻率、諧波、功率等電力參數(shù)監(jiān)測、集中抄表、負(fù)荷控制、臺區(qū)環(huán)境監(jiān)測、配電臺區(qū)電壓合格率監(jiān)測等功能。

3 模組化智能融合終端的應(yīng)用

模組化智能融合終端通過整合優(yōu)化配電臺區(qū)原四種運行監(jiān)測和計量設(shè)備，并采用模塊組合的方式配置構(gòu)建，使原配電臺區(qū)運行監(jiān)測和計量設(shè)備中重復(fù)、分立的硬件結(jié)構(gòu)，僅以單個終端的架構(gòu)就可完成，即一套設(shè)備即可實現(xiàn)以往多個設(shè)備的功能。具體地，使用一臺模組化智能融合終端，就可取代原來安裝在公變臺區(qū)的一臺配變監(jiān)測計量終端和一個用電數(shù)據(jù)信息采集集中器；或可替代安裝在專變用戶現(xiàn)場的一臺負(fù)荷控制終端和一塊三相多功能電能表。與此同時，該新型終端可完成配電臺區(qū)原四種運行監(jiān)測和計量設(shè)備的所有功能，實現(xiàn)對電能、最大需量、電壓、電流、功率、功率因數(shù)和電壓合格率等電參量數(shù)據(jù)信息的自動采集、存儲及傳輸、配電臺區(qū)運行狀態(tài)的實時監(jiān)測、電能表數(shù)據(jù)采集、終端自身故障告警，負(fù)荷控制、本地維護(hù)等功能，為配電臺區(qū)運維管理需求、用戶服務(wù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。模組化智能融合終端的模塊化和APP化設(shè)計，也使得其在功能實現(xiàn)上更加靈活高效，并且為新功能的拓展預(yù)留有空間。

模組化智能融合終端的研制及開發(fā)中，南方電網(wǎng)公司及下屬的深圳供電局有限公司等單位全面分析配電臺區(qū)原四種運行監(jiān)測和計量設(shè)備相互之間功能實現(xiàn)的關(guān)聯(lián)度與相似度，提煉出它們共有的功能以及特殊功能，進(jìn)而將它們的所有功能進(jìn)行模塊劃分和關(guān)聯(lián)性接口規(guī)劃，再配置相應(yīng)的軟件APP，來實現(xiàn)所需的所有功能。該終端作為配電臺區(qū)下一代計量管理終端及配電網(wǎng)智能化建設(shè)的關(guān)鍵設(shè)備之一，主要適用于公變臺區(qū)和專變用戶現(xiàn)場。需要注意的是，當(dāng)模組化智能融合終端安裝在專變用戶側(cè)時，由于用戶變壓器及與變壓器二次側(cè)相連的各種表計設(shè)備均不屬于供電公司的資產(chǎn)，所以，終端無需配置下行通信擴展模塊進(jìn)行集中抄表。

從2019年起，南方電網(wǎng)公司及下屬的深圳供電局有限公司等單位就已開始在廣州、深圳等地的多個配電臺區(qū)開展初代融合終端的試點應(yīng)用工作。經(jīng)過兩年時間的試運行以及技術(shù)迭代，已逐步形成了所描述的模組化智能融合終端。目前，該終端在各個試點臺區(qū)的總裝設(shè)量已近1 200臺。試點應(yīng)用結(jié)果表明：模組化智能融合終端在配電臺區(qū)運行正常，完全能夠滿足預(yù)期的運行監(jiān)測和計量功能，并表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性和可靠性。

模組化智能融合終端的設(shè)計、構(gòu)建及研發(fā)，不僅在前人關(guān)于配電臺區(qū)運行監(jiān)測和計量設(shè)備一體化研發(fā)基礎(chǔ)上又加入了負(fù)荷控制終端和三相多功能電能表，進(jìn)一步提升了配電臺區(qū)運行監(jiān)測和計量設(shè)備的功能集成度，并且還通過增加收集配電室內(nèi)多種智能儀表和傳感設(shè)備的測得數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了對配電臺區(qū)各種監(jiān)測數(shù)據(jù)的全面采集和感知，做到了配電室狀態(tài)的可視化監(jiān)測，進(jìn)而提高了智能配電網(wǎng)的運載能力，為電力客戶可提供更高質(zhì)量的用能服務(wù)。

4 結(jié)束語

針對配電臺區(qū)運行監(jiān)測和計量設(shè)備種類多，但很多功能存在重復(fù)，運維、管理復(fù)雜，造成配電臺區(qū)運行狀態(tài)監(jiān)測管理成本高昂，人力、物力浪費等問題，通過對配變監(jiān)測計量終端、用電數(shù)據(jù)信息采集集中器、負(fù)荷控制終端和三相多功能電能表這四種配電臺區(qū)主要運行監(jiān)測和計量設(shè)備所具有功能的細(xì)致分析，以及對它們實現(xiàn)相應(yīng)功能的軟件、硬件資源條件的全面梳理，提出了配電臺區(qū)運行監(jiān)測和計量設(shè)備的功能一體化構(gòu)建方案，并將原四種運行監(jiān)測和計量設(shè)備中的通信單元以及特有功能設(shè)計成相互獨立且可拔插、可擴展的功能模塊，進(jìn)而構(gòu)建出一款模組化智能融合終端。該終端的研發(fā)成功和投入使用，將明顯減少配電臺區(qū)運行監(jiān)測和計量設(shè)備的數(shù)量，降低供電公司綜合運營管理成本，提升配電網(wǎng)運維管理的自動化和集約化水平，同時，也為未來供電公司營銷和配電業(yè)務(wù)的融合及用戶用電量的精準(zhǔn)分析提供技術(shù)支撐。

隨著綜合能源服務(wù)體系的日益擴大，服務(wù)于泛在公共場所的智能共享插座、電動汽車充電樁等供電設(shè)施，也已成為綜合能源、能源互聯(lián)網(wǎng)范疇的新應(yīng)用，并且它們同樣也具有電能計量、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，如果能將它們與配電臺區(qū)運行監(jiān)測和計量設(shè)備一體化終端相整合，不僅可以進(jìn)一步拓展模組化智能融合終端的功能，還可以實現(xiàn)對戶外泛在公共場所供電設(shè)施的統(tǒng)一管控，進(jìn)而節(jié)省公共服務(wù)資源，滿足未來社會經(jīng)濟發(fā)展的現(xiàn)實需求。