劉家齊，劉浩軍，童 力，周金輝，任廣振，馬振宇

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0 引言

大力發(fā)展可再生能源、提高電能在終端消費中的占比是新型電力系統(tǒng)推動“雙碳”目標(biāo)實現(xiàn)的重要手段［1-3］。隨著電能占終端能源消費的比例持續(xù)提升，新能源、電動汽車、儲能、柔性可控負(fù)荷發(fā)展迅速，配電系統(tǒng)無疑是新型電力系統(tǒng)建設(shè)主戰(zhàn)場之一［4-5］。通過十余年的建設(shè)發(fā)展，我國配電網(wǎng)已經(jīng)取得了跨越式的發(fā)展［6］。其中，低壓配電臺區(qū)作為連接用戶需求的最后一公里，是電網(wǎng)企業(yè)的最小運營管理單元，呈現(xiàn)出直接面向用戶、設(shè)備種類繁多且規(guī)模龐大、業(yè)務(wù)需求快速變化的顯著特征，而傳統(tǒng)配電網(wǎng)信息化、自動化的建設(shè)模式顯然已難以適應(yīng)其在新時代下的高速發(fā)展及轉(zhuǎn)型需求［7-8］。自2019年起，國家電網(wǎng)公司與南方電網(wǎng)公司不斷探索將傳統(tǒng)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與配電技術(shù)深度融合，通過配電設(shè)備間的全面互聯(lián)、互通、互操作，實現(xiàn)配電網(wǎng)的全面感知、數(shù)據(jù)融合和智能應(yīng)用，圍繞低壓配電臺區(qū)構(gòu)建了透明化、智能化的新型低壓配電系統(tǒng)——配電物聯(lián)網(wǎng)，以支撐低壓配電網(wǎng)精益化管理能力的不斷提升，顯著提高了配電網(wǎng)運營管理和客戶服務(wù)水平。相比于傳統(tǒng)低壓配電網(wǎng)，配電物聯(lián)網(wǎng)從單純的物理網(wǎng)絡(luò)升維成電力物聯(lián)網(wǎng)和信息物理融合的系統(tǒng)，以實現(xiàn)從能源一維連接發(fā)展成為能源與數(shù)據(jù)的兩維價值傳導(dǎo)［9-11］。

配電物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)目標(biāo)是以臺區(qū)為最小管理單元，構(gòu)建營配融合一體下的全景透明感知和源網(wǎng)荷儲協(xié)同能力，實現(xiàn)臺區(qū)側(cè)海量資源的可觀、可測、可控、可調(diào)，自下而上支撐能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)。隨著配電物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)工作的不斷深入，各類智能終端設(shè)備及業(yè)務(wù)應(yīng)用快速發(fā)展迭代［12-14］。其中，臺區(qū)拓?fù)渥詣幼R別技術(shù)是實現(xiàn)臺區(qū)由其物理形態(tài)向數(shù)字形態(tài)和價值形態(tài)映射的關(guān)鍵紐帶。一直以來，圍繞拓?fù)渥詣颖孀R技術(shù)的應(yīng)用需求主要集中于營銷專業(yè)“變-戶”對應(yīng)關(guān)系的獲取，以輔助實現(xiàn)如線損計算、設(shè)備臺賬維護(hù)等業(yè)務(wù)［15-18］。伴隨著大規(guī)模分布式光伏建設(shè)、電動汽車以及分布式儲能、微電網(wǎng)的普及推廣，低壓配電網(wǎng)絡(luò)已逐步由無源發(fā)展成為有源的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，繼而對于低壓配電臺區(qū)的拓?fù)湫畔⑻岢隽烁叩囊螅阂环矫妫皯簟卑l(fā)展成為廣義的“用戶”，包括分布式光伏、充電樁、分布式儲能等其他新增類型的末端節(jié)點；另一方面，低壓網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞年P(guān)鍵分支節(jié)點，包括分支箱、表箱等，也成為了拓?fù)渥R別的對象。因此，全新的配電物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)對拓?fù)渥詣幼R別技術(shù)的功能和性能提出了更高的要求。

在這一應(yīng)用需求背景下，如何設(shè)計并制定相應(yīng)的拓?fù)渥詣幼R別技術(shù)測試體系，快速、有效地對拓?fù)渥R別技術(shù)及其相關(guān)終端設(shè)備的功能以及性能進(jìn)行評估至關(guān)重要。本文圍繞建設(shè)“全景透明感知”與“源網(wǎng)荷儲協(xié)同”能力需求下的配電物聯(lián)網(wǎng)臺區(qū)，提出了一套綜合考慮“識別可靠性、識別準(zhǔn)確率高與識別抗擾能力”的拓?fù)渥詣幼R別技術(shù)測試方案，并研制專用的配電物聯(lián)網(wǎng)臺區(qū)“邊-端”交互試驗平臺，一鍵生成多臺區(qū)、多分支、多層級復(fù)雜拓?fù)渚W(wǎng)架結(jié)構(gòu)以及多種運行工況，實現(xiàn)對臺區(qū)拓?fù)渥R別技術(shù)的綜合有效測評。最后，基于本文所提出的測試方案和測試平臺，按照浙江省電力有限公司（以下簡稱“浙江公司”）配電物聯(lián)網(wǎng)臺區(qū)建設(shè)應(yīng)用需求選取了最優(yōu)拓?fù)渥R別技術(shù)方案，并實現(xiàn)拓?fù)渥R別配套終端設(shè)備（低壓監(jiān)測單元）的功能規(guī)范統(tǒng)一與互聯(lián)、互通、兼容、互用，為提升配電物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)與應(yīng)用水平、推動配電網(wǎng)數(shù)字化的轉(zhuǎn)型發(fā)展奠定應(yīng)用基礎(chǔ)。

1 臺區(qū)拓?fù)渥詣幼R別技術(shù)

1.1 拓?fù)渥R別技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

由于技術(shù)和管理水平落后，低壓配電網(wǎng)在建設(shè)和維護(hù)方面較輸電網(wǎng)絡(luò)存在較大差距。配電臺區(qū)涉及資產(chǎn)較多且連接關(guān)系復(fù)雜，變壓器、表箱、電能表等資產(chǎn)信息及其拓?fù)溥B接關(guān)系都需要準(zhǔn)確錄入信息化系統(tǒng)，以往常常采用人工手動錄入，消耗時間多且難以保證工作質(zhì)量；隨著時間的推移，農(nóng)網(wǎng)改造、表箱更換等施工項目的實施，使得臺區(qū)內(nèi)設(shè)備及拓?fù)鋱D變更頻繁。因此，初期的拓?fù)渥R別應(yīng)用主要集中于解決“變-戶”關(guān)系的識別問題（“戶”專指低壓用戶）。圍繞這一主要應(yīng)用需求，涌現(xiàn)了許多技術(shù)方法，具體如表1所示。

表1 “變-戶”型拓?fù)渥詣幼R別技術(shù)對比分析

上述方法雖然能較好的實現(xiàn)“變-戶”識別，但是方法2至方法4基于載波通信原理，受時鐘同步性、采樣誤差、臺區(qū)串?dāng)_等因素影響，識別準(zhǔn)確率相對較低，且適用場景受載波通信設(shè)備的限制；方法5至方法7需要造成瞬間短路，在電壓、電流上產(chǎn)生巨大脈沖，才能實現(xiàn)識別，會引起電網(wǎng)電壓、電流的巨大波動，可能會危害用戶設(shè)備和配電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，并且難以實現(xiàn)相關(guān)設(shè)備小型化，推廣成本高。

此外，大數(shù)據(jù)方法也是研究比較多的技術(shù)方案，這類方案主要是基于電表的電氣量數(shù)據(jù)（電壓、電流、電量、瞬時功率等）進(jìn)行分析求解，基于一系列啟發(fā)式優(yōu)化算法、隨機(jī)模擬算法、最小二乘、回歸優(yōu)化等算法［19-20］，得到“變-戶”關(guān)系。這類方法無需增加投資成本，但受限于電氣量采集的同步性、精度、小表和零表、線路竊電、線損、采集和通信等因素的影響，在實際應(yīng)用中無法保證準(zhǔn)確率，難以實現(xiàn)大范圍推廣。

1.2 基于特征電流注入的拓?fù)渥R別技術(shù)原理

隨著拓?fù)渥詣幼R別技術(shù)研究的持續(xù)深入，基于特征電流注入的拓?fù)渥R別方法逐步得到認(rèn)可和廣泛采用，其基本原理如圖1所示，通過在設(shè)備零火線之間加裝負(fù)載通斷模塊，控制負(fù)載通斷方式，在臺區(qū)內(nèi)所有節(jié)點設(shè)備產(chǎn)生特定規(guī)律的特征電流，變壓器總出線、線路各級位置的設(shè)備檢測特定頻點電流信號，并進(jìn)行頻域特性分析（處于末端的設(shè)備無需進(jìn)行特征電流檢測）。根據(jù)設(shè)備的電流信號發(fā)送記錄及檢測結(jié)果，綜合分析計算，即可實現(xiàn)臺區(qū)拓?fù)潢P(guān)系的識別。

圖1 基于特征電流的拓?fù)渥R別技術(shù)原理

將基于特征電流的拓?fù)渥R別功能（包括發(fā)送模塊和識別模塊）搭載于各類配電物聯(lián)網(wǎng)智能感知終端設(shè)備上，如臺區(qū)智能融合終端、LTU（配電線路自動化遠(yuǎn)方終端）低壓監(jiān)測單元、智能斷路器、智能電表等，并通過在臺區(qū)關(guān)鍵節(jié)點處進(jìn)行合理部署，將可實現(xiàn)低壓臺區(qū)由物理形態(tài)向數(shù)字形態(tài)的映射，如圖2所示。

圖2 全景透明感知的配電物聯(lián)網(wǎng)臺區(qū)

特征電流法在具體的實現(xiàn)方式主要有“有功電流注入+時域信號檢測”“有功電流注入+頻域信號檢測”“無功電流注入+時域信號檢測”“無功電流注入+頻域信號檢測”4 種實現(xiàn)方式。實現(xiàn)方式上存在差異，因此將造成向下延伸各類智能終端設(shè)備所搭載的拓?fù)渥R別功能及其模塊差異性顯著，進(jìn)而導(dǎo)致配電物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中各類“邊”和“端”設(shè)備間的交互難以實現(xiàn)互聯(lián)、互通、互操作，極大地限制了全景透明感知臺區(qū)的實現(xiàn)。為此，有必要采取有效的試驗方式對拓?fù)渥R別技術(shù)進(jìn)行測試，進(jìn)而實現(xiàn)互聯(lián)、互通、互操作、互用。

2 配電物聯(lián)網(wǎng)“邊-端”交互試驗平臺搭建

為提供一個貼近真實并兼具靈活性的低壓配電臺區(qū)環(huán)境，實現(xiàn)臺區(qū)環(huán)境的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、運行工況與接入負(fù)荷的靈活調(diào)整和模擬，滿足“邊-端”設(shè)備接入適應(yīng)性和功能性，以及“邊-端”設(shè)備互聯(lián)、互通、互換、互用的測試需求，本文所設(shè)計的配電物聯(lián)網(wǎng)“邊-端”交互試驗平臺由兩個部分組成，分別是“組態(tài)式的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)”與“試驗拓?fù)浣M態(tài)管理系統(tǒng)”。

2.1 組態(tài)式拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

試驗平臺按照多層級、多分支和多臺區(qū)的原則進(jìn)行設(shè)計，每個臺區(qū)拓?fù)渚W(wǎng)架由配變側(cè)、線路側(cè)和用戶側(cè)組成，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 配電物聯(lián)網(wǎng)“邊-端”交互功能試驗配電臺區(qū)拓?fù)渚W(wǎng)架

配變側(cè)由電源（電源模擬器或市電）輸出，通過漏保開關(guān)連接至線路側(cè)進(jìn)行分流；線路側(cè)根據(jù)設(shè)計需求，可設(shè)置多層級與多路出線輸出，連接塑殼斷路器、換相開關(guān)、動態(tài)無功補(bǔ)償裝置、分支故障模擬裝置等線路側(cè)設(shè)備；用戶側(cè)經(jīng)線路側(cè)輸出，連接單相或三相模擬負(fù)荷、充電樁、戶用儲能、分布式光伏。臺區(qū)拓?fù)渚W(wǎng)架間，在線路側(cè)輸入節(jié)點處通過智能開關(guān)連接；臺區(qū)拓?fù)渚W(wǎng)架內(nèi)，在配變側(cè)、線路側(cè)和用戶側(cè)，設(shè)置插槽式接線端子，以實現(xiàn)多臺區(qū)的串聯(lián)或并聯(lián)，實現(xiàn)臺區(qū)拓?fù)渚W(wǎng)架與層級的靈活調(diào)節(jié)。

為了實現(xiàn)整個實驗系統(tǒng)臺區(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及運行工況的一鍵生成與控制，專門設(shè)計了基于PLC（可編程邏輯控制器）與微型斷路器的臺區(qū)拓?fù)浣M態(tài)控制系統(tǒng)；將微型斷路器以串聯(lián)或并聯(lián)方式接入配電臺區(qū)拓?fù)渚W(wǎng)架的層級、分支、末端以及其他類型的拓?fù)浣尤牍?jié)點；通過PLC 實現(xiàn)臺區(qū)內(nèi)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)調(diào)整以及充電樁、儲能、光伏、低壓監(jiān)測單元等各類新型智能設(shè)備和感知裝置接入、切除的遠(yuǎn)程一鍵設(shè)置與自動調(diào)節(jié)。

如圖4 所示，通過PLC 與可控微型斷路器的應(yīng)用，整個試驗平臺形成相應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（包括分支、層級），接入相應(yīng)的元素（光伏、儲能、充電樁）并運行于相應(yīng)的工況，將變得非常快捷，可以極大地提升試驗測試效率。

圖4 基于PLC與微型斷路器的臺區(qū)拓?fù)浣M態(tài)控制系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 試驗拓?fù)浣M態(tài)管理系統(tǒng)設(shè)計

最后，針對已經(jīng)構(gòu)建起的試驗平臺拓?fù)渚W(wǎng)架和PLC 微型斷路器組態(tài)系統(tǒng)，通過通信轉(zhuǎn)換接口模塊連接V2G（電動汽車入網(wǎng)）充電樁模擬器、戶用儲能模擬器、分布式光伏模擬器電源模擬器以及分支故障模擬終端，基于.NET平臺、C/S軟件架構(gòu)和Access 數(shù)據(jù)庫，采用多線程、多任務(wù)并發(fā)機(jī)制與GDI+繪圖技術(shù)，實現(xiàn)對配電物聯(lián)網(wǎng)“邊-端”交互功能試驗臺區(qū)的平臺可視化操作管理與控制。如圖5所示，管理系統(tǒng)功能由服務(wù)器主機(jī)、集線器、串口服務(wù)器組成。

圖5 “邊-端”交互功能試驗臺區(qū)管理系統(tǒng)架構(gòu)

3 臺區(qū)拓?fù)渥詣幼R別技術(shù)測試方案

利用實驗室部署形式搭建專用的配電物聯(lián)網(wǎng)臺區(qū)“邊-端”交互功能試驗平臺，如圖6所示，通過構(gòu)建多臺區(qū)、多分支、多層級復(fù)雜配電臺區(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，接入充電樁、儲能、光伏、低壓監(jiān)測單元等各類新型智能裝備和感知裝置，靈活構(gòu)造浙江配電網(wǎng)典型臺區(qū)場景，并從設(shè)備即插即用、拓?fù)渥R別準(zhǔn)確性、相位識別準(zhǔn)確性、拓?fù)渥R別時間、識別抗擾能力等5個維度，對臺區(qū)拓?fù)渥詣幼R別技術(shù)進(jìn)行全方位測試驗證。

圖6 配電物聯(lián)網(wǎng)“邊-端”交互功能試驗平臺

基于配電物聯(lián)網(wǎng)“邊-端”交互功能試驗平臺為被測試的拓?fù)渥R別技術(shù)方案設(shè)置4 種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如圖7 所示），基于4 個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所能開展的所有測試內(nèi)容列出15個測試項目（如表2所示），對應(yīng)4個試驗拓?fù)?，以及每個拓?fù)鋵?yīng)的臺區(qū)接入設(shè)備（如光伏、無功補(bǔ)償以及充電樁）變化而設(shè)置。15種測試運行工況（如表3所示），通過多節(jié)點、多層級、多元接入下的多種運行工況，對拓?fù)渥R別技術(shù)方案進(jìn)行全方位評估測試，以更加高效、快捷、有效的方式掌握拓?fù)渥R別技術(shù)的優(yōu)勢和不足。

表2 臺區(qū)拓?fù)渥R別測試項目

表3 臺區(qū)拓?fù)渥R別測試運行工況

圖7 配電物聯(lián)網(wǎng)“邊-端”交互功能試驗拓?fù)?/p>

4 測試結(jié)果分析

目前，配電物聯(lián)網(wǎng)臺區(qū)試驗拓?fù)渥詣颖孀R功能實現(xiàn)主要依靠于軟、硬件結(jié)合；其中，所需的硬件設(shè)備載體包括臺區(qū)智能融合終端與LTU低壓監(jiān)測單元。選取浙江公司主要技術(shù)供應(yīng)商，包括硬件終端與內(nèi)嵌算法APP，如圖8 所示，并將相關(guān)設(shè)備提前部署與圖7所示試驗拓?fù)渲羞M(jìn)行功能與性能的測試驗證。

圖8 不同拓?fù)渥R別技術(shù)方案配套的LTU低壓監(jiān)測單元

4.1 測試方案

1）測試方案A：無功電流注入+頻域信號檢測，測試工況完成率為2/15；僅能夠完成1號、2號運行工況的相關(guān)試驗測試，拓?fù)渥R別功能及性能無法滿足實際應(yīng)用需求。

2）測試方案B：有功電流注入+頻域信號檢測，測試工況完成率為3/15；僅能夠完成1—3號運行工況的相關(guān)試驗，該測試方案在試驗拓?fù)渲屑尤敕植际焦夥O(shè)備運行后，LTU 拓?fù)渥R別功能出現(xiàn)異常，無法準(zhǔn)確獲取試驗拓?fù)湎嚓P(guān)信息，拓?fù)渥R別功能及性能不能滿足實際應(yīng)用需求。

3）測試方案C：有功電流注入+頻域信號檢測，測試工況完成率為13/15，能夠完成1—13 號運行工況的相關(guān)試驗測試，相關(guān)工況下的拓?fù)渥R別功能均正常；但14號、15號測試工況下，由于存在雙臺區(qū)并行運行的情況，因為臺區(qū)側(cè)HPLC（高速電力線載波）本地通信的串?dāng)_，造成向下延伸的LTU設(shè)備與首端融合終端設(shè)備間的對應(yīng)關(guān)系出現(xiàn)錯配，導(dǎo)致拓?fù)渥R別結(jié)果錯誤。

4）測試方案D：有功電流注入+頻域信號檢測，測試工況完成率為15/15，能夠完成表2和表3中所有試驗項目和試驗工況的測試，拓?fù)渥R別結(jié)果均正常。在雙臺區(qū)運行情況下，拓?fù)渥R別并不會受到干擾，依舊能夠準(zhǔn)確實現(xiàn)“變-戶”關(guān)系、拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)以及相位信息的準(zhǔn)確獲取。

4.2 方案對比

最終，通過對以上4個測試方案進(jìn)行全方位對比，可以得到以下結(jié)論：

1）拓?fù)渥R別技術(shù)是實現(xiàn)低壓配電網(wǎng)透明化與智能化的重要基礎(chǔ)應(yīng)用，對于拓?fù)湫畔⒌木珳?zhǔn)獲取（包括網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、節(jié)點信息、相位關(guān)系）是構(gòu)建臺區(qū)側(cè)全景透明感知能力和源網(wǎng)荷儲協(xié)同能力的技術(shù)底座，是連接高級應(yīng)用算法和海量智能感知終端的關(guān)鍵橋梁。

2）隨著拓?fù)涔?jié)點、拓?fù)鋵蛹壱?guī)模的增加，拓?fù)渥R別所需時間同步增加；但考慮到實際臺區(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化周期（通常并不會出現(xiàn)過頻繁的拓?fù)洚悇樱虼?，現(xiàn)有拓?fù)渥R別算法的響應(yīng)速度能夠滿足實際生產(chǎn)業(yè)務(wù)應(yīng)用需求。

3）隨著新型配電系統(tǒng)的建設(shè)，分布式光伏、電動汽車充電樁、SVG 無功補(bǔ)償以及臺區(qū)側(cè)儲能等設(shè)備大量接入，深度電力電子化帶來的諧波注入對于拓?fù)渥R別功能的正常使用存在顯著影響，因此，拓?fù)渥R別解決方案需充分考慮對這些干擾因素的魯棒性，以適應(yīng)復(fù)雜的實際工況。

4）本地通信技術(shù)是實現(xiàn)配電物聯(lián)網(wǎng)臺區(qū)下“邊-端”設(shè)備互聯(lián)、互通、互操作的重要技術(shù)支撐，但是，當(dāng)多個臺區(qū)同時存在時，臺區(qū)間的相互干擾會對“邊-端”設(shè)備間的關(guān)聯(lián)對應(yīng)產(chǎn)生影響，繼而影響互聯(lián)、互通、互操作。因此，拓?fù)渥R別算法還須充分考慮對通信頻段的魯棒性，以適應(yīng)復(fù)雜的實際工況。

基于上述評價結(jié)果，“有功電流注入+頻域檢測”技術(shù)路線在整個拓?fù)渥R別測試中所呈現(xiàn)出的表現(xiàn)最優(yōu)，識別準(zhǔn)確率和適應(yīng)性最好。

4.3 特征電流技術(shù)規(guī)范

從實現(xiàn)配電物聯(lián)網(wǎng)“邊-端”設(shè)備互聯(lián)、互通、互用的目標(biāo)出發(fā)，對應(yīng)用于浙江公司的拓?fù)浔孀R技術(shù)（特征電流物理特征）、拓?fù)渥R別交互數(shù)據(jù)項及相關(guān)功能進(jìn)行了優(yōu)化和統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化，如表4 中所示。

表4 浙江公司基于特征電流注入的拓?fù)渥R別物理特征

5 結(jié)論

本文圍繞配電物聯(lián)網(wǎng)臺區(qū)拓?fù)渥詣幼R別技術(shù)功能與性能的測試需求，提出了一種綜合考慮識別可靠性、識別準(zhǔn)確率高與識別抗擾能力的拓?fù)渥詣幼R別技術(shù)測試方案，并研制專用的配電物聯(lián)網(wǎng)臺區(qū)“邊-端”交互試驗平臺，一鍵生成多臺區(qū)、多分支、多層級復(fù)雜拓?fù)渚W(wǎng)架結(jié)構(gòu)以及多種運行工況，實現(xiàn)對臺區(qū)拓?fù)渥R別技術(shù)的綜合有效測評。最后，基于本文所提出的測試方案和測試平臺，為浙江公司配電物聯(lián)網(wǎng)臺區(qū)建設(shè)應(yīng)用需求，選取了最優(yōu)拓?fù)渥R別技術(shù)方案，提升配電物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)與應(yīng)用水平，推動配電網(wǎng)數(shù)字化的轉(zhuǎn)型發(fā)展。