智能配變終端的研發(fā)及工程應(yīng)用

顏 勇 ，汪東軍 ，田 曉 ，張立國 ，張 帥

（1.國網(wǎng)山東節(jié)能服務(wù)有限公司，山東 濟南 250021；2.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

傳統(tǒng)配網(wǎng)中臺架式配變臺區(qū)的標準配置包括變壓器、配電箱、計量箱、無功補償裝置等諸多設(shè)備。配電箱中安裝變壓器監(jiān)測終端以實現(xiàn)對變壓器的在線監(jiān)測及無功補償控制；計量箱中安裝用電信息采集終端以實現(xiàn)對計量電表遠程數(shù)據(jù)的采集；無功補償設(shè)備通過自動投切電容實現(xiàn)對低壓側(cè)無功缺口的補償。這種同種信息的多次采集、分別處理的方法缺點突出，存在臺架設(shè)備眾多、占地面積大、現(xiàn)場施工復(fù)雜、智能監(jiān)測設(shè)備重復(fù)投資、運行維護成本高等問題［1-2］。

同時，配變臺區(qū)無功補償作為配網(wǎng)節(jié)能降損的主要技術(shù)措施，隨著配網(wǎng)節(jié)能改造項目的大力實施，配網(wǎng)臺架就地安裝了大量無功補償裝置。這些設(shè)備位置分散，造成配網(wǎng)無功補償維護和管理困難，設(shè)備健康狀態(tài)無法及時準確掌握，設(shè)備的無功投入及帶來的節(jié)電效果不能進行量化評估。同時，相對于配網(wǎng)節(jié)能降損和生產(chǎn)運營不斷增大的壓力，配網(wǎng)無功監(jiān)控管理滯后，管理手段仍然粗放［3-4］。

為解決配網(wǎng)無功補償控制與監(jiān)測管理的諸多問題，研發(fā)SDJN-DU-Ⅱ型智能配變終端，并依托綜合配電箱（JP柜），開發(fā)建設(shè)無功節(jié)能及運維支撐平臺，即山東配電網(wǎng)能效管理系統(tǒng)。

1 智能配變終端的研發(fā)

1.1 基本功能

智能配變終端是JP柜內(nèi)的核心采集和控制單元，由具有數(shù)據(jù)采集和處理功能的終端主體部分和對外通信部分組成，能夠?qū)崟r采集用戶的用電信息、供電狀況、電量信息、電表計量數(shù)據(jù)等各項用電數(shù)據(jù)；保存歷史用電數(shù)據(jù)、采樣脈沖量、開關(guān)量信號；處理液晶顯示和鍵盤響應(yīng)；根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)進行遙控跳閘；根據(jù)電網(wǎng)無功需求進行電容器的投切；按主站要求上傳數(shù)據(jù)或定時主動上傳任務(wù)數(shù)據(jù)［5］。

一個終端集成了傳統(tǒng)JP柜中信息采集單元、無功補償控制器、抄表集中器3款終端的功能，大大減少了設(shè)備數(shù)量，降低了接線工作量，減少了安裝空間要求，具備良好的推廣價值。終端前面板如圖1所示。

圖1 智能配變終端

1.2 硬件架構(gòu)

終端硬件主要包括處理器模塊、電源模塊、電能表數(shù)據(jù)采集、電參數(shù)采集與測量模塊、通信模塊、I/O口應(yīng)用、LCD模塊等。硬件架構(gòu)如圖2所示。

處理器模塊采用基于32位的ARM7TDMISCPU的嵌入式微控制器LPC2292，包含2個UART口、1個SPI口、1個I2C口和2個CAN口等多種通信接口，非常適合于進行網(wǎng)絡(luò)傳輸、協(xié)議轉(zhuǎn)換和控制的智能配變終端。強大的處理功能滿足嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)速度和數(shù)據(jù)存儲速度要求較高的需求，具有較高的可靠性、集成度，較低的功耗，并且還可提供大數(shù)據(jù)容量存儲［6］。

圖2 終端硬件架構(gòu)

測量模塊。測量模塊完成無線配電監(jiān)測終端實時監(jiān)測遙測模擬量的功能。測量模塊主要由電能計量芯片ATT7022A及3組電流互感器（TA）和電壓互感器（TV）組成，如圖 3 所示［7］。

圖3 測量模塊結(jié)構(gòu)

圖4 終端軟件架構(gòu)

互感器。配變低壓用戶側(cè)電流一般為10～1000A，需通過電流互感器為配電監(jiān)測終端提供5 A的輸入電流信號。配變用戶側(cè)電壓可以直接接入電壓互感器。選用的電流互感器精度為0.1級，負載阻抗為20 Ω共3個，電壓互感器規(guī)格為220 V／0.5 V，數(shù)量3個。

1.3 軟件架構(gòu)

終端軟件系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試環(huán)境是ADS1.2。軟件架構(gòu)如圖4所示。

數(shù)據(jù)采集與處理。對遙測模擬量進行實時監(jiān)測，對變壓器電壓、電流信號進行諧波分析，并完成數(shù)據(jù)定時存儲和上傳，其流程如圖5所示［8］。

圖5 測量模塊程序流程

抄電表任務(wù)。抄電表任務(wù)負責電表通信和處理。收到消息或者到抄表時間后即向電表發(fā)送命令，把返回的電表數(shù)據(jù)根據(jù)要求存儲或上傳。若發(fā)生通信異常，任務(wù)會重新向電表發(fā)送數(shù)據(jù)幀，若重試次數(shù)超過設(shè)定值則表明通信失敗，則存儲當前錯誤信息并上報主站。任務(wù)流程如圖6所示。

2 山東配電網(wǎng)能效管理系統(tǒng)

能效管理系統(tǒng)集無功補償監(jiān)測、配變監(jiān)測、電能質(zhì)量監(jiān)測等功能于一體。系統(tǒng)采用省級集中部署B(yǎng)S建設(shè)模式，地市級通過web瀏覽器使用。終端采集的數(shù)據(jù)通過4G網(wǎng)絡(luò)（VPN）的方式傳輸，集中到省級能效數(shù)據(jù)中心管理，實現(xiàn)指標計算、能效監(jiān)測、能效分析、節(jié)能設(shè)備管理、供電質(zhì)量分析、應(yīng)用效果分析等功能［9］。系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)層、通信層、設(shè)備層3部分，如圖7所示。

圖6 抄電表任務(wù)流程

圖7 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)采用集中部署的模式，部署在安全Ⅲ區(qū)，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖8所示。

系統(tǒng)主要業(yè)務(wù)功能包括能效監(jiān)測、能效分析、節(jié)能設(shè)備管理、停電監(jiān)測分析等。

2.1 能效監(jiān)測

能效監(jiān)測主要是對無功補償?shù)耐度牒凸?jié)電效果的實時監(jiān)視，滿足管理人員對配網(wǎng)運行狀態(tài)、節(jié)能指標的全面了解，便于進行綜合管理和控制。數(shù)據(jù)通過地理信息圖、儀表盤、曲線、列表等形式進行展示，導(dǎo)航方式包括地理拓撲和列表兩種。

圖8 系統(tǒng)部署架構(gòu)

全省監(jiān)測。以地理信息圖的方式顯示全省節(jié)能改造的總體情況，包括節(jié)能改造線路條數(shù)、節(jié)能改造臺區(qū)個數(shù)；400 V節(jié)能裝置數(shù)量、投入臺數(shù)、當前時刻投入容量、累計投入容量、在線率。顯示當年累計節(jié)約電量、當年累計節(jié)約標煤、碳排放、平均功率因數(shù)、無功補償投入總?cè)萘亢妥蛉张渲萌萘坷眯r數(shù)等關(guān)鍵指標。包括信息提示、節(jié)電量監(jiān)測、平均功率因數(shù)監(jiān)測、配置容量利用小時數(shù)監(jiān)測等功能。如圖9所示。

地市監(jiān)測。以地理信息圖的方式展示每個地市節(jié)能改造的總體情況，包括節(jié)能改造線路條數(shù)、節(jié)能改造臺區(qū)個數(shù)；400 V節(jié)能裝置數(shù)量、投入臺數(shù)、當前時刻投入容量、累計投入容量、在線率。顯示當年累計節(jié)約電量、當年累計節(jié)約標煤、碳排放、平均功率因數(shù)、無功補償投入總?cè)萘亢妥蛉张渲萌萘坷眯r數(shù)等關(guān)鍵指標。可監(jiān)測區(qū)縣節(jié)電量和設(shè)備在線率、改造臺數(shù)，便于整體了解設(shè)備的投運和取得的效果。如圖10所示。

10 kV線路監(jiān)測。顯示10 kV線路的臺賬信息，內(nèi)容包括線路所屬區(qū)縣、變電站、線路名稱，同時顯示該線路下所安裝的節(jié)能裝置臺數(shù)。選擇某條線路，可以顯示該線路下所屬臺區(qū)的臺賬信息，包括臺區(qū)名稱、配變型號/容量、設(shè)備號、配置電容器容量、電容器投切狀態(tài)和容量。

圖9 全省能效概況

圖10 地市能效概況

臺區(qū)監(jiān)測。顯示臺區(qū)的基本信息，包括臺區(qū)所屬地市、線路，配變?nèi)萘?型號、設(shè)備號等信息。包括圖標分析、節(jié)電量統(tǒng)計、投入容量統(tǒng)計、數(shù)據(jù)列表等功能。

2.2 能效分析

在對全省臺區(qū)無功補償裝置的自動監(jiān)測基礎(chǔ)上，實現(xiàn)節(jié)電量、無功投入容量和電能質(zhì)量改善等統(tǒng)計分析工作，量化分析配電網(wǎng)無功補償設(shè)備的節(jié)能降損效果，為配電網(wǎng)經(jīng)濟、高效運行提供依據(jù)。包括基礎(chǔ)統(tǒng)計報表（節(jié)電量統(tǒng)計、投入容量統(tǒng)計、功率因數(shù)統(tǒng)計、帶電時長占比統(tǒng)計）、電能質(zhì)量分析、采集數(shù)據(jù)查詢等分析功能。

2.3 節(jié)能設(shè)備管理

目前配電網(wǎng)無功設(shè)備管理與維護存在較多問題，通過平臺進行統(tǒng)一管理，借助通信手段，實時掌握設(shè)備運行狀態(tài)，建立異常預(yù)警機制，開展離線、未投運等設(shè)備的月度運行分析，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的隱患，自動給出問題設(shè)備明細信息，為低壓設(shè)備搶修和消缺工作提供針對性指導(dǎo)，支撐配電網(wǎng)主動運維，減輕設(shè)備運維工作量、提升設(shè)備運行可靠率、節(jié)約人力物力成本。節(jié)能設(shè)備管理分為設(shè)備臺賬管理、參數(shù)管理、設(shè)備日報/月報分析、設(shè)備異常數(shù)據(jù)分析、低壓設(shè)備搶修和消缺記錄等模塊。

2.4 停電監(jiān)測與分析

當配變臺區(qū)某一路線路發(fā)生停電事故時，JP柜配變終端及時主動上送該線路的開關(guān)位置和停電信號到支撐平臺，及時發(fā)現(xiàn)不正常停電，系統(tǒng)對停電信號進行預(yù)警，支撐故障搶修由被動到主動的轉(zhuǎn)變，提升客戶的滿意度。

10 kV配網(wǎng)故障停電的原因比較復(fù)雜，通過系統(tǒng)記錄的停電時間及停電次數(shù)，經(jīng)運維人員將停電原因錄入后，支撐平臺能夠分析對停電進行不同類型的分析，為規(guī)劃設(shè)計、工程施工、設(shè)備采購及驗收、運行維護和客戶側(cè)工作等方面的預(yù)防工作，提供有力的數(shù)據(jù)支撐［10］。

3 結(jié)語

近年來國家電網(wǎng)公司對配網(wǎng)改造持續(xù)投入，JP柜（含智能配變終端）已在山東電網(wǎng)全面推廣，所研發(fā)的SDJN-DU-Ⅱ型智能配變終端成功推上市場。

采用SDJN-DU-Ⅱ型智能配變終端作為JP柜的采集和控制單元，可將所有運行數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳，消除了不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)間的信息壁壘，提高了各種信息的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，實現(xiàn)了對配變臺區(qū)綜合性業(yè)務(wù)的統(tǒng)一、完整、規(guī)范描述，降低了設(shè)備成本和通信成本，減少了安裝空間的要求，減少了接線難度，降低了運行維護工作量。