面向低壓智能配、用電網通信以及關鍵技術的研究

高平 陳曉軍

摘 要：文中提出一種基于智能元件感知、站端控制以及云端管理三個層級構建的低壓智能配用電系統架構，深入分析了低壓智能配用電系統無線通信技術，包括藍牙通信技術應用和MQTT物聯網云端通信技術應用，研究了低壓智能配電系統高精度測量和健康狀態在線檢測的關鍵技術。

關鍵詞：低壓智能配電;通信技術;組網;云端

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）01-00-05

0 引 言

隨著物聯網、大數據、云計算技術的快速發展，虛擬化技術和標準、網絡化共享服務基礎架構的出現，低壓配用電系統面向智能化組網通信的發展變得十分迫切。

傳統的低壓配用電管理系統已經不能滿足云時代智能配用電系統的數字化需求?；谖锫摼W和云計算的智能配用電系統可全方位提高配用電系統對于智能元件信息感知的廣度和深度，提升配用電環節故障分析、預警、自愈以及防范災害的能力，提升電網安全運行水平，實現“電力流，信息流，業務流”的高度融合，以及電能耗的精細化管理，達到節能降耗、降本增效的目的。

本文研究提出一種遵循配用電標準規范，具有自動化程度高、兼容性廣、使用方便等特點的智能化低壓配用電管理系統。該低壓配用電系統通過智能傳感技術和監控軟件可實現遠程精確遙測和可靠遙控，而且具有負荷控制調度技術實現配用電系統的負荷檢測和負荷調配，從而優化配用電系統的能效。智能化低壓配用電管理系統具有如下特征[1-2]：

（1）全面信息采集，實現電力配用電各個環節信息的全面采集，實現全過程、資產全壽命、客戶全方位的感知。

（2）數據互聯互通，采集裝置、傳感器、傳感器與應用系統通過物聯網標準化通信協議與通信網絡，實現信息的有效傳遞與交互。

（3）數據鏈路可靠，利用總線技術、無線通信技術以及互聯網通信技術等，實現智能組網系統間數據鏈路的可靠、安全及高速傳輸。

（4）云平臺大數據處理，建立配用電能源運行大數據收集、存儲和運算的云系統，綜合運用AI算法、分布式數據庫等技術，進行數據挖掘、數據儲存、智能分析，支撐應用服務、信息呈現、客戶交互等業務功能。

（5）IT數字化技術融合，成為企業IT架構的延伸，完善補充企業IT架構，同時作為企業IT架構最重要的組成部分之一。

1 系統架構概述

本文低壓智能配用電網系統架構基于智能元件感知、站端控制以及云端管理自下向上的三個層級方式構建。低壓智能配用電系統架構如圖1所示。

由圖1可知，底層的智能元件感知層由低壓配電元件構成的智能元件柜、通過數據轉換網關設備連接的第三方設備以及新能源微網系統等組成。智能元件感知層的主要功能是實現系統元件的互聯互通，將采集到的設備數據通過工業以太網總線技術向站端控制層傳送，最終通過無線通信技術將數據傳送到云端平臺。

2 系統通信技術

本文有線通信部分采用傳統的Modbus-RTU以及Modbus-TCP技術，此處不再贅述。本文對系統架構智能元件感知層的本地化運維系統采用藍牙通信技術和云端管理層的物聯網MQTT通信技術設計應用進行詳細分析。

2.1 藍牙通信技術

低壓智能配電數字化系統元件通過增加藍牙無線數據傳輸功能和對應的手機APP軟件可實現設備的四遙功能，即“遙測、遙調、遙控、遙信”。當使用具有四遙功能的智能元件進行本地化現場運維巡檢時，運維巡檢人員只需通過手機APP讀取現場設備的運行狀況，無需用手碰觸設備調取運行數據，很大程度上確保了運維巡檢人員的人身安全，而且能夠在很大程度上降低運維巡檢的人力投入，提高運維巡檢的效率。

本文設計方案采用基于智能元件Modbus-RTU數據總線的透傳協議。數據透傳模式的最大優點是簡化了智能控制器的通信設計，對控制器內部的RS 485通信硬件電路設計無需進行較大更改。透傳協議最長數據幀為56 b，傳輸速率為1.5 kb/s，通信廣播間隔為100 ms。具體設計方案架構和數據透傳調試圖如圖2所示[3]。

2.2 MQTT通信技術

向云端上傳數據，其數據傳輸規約采用IBM開發的即時通信MQTT協議[4]，該協議支持所有平臺，因此可作為物聯網的關鍵通信協議。MQTT協議是輕量級基于代理發布/訂閱的消息傳輸協議，可以通過較少的代碼、帶寬與遠程設備連接。本文系統MQTT通信技術設計將DTU采集數據接入云端，數據流模型如圖3所示。

3 關鍵技術研究

3.1 高精度測量技術研究

傳統的低壓配電系統仍采用比較粗放的運維管理，測量精度要求不高，無需進行系統的能量管理和能耗分析，而智能低壓配電數字化系統的應用、分析和服務都需要高精度的運行數據實現實時監控、高效應用、精確分析和完善服務。目前低壓配電系統的關鍵元件特別是斷路器的電流采樣精度普遍較低，導致后續數據分析、應用與服務的效果大打折扣，因此提高斷路器電流采樣精度的研究十分重要。

智能配電數字化系統中需要實現更加精準的能效分析和能源管理，要求電流采樣精度在1.5級以上。由于斷路器的電流測量范圍較寬，在大電流情況下鐵芯互感器容易出現磁飽和而不能正常工作，測量互感器只能選用無磁飽、測量范圍寬的Rogowski線圈互感器[5]?？招木€圈的輸出電壓信號與被測電流滿足微分關系，因此要得到被測電流必須通過積分器還原被測電流信號，積分器的性能優劣不僅會影響電流測量的精度，還會影響到濾波抗擾性和長期工作穩定性，其電路原理如圖5所示。

根據圖5的電路結構圖可知，i1（t）為被測一次側電流，R0為線圈繞組和引線的電阻之和，L0為線圈感量，C0為線圈的等效雜散電容，雜散電容的值非常小，在等效電路計算推導中可忽略不計，Ra為取樣電阻，得到電流互感器的等效電路如圖6所示。

由式（8）可知，為常系數，H（s）的輸入輸出相當于一個慣性環節。由于一階慣性環節的低頻特性差導致非周期分量的衰減能力減弱，而積分常數τi的取值大小對非周期分量信號的衰減非常重要，因此可對斷路器電流采樣電路積分器進行優化設計，從而實現斷路器電流采樣精度的提高。

本文所述智能配電方案中選用的大電流智能配電元件的電流檢測精度達到了1.5級以上，符合智能配電對電流參數采樣的精度要求，具體數據如圖7所示。

3.2 健康狀態在線檢測技術研究

低壓智能配電數字化系統要求將傳統被動式運維模式向主動式運維模式轉變，主動式運維模式要求智能元件必須滿足健康狀態的在線實時檢測功能，其健康狀態指數信息通過工業總線通信向上傳輸到站端總控服務器和云端服務器，相關運維人員和用戶都能及時收到相關設備的健康狀態信息，繼而實現主動的運維模式，提高配電系統的可靠性運行。

斷路器的電觸頭在通電狀態下進行通斷操作，由于電弧灼燒嚴重影響觸頭損耗，而作為斷路器的關鍵部件之一，其磨損的情況直接關系到斷路器的電性能，可見對觸頭磨損率進行在線檢測對于系統故障診斷和系統維修具有重要意義。目前，國內外對觸頭磨損的檢測方法主要有表面粗糙度法、有效接觸距離法、接觸電阻法、燃弧參數統計分析法等[6]。但是上述方法都只是理論研究，實行起來尚有較多困難，其與產品化應用還相差較大距離。目前在產品中所宣稱的觸頭磨損率算法忽略了重要的影響因子，其檢測的觸頭磨損率精度低，無法滿足智能配電系統智能運維對設備健康狀態在線檢測的要求。

本文提出的觸頭磨損率在線預測方法，考慮了通斷操作對電流值的燃弧影響，均衡了簡化電氣燃弧影響的算法。通過檢測不同通流狀態下的電氣操作壽命n，即認為每操作一次的觸頭磨損率為，可得到觸頭磨損率在線檢測計算公式：

4 結 語

本文基于智能化配電項目，研究提出了一種基于智能元件感知、站端控制以及云端管理三個層級方式構建的低壓智能配用電系統架構，深入研究了藍牙通信技術和MQTT物聯網云端通信技術在低壓智能配用電系統的應用，最后研究分析了低壓智能配電系統高精度測量和健康狀態在線檢測的相關關鍵技術。項目正按計劃進行研究，將逐步推進產業化

應用。

參 考 文 獻

[1]巫飛新.國內外智能電網技術發展現狀[J].電氣開關，2012（2）：3-6.

[2]劉文，楊慧霞，祝斌.智能電網技術標準體系研究綜述[J].電力系統自動化，2012（22）：1-6.

[3]陳可偉，張金成，王鈺，等.基于Modbus協議的無線傳感器網絡網關設計[J].測控技術，2016，35（2）：99-103.

[4]于金剛，耿云飛，楊海波，等.基于MQTT協議的消息引擎服務器的設計與實現[J].小型微型計算機系統，2016，37（10）：2238-2243.

[5]金丹，徐春營，岳鑫桂，等.輸電線路雷電流測量用Rogowski線圈低頻失真校正技術[J].電力系統自動化，2013，37（22）：96-100.

[6]狄美華，李震華，吳細秀.開關電器觸頭電壽命診斷方法綜述[J].高壓電器，2004，40（3）：201-204.

[7]王成，王躍.基于MQTT協議與Android技術的跨平臺訪客管理系統[J].物聯網技術，2017，7（3）：50-52.

[8]解蕾，劉晨怡，徐剛.多種低壓智能配電設備協調運行控制系統[J].電器與能效管理技術，2018（7）：63-67.