低壓用電客戶保障系統的研究與應用

(貴州電網有限責任公司 凱里雷山供電局，貴州 雷山 557100)

0 引言

隨著社會經濟規模不斷壯大，我國電力工業的發展水平突飛猛進。在低壓配電領域，電子通信技術不斷深入融入其中，傳統配電網逐漸升級演繹為智能配電網[1-3]。近年來，低壓在線監控技術取得的長足的發展[4-5]。文獻[5]利用Winsock技術,基于UDP/IP協議,實現了遠程監控機和生產設備保護裝置的通信,從而避免了工作現場的惡劣環境,完成對低壓配電系統的遠程監控。該系統經過現場調試和運行,工作正常,達到預期的設計目的和控制效果。為提升配網的供電質量、提高供電可靠性,文獻[6]結合物聯網技術提出了配網在線監測系統的設計方案,并完成了系統研發、投入應用。運行結果表明該系統能有效完成低壓配電設備的狀態監測及預警發布,為后續配網的智能化管理做好基礎支撐。文獻[7]針對傳統0.4 kV低壓配網的監控無法對整個低壓配網的健康狀態進行一個分析及預警的不足，結合實際的工作經驗,對0.4 kV低壓配網健康狀態在線監測系統的應用進行分析,對電流、電壓以及溫度等數據的采集與分析,以達到對低壓配網健康狀態的有效在線監測及分析。

當前，低壓配網缺少對低壓用戶安全保障和負荷分配遙控調節的有效手段，無法從源頭上遏制用戶用電不當發生的災害。

1 相關工作

為適應低壓配網智能化、自動化的需求，本文主要建立一套低壓配網用戶電氣量、溫度監測及負荷分配遙控調節系統，依托其數據監測可視，異常數據自動分析、監視界面人性化等優勢，衍生出一套與之兼容的低壓配網用戶電氣量監測及負荷分配遙控調節系統，能夠與營配監測指揮平臺數據共享，功能聯動，實現實時監測每個低壓用戶的用電信息。同時，對現有終端設備進行智能化改造升級，保證順利接入智能控制系統。系新設計改造的低壓配網用戶電氣量、溫度監測及負荷分配遙控調節系統，實現實時監測每個低壓用戶的用電信息，不僅能達到主動出擊，將用戶用電不當將要發生的災害在萌芽狀態下遏制的目的，還能夠準確掌握客戶實際負荷，對配變負荷進行遙控調節，保證配變及配電設備合理可靠運行，提高供電可靠性，其監測數據還可為配變增容，配網擴建等技改項目提供有效、準確的理論依據。

2 系統整體構架與關鍵技術

智能電網時代下,電力信息通信技術除了可借助信息化和自動化來對傳統電網中一些缺陷進行彌補外,還會起到提升數據傳輸準確度、高效性的作用[8]。本文研究充分發揮無限通信技術在配電網中的應用基礎[9-10]，構建低壓用電客戶全方位在線診斷系統，大體可分為三部分：即系統層、通信層與終端層。

1)系統層：低壓配電網回路拓撲結構研究，營配監測指揮系統的擴展與數據的兼容研究，遙測數據的交互及遙控系統的兼容和配置的研究；配變重過載報警后，低壓用戶安全保障及負荷調節控制系統能夠自動分析展現用電異常用戶，并實現自動控制或人工進行負荷分配調節，動作信息及時提示及用戶開關位置顯示。

2)通信層：終端數據傳輸通道的研究，多點采集，集中匯總后信號傳輸通道與現有集抄通道的兼容研究，數據交互系統的兼容；

3)終端層：低壓配電用戶電氣量采集器及安裝策略的研究，低壓用戶安全保障控制器的研究，能夠實現一臺裝置多路電氣量數據收集，遙控指令多路輸出，實現安裝簡易方便，占地空間最小。

通過已建成的計量自動化系統為低壓用戶安全保障控制器數據收集、傳輸、交互母體，研發信息集中采集器及低壓用戶安全保障控制器與之兼容，衍生出低壓用戶安全保障控制器監控系統平臺。總體架構圖如圖1所示。

圖1 低壓用電客戶全方位在線診斷系統的總體構架圖

由圖1可知，低壓用戶安全保障系統通過對表區進線負荷、線路溫度及運行環境的監測，采集各類運行數據，進行綜合分析評估，預防火災等各類事故的發生，保障用戶用電安全。主要通信控制流程分為三部分，具體如下：

1)電表接入智能低壓斷路器；

2)低壓斷路器通過RS-485通訊接口低壓用戶信息接入低壓用戶故障控制器；

3)低壓用戶控制器集成3G/4G模塊，通過3G/4G網絡將低壓用戶信息傳輸系統后臺，進行統一的數據顯示，統計和分析。

3 監視系統軟件功能設計

軟件采用Browser/Server(瀏覽器/服務器)結構，就是系統只需在集控中心安裝維護一個服務器(Server)，而客戶端采用瀏覽器(Browser)運行軟件，查看、分析系統測量的數據。在B/S體系結構系統中，用戶通過瀏覽器向分布在網絡上的服務器發出請求，服務器對瀏覽器的請求進行處理，將用戶所需信息返回到瀏覽器，對于其他請求，如數據查詢、分析、結果返回、動態網頁生成、訪問數據庫以及應用程序的執行等工作全部由Web Server完成。監視系統具體功能包括如下方面：

1)溫度監測：在監控系統上集中顯示被測各點的溫度值。

2)智能診斷：根據溫度測量值、溫升速率及負荷情況，對設備健康狀況進行診斷，確定是否存在熱故障缺陷。

3)報警功能：當診斷存在熱故障缺陷時，根據缺陷級別進行報警，可根據不同的設備的工作環境來設置不同的告警使用標志，告警方式有聲光報警、短信報警。

4)故障動態顯示：當被測設備溫度點的位置非正常工作時，顯示故障。

5)數據庫功能：數據庫存儲所有測點各個時刻的溫度值，并可進行查詢，數據通過歷史曲線來顯示。

6)權限管理：通過分配權限，可進行相關告警設置。所有運行數據設置、修改等都需有設定權限的人員進行操作。

7)電子地圖：操作簡便、界面友好的電子地圖能準確反映系統各采集站、采集點的地理位置及實時的溫度。

4 硬件終端改造方案

為適應新設計的系統軟件接入方案，需要對現有終端設備進行針對性技術升級。改進措施主要涉及以下方面：

1)對于低壓臺區來說，要做到三級監測或控制，即臺區(變壓器)—— 端子箱(分支箱或開關箱)—— 表區(包括三相單用戶表)的三級監測。

2)針對變壓器及端子箱，不僅需要對斷路器進出線溫度、電氣量(電壓、電流、諧波等，與之前的協議相同)進行監測；而且當兩臺變壓器聯絡供電時，需要對兩臺變壓器的相關斷路器及聯絡斷路器進行邏輯控制(當只對變壓器的單條或多條支路進行聯絡時，一般對變壓器旁邊的端子箱進行改造)，以滿足特殊的供電需求。

3)對于表區來說，需要做到電氣量監測、溫度的監測、斷路器的控制、故障保護等功能(與之前協議內容一致)。但需要注意的是，對于三相單用戶表來說，直接將智能斷路器當做入戶空開使用。

電氣接線改進方案詳見圖2，具體改進措施為：

圖2 電氣接線圖

1)將分支箱內原有的兩個普通斷路器(250 A)換成智能斷路器(200 A)；在分支箱旁立1個配電箱，配電箱中安裝1臺低壓用戶安全保障控制器(以下簡稱控制器)及兩個200 A的智能斷路器，其中新配電箱中的智能斷路器充當聯絡開關，且聯絡開關具有聯鎖功能(由控制器判斷)，只有當聯絡開關一端帶電時(不能是停電時)，才能對聯絡開關進行合閘操作；

2)在6個斷路器(4個智能、2個普通)的進、出線端各安裝3個標準無線測溫傳感器，對進出線溫度進行測量(零線不安裝)；

3)在總斷路器(630 A)的進線端的三相各安裝1個無源復合型傳感器(需返廠更換)，進行電流采集；另外直接對斷路器的出線端進行電壓、諧波采集。

5 案例展示與說明

5.1 通訊網絡

低壓用電客戶保障系統的通訊架構與控制框圖分別如圖3所示。由圖3可知，傳感器與安全保障控制器通過433 MHz無線進行通信，智能斷路器與安全保障控制器通過RS485及開關量接口進行通信，在每套安全保障控制器中安裝4 G通信模塊，所有數據通過4 G上傳至供電局專網。

圖3 通訊架構

5.2 軟件系統界面展示

低壓用電客戶保障系統主要體現在實時監測與實時控制兩部分，具有良好的可視化效果，現場控制圖詳見圖4，軟件監控界面如圖5所示。由圖5可知，實時監測界面主要顯示系統拓撲圖，并在圖上顯示出所有表區與臺區進出線溫度、電流、電壓等參數，并實時顯示出斷路器的分合閘狀態與表箱門的開合狀態；而實時控制界面只要是在一次圖界面可遠程控制斷路器的分合閘，系統會根據不同的權限提供不同的提示信息。上述軟件控制環節協同作用，保證了產品硬件的良好運行。

圖4 現場圖

圖5 系統軟件實時控制界面

5.3 終端硬件系統

5.3.1 智能終端設備

低壓用電客戶保障系統的智能終端設備展示如圖6所示。由圖6可知，智能終端設備主要包含智能斷路器、電源管理、低壓保護控制器和二維碼智能鎖等核心部件，可以集成實現溫度及電氣量的測量、保護、遠程遙控、智能開鎖、備用電源以及變壓器局部檢測等核心功能，具體如下：

圖6 智能終端硬件效果圖

1)溫度及電氣量的測量功能，即可實現對總開關進出線及中性線、對戶表出線側進行溫度監測；實現表區電表電參數采集功能，包括電流、電壓、諧波等；實現電流、電壓的錄波功能，數據可就地存儲。

2)保護功能，即可實現超溫、過流、過壓自動跳閘，超溫報警可設置多種報警模式，包括絕對溫度報警、溫升變化率報警、相間對比溫差報警。

3)遠程遙控功能，即通過4 G遠程遙控表區的斷路器，實現用電高峰時段的遠程負荷調節。

4)智能開鎖功能，即遠程授權，掃碼開鎖，以及狀態反饋。

5)備用電源功能，主要指保障斷路器在臺區斷電后可分合閘一次。

6)變壓器局放檢測功能，指的是實時監測臺區變壓器局放情況。

5.3.2 現有配電設備改造

下面以新村配電網為例進行詳細說明。新村4號變每年最高負荷發生在4月，負載率僅80%；而新村7號變有兩條支路為酒店專線，易發生負荷過重的情況。新村4號變、7號變為同桿放置，改造后希望實現如下功能：當新村七號變負荷過重或停電時，其兩路酒店專線可以由新村4號變轉供(允許遠程手動操作)。

具體電氣改進方案詳見章節4，改造方案中所用產品清單詳見表1。

表1 方案中所使用的產品清單

備注：配電箱19套中，其中1套為定制，18套沿用已發貨的配電箱。

變壓器實施改造后，可實現如下功能效果：

1)當新村七號變負荷過重或停電時，其兩路酒店專線可以由新村4號變轉供(遠程手動操作)；其中4個智能斷路器的分合閘狀態能夠遠程獲取。

2)6個斷路器相線進、出線的溫度監測(共36點)；其中4個智能斷路器可以配合控制器實現超溫、過流(此處因未安裝CT互感器，電流范圍是100 A-250 A)、過壓自動跳閘(此功能可手動取消)。

3)2個總斷路器進線處的電流(KK-29)，出線處的電壓、諧波采集。

4)控制器具有后備電源。

5)遠程能獲取新加配電箱的開門/關門狀態。

6 結束語

本論文以建成的營配監測指揮平臺為基礎，依托其數據監測可視，異常數據自動分析、監視界面人性化等優勢，衍生出一套與之兼容的低壓用電客戶保障系統，能夠與營配監測指揮平臺數據共享，功能聯動，實現實時監測每個低壓用戶的用電信息，不僅能達到主動出擊，將用戶用電不當將要發生的災害在萌芽狀態下遏制的目的，實現真正做到對客戶負責的服務宗旨，本文研究成果為我國配變增容，配網擴建等技改項目的順利實施提供有效、準確的理論依據。