南方電網(wǎng)電力科技股份有限公司 陳 文 尤 毅 胡春潮 宋旭東 韓博文

1 介紹

目前，人類經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展面臨以傳統(tǒng)化石能源濫用所帶來的環(huán)境問題以及可再生能源消納能力不足所面臨的能源問題[1]。以數(shù)字化信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將電能發(fā)、輸、配、變、用、儲等各個環(huán)節(jié)設(shè)施連接在一起，通過智能化控制實(shí)現(xiàn)電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)與用戶側(cè)等資源效益最大化，實(shí)現(xiàn)多方共贏的目的，這就是智能電網(wǎng)的思想[2]。

當(dāng)前，大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、人工智能為智能電網(wǎng)注入新的內(nèi)涵，國內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)及眾多電網(wǎng)公司紛紛開始進(jìn)行“云大物移智”等新技術(shù)的應(yīng)用。南方電網(wǎng)提出了“透明電網(wǎng)”概念，即為利用信息技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、電子控制技術(shù)、自動控制理論、運(yùn)籌學(xué)、人工智能、互聯(lián)網(wǎng)等有效的綜合運(yùn)用于電力系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的可見、可知、可控[2]。

2017年南方電網(wǎng)廣東電網(wǎng)公司全面啟動智能電網(wǎng)示范建設(shè)，智能電網(wǎng)是將現(xiàn)代先進(jìn)的傳感測量、通訊、信息、計算機(jī)和控制技術(shù)與物理電網(wǎng)高度集成而形成的新型電網(wǎng)。廣東電網(wǎng)公司將在佛山、珠海、東莞、中山、韶關(guān)、云浮和汕頭建設(shè)7個智能電網(wǎng)示范區(qū)，涵蓋城市、農(nóng)村和海島等不同類型區(qū)域，為智能電網(wǎng)建設(shè)探索路徑[3]。

目前而言，對于電網(wǎng)中的主網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的智能化改造已經(jīng)基本完成，而對于400V的智能化改造仍顯不足，主要表現(xiàn)為低壓電力搶修不及時、低壓電能質(zhì)量較差、低壓線損較高、電力設(shè)備資產(chǎn)臺賬混亂等諸多問題。該部分電網(wǎng)的建設(shè)成效將直接影響到客戶服務(wù)水平和客戶滿意程度。另外由于低壓電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，點(diǎn)多面廣等多種問題而導(dǎo)致低壓問題尚未得到良好的解決。近期，隨著國家電網(wǎng)“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”、南方電網(wǎng)“透明電網(wǎng)”概念的提出，眾多研究機(jī)構(gòu)均提出了相應(yīng)的解決方案。以“云管邊端”作為基本架構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)路線，即以底層感知物理層作為最底層感知終端，以微功率無線或者電力載波作為臺區(qū)管理的“通訊管道”，以臺架智能終端作為低壓臺區(qū)的管理終端，以高速無線網(wǎng)絡(luò)或者光纖作為臺架邊與云端的連接管道的技術(shù)路線，在實(shí)現(xiàn)低壓臺區(qū)的智能化、透明化改造，解決低壓臺區(qū)面臨的低電壓、三相不平衡、線損過高、低壓網(wǎng)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜、搶修不及時等問題具有顯著的優(yōu)勢。筆者所在的單位承接了國內(nèi)某智能電網(wǎng)項目，其中低壓配電泛在物聯(lián)作為該項目中重點(diǎn)打造的項目，筆者所在的公司在前期策劃、設(shè)備研發(fā)和集成、中期工程實(shí)施、以及后期消缺等工作中發(fā)揮了積極的作用，較好地實(shí)現(xiàn)了低壓拓?fù)渥R別、故障主動告警、電能質(zhì)量就地解決等功能，達(dá)到了低壓配電智能化的改造目的。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的低壓臺區(qū)智能化架構(gòu)體系

2 本公司提出的技術(shù)路線及關(guān)鍵設(shè)備

下面根據(jù)文中所提出的技術(shù)路線，對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了討論。

底層電表模塊主要實(shí)現(xiàn)電表數(shù)據(jù)采集、故障主動告警、相位識別等功能，在本次工程應(yīng)用中創(chuàng)新性地運(yùn)用拓?fù)渥詣幼R別技術(shù)。目前在低壓配電網(wǎng)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)拓?fù)渥R別的方法主要有：特征電流法、分支電流分析法以及特征信號法。

特征電流法即為在臺區(qū)邊緣計算終端指令下拓?fù)渥R別模塊產(chǎn)生一種具有特征的電流如畸變電流、短路電流等，在分支上安裝相應(yīng)的檢測裝置對特征電流進(jìn)行檢測，然后將檢測到的信號傳遞至臺區(qū)邊緣計算終端，從而實(shí)現(xiàn)對末端的拓?fù)渥R別。該方法實(shí)現(xiàn)較簡單，然而畸變電流一方面其能耗較高，勢必增加配電網(wǎng)絡(luò)線損；另一方面，由于低壓配電設(shè)備復(fù)雜，電力電子原件、光伏等新能源日趨增多，其所產(chǎn)生的電力諧波對如畸變電流等特征電流進(jìn)行檢測并正確識別在技術(shù)上提出了一定的挑戰(zhàn)。

分支電流分析法在分支處加裝一套CT對分支電流進(jìn)行監(jiān)測，同時借助高級量測體系對戶表電流進(jìn)行監(jiān)測，對分支處以及戶表處進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，提取相應(yīng)的特征量，然后對低壓拓?fù)湫畔⑦M(jìn)行分析。該方法依賴于戶表電流，實(shí)現(xiàn)方法較簡單，然而目前基于輪詢的量測體系無法保證分支電流以及電表電流在同一時間斷面，所得到的拓?fù)浞治鼋Y(jié)果準(zhǔn)確性有待提升。

特征信號法是采用先進(jìn)的通信技術(shù)，在進(jìn)行拓?fù)渥R別時臺區(qū)邊緣計算終端下發(fā)廣播信號，終端拓?fù)溲b置在接收邊緣終端信號后產(chǎn)生包含自身信息的特征信號，并向上傳輸，并在分支處加裝相應(yīng)的檢測裝置，在分支處監(jiān)測到相關(guān)信號后向臺區(qū)邊緣計算終端傳輸，由此進(jìn)行層層解析得到整個拓?fù)浞治鼋Y(jié)果。該方法實(shí)現(xiàn)較簡單，拓?fù)浞治鼋Y(jié)果準(zhǔn)確率較高。

分支智能感知設(shè)備主要檢測底層拓?fù)渥R別模塊所產(chǎn)生的拓?fù)湫盘柌⒃撔盘杺魉椭罷TU，另一方面，檢測所裝處的電氣量信號，為分段線損、故障精準(zhǔn)定位、電能質(zhì)量精細(xì)化治理等高級應(yīng)用提供技術(shù)基礎(chǔ)。

臺區(qū)邊緣計算終端負(fù)責(zé)整個臺區(qū)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)上送，具備對配變主站和下層終端設(shè)備的即插即用功能。具體而言如下：具備上行和下行數(shù)據(jù)通道，支持與集中器通信，支持遠(yuǎn)程升級和系統(tǒng)設(shè)置功能、上送設(shè)備異常信息、停電信息主動告警、發(fā)起并管理低壓拓?fù)渥詣幼R別任務(wù)、接收拓?fù)渥R別模塊的拓?fù)渥R別信號反饋確認(rèn)信息，生成低壓臺區(qū)CIM模型并與主站交互等功能。

3 工程示范及其效果

在本次智能電網(wǎng)示范區(qū)中采用以上配置進(jìn)行臺區(qū)透明化智能化改造，實(shí)現(xiàn)的效果如下。

3.1 變—線—戶拓?fù)潢P(guān)系識別

臺區(qū)智能終端發(fā)起拓?fù)渥R別開始流程，從戶表處拓?fù)渥R別模塊開始到分支箱，逐個產(chǎn)生定向電力載波信號，其它拓?fù)渥R別模塊開始檢測定向電力載波信號，記錄并報告給臺區(qū)智能終端，臺區(qū)智能終端通過收集到的信息，根據(jù)前后邏輯關(guān)系，生成臺區(qū)物理拓?fù)潢P(guān)系，并生成拓?fù)潢P(guān)系描述文件上傳給主站，主站根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系描述文件，生成拓?fù)湔故維VG圖。

圖2 拓?fù)渥R別流程及結(jié)果

圖3 主動停電上報

3.2 精細(xì)線損分析

通過在分支處加裝智能分支監(jiān)測裝置，對分支處電氣量數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測并通過DLT 645規(guī)約將采集到的數(shù)據(jù)上傳至臺區(qū)智能終端。臺區(qū)智能終端通過集中器集抄統(tǒng)計分支下所接電表數(shù)據(jù)并與分支電氣量數(shù)據(jù)進(jìn)行計算即可統(tǒng)計分支線損，可將臺區(qū)線損進(jìn)行精細(xì)化線損分析。

3.3 故障定位

本次采用的電表載波模塊內(nèi)置超級電容器，具有停電主動上報的功能，可輔助判斷用戶停電是表前故障還是表后故障，若為表前故障則載波模塊會發(fā)送停電告警信息，若為表后故障則載波模塊無停電告警信號產(chǎn)生。配電箱處各支路安裝拓?fù)渥R別模塊，可以主動上送停電信息給臺區(qū)智能終端，結(jié)合拓?fù)潢P(guān)系，精準(zhǔn)判斷低壓停電事件及準(zhǔn)確定位停電范圍，并在GIS沿布圖上展示，變被動投訴告警為停電主動上報，提高了低壓臺區(qū)運(yùn)維的便利性。

在該方法中由于超級電容的容量大小限制，只能上報30塊表的停電信息至集中器處，若發(fā)生告警的戶數(shù)超過30戶，則由于載波信道的擁堵無法接收所有停電告警信息。一般而言，在此情況下臺區(qū)智能終端對電表帶電狀態(tài)進(jìn)行輪詢，然而輪詢的速度較慢，無法滿足臺區(qū)快速搶修的要求。而作為另一種故障定位的方法，可將低壓戶表分段安裝含超級電容器的載波模塊，從而將臺區(qū)分成若干段。在某一段低壓線路出線故障時，臺區(qū)側(cè)則能收到停電告警信息，這樣避免了臺區(qū)側(cè)超過30塊表停電時所造成的通信擁堵同時也解決了輪詢所帶來的告警延時。

3.4 三相不平衡治理

本次電表載波模塊具有相序識別的功能，結(jié)合拓?fù)渥R別裝置和電氣量采集裝置即可對臺區(qū)和分支三相負(fù)荷是否平衡進(jìn)行判斷。在三相負(fù)荷不平衡的情況下通過電力電子換相開關(guān)即可實(shí)現(xiàn)三相不平衡治理。

3.5 漏電監(jiān)測

在分支處加裝低壓分支開關(guān)對低壓線路的故障進(jìn)行保護(hù)，在線路出現(xiàn)漏電情況下即可實(shí)現(xiàn)開關(guān)的自動分閘，這樣既保護(hù)了用電者安全，也能減少故障影響的范圍。在分支側(cè)所配置的低壓智能分支監(jiān)測箱以及低壓智能分支控制箱均具有漏電監(jiān)測的功能，所不同之處在于低壓智能分支監(jiān)測箱只能對漏電事故進(jìn)行監(jiān)測，無法對漏電線路進(jìn)行分?jǐn)?；而低壓智能分支控制箱則具有漏電保護(hù)功能，在發(fā)生漏電事故后即可將開關(guān)斷開，從而對觸電人畜進(jìn)行保護(hù)。

4 低壓配電物聯(lián)網(wǎng)未來發(fā)展展望

智能電網(wǎng)可以通過一個數(shù)字化信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將發(fā)電、輸電、配電、變電、供電、售電、蓄能與能源終端用戶的各種電氣設(shè)備賀其他用能設(shè)施連接在一起，通過智能化控制實(shí)現(xiàn)精確供能、對應(yīng)供能、互助供能和互補(bǔ)供能，將能源利用效率和能源供應(yīng)安全提高到全新的水平，將污染與溫室氣體排放降低到環(huán)境可以接受的程度，使用戶成本和投資效益達(dá)到一種合理的狀態(tài)[4]。智能電網(wǎng)利用先進(jìn)的技術(shù)提高電力系統(tǒng)在能源轉(zhuǎn)換效率、電能利用率、供電質(zhì)量和可靠性方面的性能，是經(jīng)濟(jì)和技術(shù)發(fā)展的必然[2]。隨著我國特高壓電網(wǎng)的建設(shè)和電力體制改革的不斷深化，智能電網(wǎng)已成為最近十來年我國電網(wǎng)發(fā)展的一個新方向。

隨著特高壓電網(wǎng)建設(shè)的逐步完成以及電力體制改革，配用電網(wǎng)改造日趨緊迫。目前中國電網(wǎng)在配網(wǎng)自動化、配網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測檢修、現(xiàn)場作業(yè)、智能巡檢等方面亟待升級。在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)方面，智能傳感是泛在電力物聯(lián)網(wǎng)感知層的核心基礎(chǔ)技術(shù)[5]。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是以數(shù)據(jù)為中心，需要智能物聯(lián)網(wǎng)終端全面采集電力系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)[6]。

在本次示范工程中，底層傳感器的投入占總設(shè)備投入的約一半左右，拓?fù)渥R別裝置的設(shè)備投入達(dá)到了約1/3。拓?fù)渥R別原本在電力施工環(huán)節(jié)和電力用戶遷改環(huán)節(jié)做好電子化移交之后即可僅需少量外加投入即可達(dá)到良好的效果。然而現(xiàn)實(shí)中電子化移交及拓?fù)渚S護(hù)工作未能得到充分的重視，大部分的施工及電力用戶遷改未進(jìn)行電子化移交等工作，從而導(dǎo)致低壓臺區(qū)設(shè)備管理混亂、戶線變關(guān)系梳理不清直接導(dǎo)致線損無法精益化分析、故障定位難以開展、電力設(shè)備臺賬混亂等問題。在電力市場化改革的浪潮下，國家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司均大幅壓縮了基建部分的投入，迅速降低底層傳感器件的成本將決定技術(shù)路線的生命力。

此外，考慮到現(xiàn)實(shí)施工便利性，底層傳感器件應(yīng)具備即插即用、小型化、便于施工安裝的要求。即插即用過程可分為主動注冊，獲取、發(fā)送、解析自描述文件，數(shù)據(jù)交互，設(shè)備控制，設(shè)備事件等幾個步驟。

5 結(jié)語

本文所提出的低壓可視化方案因其通訊方式簡單可靠，可擴(kuò)展性好，具有經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、可靠性高、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。在工程示范中對低壓臺區(qū)運(yùn)行起到了設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、故障預(yù)警和定位、低電壓治理、電能質(zhì)量優(yōu)化等作用。未來低壓可視化將朝著即插即用、小型化、低成本等方向發(fā)展。