智能配變終端的研發及工程應用

顏 勇 ，汪東軍 ，田 曉 ，張立國 ，張 帥

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

0 引言

傳統配網中臺架式配變臺區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備。配電箱中安裝變壓器監測終端以實現對變壓器的在線監測及無功補償控制；計量箱中安裝用電信息采集終端以實現對計量電表遠程數據的采集；無功補償設備通過自動投切電容實現對低壓側無功缺口的補償。這種同種信息的多次采集、分別處理的方法缺點突出，存在臺架設備眾多、占地面積大、現場施工復雜、智能監測設備重復投資、運行維護成本高等問題［1-2］。

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

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

1 智能配變終端的研發

1.1 基本功能

智能配變終端是JP柜內的核心采集和控制單元，由具有數據采集和處理功能的終端主體部分和對外通信部分組成，能夠實時采集用戶的用電信息、供電狀況、電量信息、電表計量數據等各項用電數據；保存歷史用電數據、采樣脈沖量、開關量信號；處理液晶顯示和鍵盤響應；根據預設參數進行遙控跳閘；根據電網無功需求進行電容器的投切；按主站要求上傳數據或定時主動上傳任務數據［5］。

一個終端集成了傳統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，大大減少了設備數量，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

終端硬件主要包括處理器模塊、電源模塊、電能表數據采集、電參數采集與測量模塊、通信模塊、I/O口應用、LCD模塊等。硬件架構如圖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，非常適合于進行網絡傳輸、協議轉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的網絡速度和數據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，并且還可提供大數據容量存儲［6］。

圖2 終端硬件架構

測量模塊。測量模塊完成無線配電監測終端實時監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 測量模塊結構

圖4 終端軟件架構

互感器。配變低壓用戶側電流一般為10～1000A，需通過電流互感器為配電監測終端提供5 A的輸入電流信號。配變用戶側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，電壓互感器規格為220 V／0.5 V，數量3個。

1.3 軟件架構

終端軟件系統開發調試環境是ADS1.2。軟件架構如圖4所示。

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

圖5 測量模塊程序流程

抄電表任務。抄電表任務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送命令，把返回的電表數據根據要求存儲或上傳。若發生通信異常，任務會重新向電表發送數據幀，若重試次數超過設定值則表明通信失敗，則存儲當前錯誤信息并上報主站。任務流程如圖6所示。

2 山東配電網能效管理系統

能效管理系統集無功補償監測、配變監測、電能質量監測等功能于一體。系統采用省級集中部署BS建設模式，地市級通過web瀏覽器使用。終端采集的數據通過4G網絡（VPN）的方式傳輸，集中到省級能效數據中心管理，實現指標計算、能效監測、能效分析、節能設備管理、供電質量分析、應用效果分析等功能［9］。系統主要包括系統層、通信層、設備層3部分，如圖7所示。

圖6 抄電表任務流程

圖7 系統總體架構

系統采用集中部署的模式，部署在安全Ⅲ區，網絡拓撲結構如圖8所示。

系統主要業務功能包括能效監測、能效分析、節能設備管理、停電監測分析等。

2.1 能效監測

能效監測主要是對無功補償的投入和節電效果的實時監視，滿足管理人員對配網運行狀態、節能指標的全面了解，便于進行綜合管理和控制。數據通過地理信息圖、儀表盤、曲線、列表等形式進行展示，導航方式包括地理拓撲和列表兩種。

圖8 系統部署架構

全省監測。以地理信息圖的方式顯示全省節能改造的總體情況，包括節能改造線路條數、節能改造臺區個數；400 V節能裝置數量、投入臺數、當前時刻投入容量、累計投入容量、在線率。顯示當年累計節約電量、當年累計節約標煤、碳排放、平均功率因數、無功補償投入總容量和昨日配置容量利用小時數等關鍵指標。包括信息提示、節電量監測、平均功率因數監測、配置容量利用小時數監測等功能。如圖9所示。

地市監測。以地理信息圖的方式展示每個地市節能改造的總體情況，包括節能改造線路條數、節能改造臺區個數；400 V節能裝置數量、投入臺數、當前時刻投入容量、累計投入容量、在線率。顯示當年累計節約電量、當年累計節約標煤、碳排放、平均功率因數、無功補償投入總容量和昨日配置容量利用小時數等關鍵指標。可監測區縣節電量和設備在線率、改造臺數，便于整體了解設備的投運和取得的效果。如圖10所示。

10 kV線路監測。顯示10 kV線路的臺賬信息，內容包括線路所屬區縣、變電站、線路名稱，同時顯示該線路下所安裝的節能裝置臺數。選擇某條線路，可以顯示該線路下所屬臺區的臺賬信息，包括臺區名稱、配變型號/容量、設備號、配置電容器容量、電容器投切狀態和容量。

圖9 全省能效概況

圖10 地市能效概況

臺區監測。顯示臺區的基本信息，包括臺區所屬地市、線路，配變容量/型號、設備號等信息。包括圖標分析、節電量統計、投入容量統計、數據列表等功能。

2.2 能效分析

在對全省臺區無功補償裝置的自動監測基礎上，實現節電量、無功投入容量和電能質量改善等統計分析工作，量化分析配電網無功補償設備的節能降損效果，為配電網經濟、高效運行提供依據。包括基礎統計報表（節電量統計、投入容量統計、功率因數統計、帶電時長占比統計）、電能質量分析、采集數據查詢等分析功能。

2.3 節能設備管理

目前配電網無功設備管理與維護存在較多問題，通過平臺進行統一管理，借助通信手段，實時掌握設備運行狀態，建立異常預警機制，開展離線、未投運等設備的月度運行分析，及時發現設備的隱患，自動給出問題設備明細信息，為低壓設備搶修和消缺工作提供針對性指導，支撐配電網主動運維，減輕設備運維工作量、提升設備運行可靠率、節約人力物力成本。節能設備管理分為設備臺賬管理、參數管理、設備日報/月報分析、設備異常數據分析、低壓設備搶修和消缺記錄等模塊。

2.4 停電監測與分析

當配變臺區某一路線路發生停電事故時，JP柜配變終端及時主動上送該線路的開關位置和停電信號到支撐平臺，及時發現不正常停電，系統對停電信號進行預警，支撐故障搶修由被動到主動的轉變，提升客戶的滿意度。

10 kV配網故障停電的原因比較復雜，通過系統記錄的停電時間及停電次數，經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，為規劃設計、工程施工、設備采購及驗收、運行維護和客戶側工作等方面的預防工作，提供有力的數據支撐［10］。

3 結語

近年來國家電網公司對配網改造持續投入，JP柜（含智能配變終端）已在山東電網全面推廣，所研發的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，可將所有運行數據統一上傳，消除了不同業務系統間的信息壁壘，提高了各種信息的內在關聯性，實現了對配變臺區綜合性業務的統一、完整、規范描述，降低了設備成本和通信成本，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。