農網改造及低壓配電裝置智能化

藍 潔

（1.國家智能電網輸配電設備質量監督檢驗中心，廣東東莞 523325；2.廣安電氣檢測中心（廣東）有限公司，廣東東莞 523325）

0 引言

農業是國民經濟的基礎，國家對發展農業歷來十分重視，完成新一輪農村電網升級改造，是實現新農村建設的關鍵。國家能源局在印發《新一輪農村電網改造升級技術原則》的通知中指出：“貫徹供電可靠性和資產全壽命周期理念，推進智能化升級，推行標準化建設，滿足農村經濟中長期發展要求。農網改造升級應適應智能化發展趨勢，推進配電自動化，智能配電臺區，農村用電信息采集建設，滿足新能源分散接入需求，服務新型城鎮化和美麗鄉村建設[1]。”本文針對低壓農網中配網的現狀及其存在的問題及解決辦法進行論述。

1 農網的現狀

1.1 電源型式多樣

水電、光伏、風電、生物質發電等，通過互聯網（或物聯網）[2]加以綜合應用。

（1）水電是常見農村電源，多數是由小型水電站產生，屬于可再生能源。但電能質量受豐、枯水量限制及目前由于設備和管理不佳的原因，出現過電壓和欠電壓故障的頻率較高。

（2）光伏是節能環保的再生能源，是國家大力支持和發展的項目。光伏電壓波形需經整流再逆變為交流電壓才能經變壓器輸進電網，但有時因逆變所導致電壓波形畸變，產生非正弦波的情況時有發生，產生諧波，干擾負載的正常運行。

（3）風電也是節能環保的再生能源，同時也是國家大力支持和發展的項目，但受風速的變化和風力大小的不同導致發電量不穩定。而且風電發電產生的電壓波形也需經整流再逆變為交流電壓后才能并入電網；電能質量也會因電源逆變所導致電壓波形畸變產生非正弦波，造成諧波和損耗，也會干擾負載的正常運行。

（4）生物質發電利用樹枝、落葉及垃圾與其他腐植質混合發酵產生沼氣燃燒生熱發電，或通過樹枝、落葉及垃圾焚燒發電，雖不屬可再生能源，但也算是節能環保的有效措施。

1.2 存在問題

（1）負載分布不均勻縣城較集中，區、鄉較分散。存在過載運行情況較多、輸電線路不規范、用戶端電壓偏低等各種現象，導致線損增加。

（2）三相負載不平衡現象嚴重，功率因數偏低，造成損耗過大。

（3）繼電保護及配電自動化水平較低。

2 農網改造智能化的要求

新建或改造農網的智能化的要求應符合《新一輪農村電網改造升級技術原則》：

（1）具備電網運行監控基本功能及遙控安全約束，運行設備在線狀態監測等功能；

（2）統籌多種自動化系統的需求，統一規劃數據采集平臺；

（3）配電自動化建設與改造應根據區域供電可靠性需求、一次網架、配電設備等情況選擇相應的建設模式，鄉村線路更宜選取遠傳型故障指示器，以便實現故障的快速判斷和定位；

（4）農網改造升級應同步建設通信網絡，確保信息帶寬容量裕度，注意冗余通道備份；

（5）農網通信系統應滿足電網自動化系統、管理信息系統及其他業務所需數據、語音、圖相等綜合信息傳輸的需要。中低壓電網分散通信點可采用光纖、無線、載波等通信方式。

3 農網低壓配電監控系統的智能化

3.1 智能低壓配電監控系統主要結構層次及功能

以目前應用較多的TCP/IP 協議的結構層次為例，包括如下層次。

3.1.1 上位機—應用層

上位機（主站）—應用層（監控主機、數據庫、云平臺等）中，應用層是監控管理的最高層，它負責通過通信和數據采集來獲取中位機傳送來自下位機各種監控信息。

（1）遙測功能。顯示實時在線運行參數：如電壓、電流、cosφ、有功功率、無功功率、電能等，運行參數定時自動更新，原有參數存于數據庫中并進行大數據計算，自動生成預測運行參數的未來發展曲線、報表等，并具有儲存功能。

（2）遙信功能。顯示并儲存下位機現場配電裝置（例如斷路器）的保護參數（如過載、短路、過壓、欠壓、斷零、缺相、三相電流（壓）不平衡、剩余電流等）的設定值；顯示并儲存下位機運行中發生的各種故障（故障類別、故障參數、發生時間）；顯示下位機現場配電裝置（例如斷路器）的工作狀態（如接通或斷開）。

（3）遙調功能。按管理權限有權按運行需要修改現場配電裝置保護參數的設定值、并能保存修改信息（修改名字及修改時間）。

（4）遙控功能。通過上位機可以改變下位機的工作狀態（如控制斷路器的接通或分斷），并能保存修改信息（如修改名字及修改時間）。

3.1.2 中位機

中位機（收集器、路由器等，包含互聯網層、傳輸層），互聯網層通過通信模塊—4G（有條件可用5G）模塊，負責傳送各種現場運行信息給上位機，或下達上位機給下位機的指令，起上傳下達的作用，還兼管流量控制；傳輸層用一個尋址機制來標識一個特定的運用程序（端口號），典型設備如網關、協議和轉換器；中、上位機的通信網絡可以采用光纖或屏蔽雙絞線的有線通信（當通信距離低于1 500 m）或通過無線通訊經北斗或4 G（有條件可用5 G）移動模塊上傳至主站。

3.1.3 下位機—網絡接口層

由網絡層、數據鏈及編輯CPU 模塊組成，負責接收、編輯現場裝置（如斷路器）發送的各種運行信息。

網絡接口層（網絡層、數據鏈路層）基于網絡層地址（IP 地址）進行不同網絡系統間的路徑選擇（路由器），由網絡輸入端口元件（例如智能化斷路器、儀表及各種二次元件（如按鈕及指示燈）及其他功能元件（如電容器）。

（1）構成

現場智能化低壓配電裝置通常由一系列電氣成套配電柜組成，通常包括電源進線柜、功率因數補償電容柜、饋電柜（多個）及備用電源聯絡柜等；電柜內裝有智能化電氣元件（例如智能化斷路器、通信模塊、儀表及各種二次元件，如按鈕及指示燈等）及其他功能元件（如電容器、功率因數補償控制器等）。

（2）下位機與中位機間的網絡通信

GB/T22710-2008 之 4.4.6 條[2]及 GB/T27745-2011[3]推薦了Modbus、DevisNet、Profibus、TCP/IP 協議總線和規范在有限距離內進行通信。但考慮到智能電網、微電網、光伏、風電等多種可再生能源的互聯，監控范圍已大大擴展，不得不采用無線通訊，于是形成雙模通信架構集成GSM 和RS 串口功能，構建了支持TCP/IP 和RS 串口的嵌入式網關硬件體系結構，實現了北斗、與RS 串口的硬件接口，成為接入Internet網對斷路器進行遠程控制和數據采集的支撐平臺。根據斷路器系統的需要，分析TCP/IP 協議體系以及RS 串口數據特點，對兩種協議進行裁剪，去掉實際應用中不需要的部分，并將精簡后協議在資源有限的微處理器上實現，構成了可以將TCP/IP 和RS 串口協議相互轉換的新型協議棧。整合RS 串口與北斗之間的透明連接[4]。

3.2 物理層

現場智能化低壓斷路器的特點及要求。智能化低壓斷路器是低壓電器中最重要的元件，是低壓智能配網中最重要的節點。它采用嵌入式MCU 控制技術，實現一、二次設備融合，具有以下功能。

（1）對應于智能型低壓斷路器在線運行參數：三相電壓、電流、N 相電流、功率因數、三相有、無功功率、有、無功電能等。

（2）多種繼電保護功能，保護參數以適當步長可按需（現場或上位機遠程）連續調整。繼電保護功能主要有：需用電流保護（由用戶向供電部門提出，經供電部門審批同意后納入供電合同內）、過載電流保護、短路電流短延時保護、短路電流瞬時保護、剩余電流保護、接地電流保護、過電壓保護 （1.15～1.3） Ue、欠電壓保護 （0.35～0.7）Ue、缺相（失壓_）保護（0～0.35）Ue、斷零保護、不平衡電流保護、不平衡電壓保護、峰（谷）時段電流調節自動轉換、自動重合閘（短路、斷零故障不執行）、相序保護、逆功率保護。

（3）故障自診斷、報警（及遠程）、故障記憶及查詢。

（4）接受上位機遠程查詢或現場調整開關工作狀態。

（5）與監控主機（或中心）互動雙線（現場總線、無線）通信對話實現遙控、遙信、遙測和遙調是智能電網的特點和需要，對現場智能化低壓配電裝置在利用數字化技術的基礎上隨時掌握斷路器的開關狀態、在線運行參數的情況、并對系統運行的實時信息數據進行采集，具有存儲、大數據運算、分析預測發展趨勢、自動生成曲線和圖表、自動記錄故障跳閘的處理等功能，還有具有修改斷路器的保護設定值、遠程控制斷路器的分、合閘以及對設備維護等多種管理功能，真正實現無人值守。

若智能化低壓配電裝置要實現“四遙”功能，一是要有開放的通信架構，形成一個“即插即用”的環境；二是形成一個統一的技術標準，它能解決目前各企業間自成體系互不兼容的困境，實現信息在所有斷路器與監控系統之間能夠完全兼容，實現斷路器與斷路器之間、系統與系統之間的互通功能，這就要求電力部門與電器制造商以及標準制定單位進行通力合作，才能保證通信系統的互聯互通，在智能電網主框架方面，實現大容量、高速率、分組化、智能化、寬帶化的通信要求。

4 智能化農網改造中的技術問題

4.1 分布式電源聯網

分布式電源包括小水電、光伏、風電等電源。眾所周知2個或2個以上電源并聯運行，需滿足電壓相等、頻率相同及相位相符3個條件，但過去光伏、風電由于整流器及逆變器技術不佳引起電壓波形畸變，導致與上述并網條件不符，很難實現與正常電源并網。而新型電力電子器件IGBT（Insulated Gete Bipolar Transistor）絕緣雙極型晶體管，具有驅動功率小而飽和壓降低的特點，非常適用于直流電壓為600 V及以上的變流系統應用。目前由于光伏、風電的整流器及逆變器的核心元件采用IGBT 模塊使得光伏、風電發電逆變后的電源能較好地滿足上述條件，使得光伏、風電與正常電源并網成為可能。

4.2 進線柜和聯絡柜的智能化配置

一般情況下需要對兩種電源系統實時在線運行參數進行測量，并對開關的分、合狀態進行監控，目前需要配置智能網絡電力儀表，這種儀表能夠對實時運行參數進行數據采集與計算；如今斷路器已實現一、二次設備融合，將部份替代智能電表。可以實現對元件中各項數據參數的精確測量和顯示，并通過數字化技術進行網絡通信以便遙控。

4.3 無功補償柜的智能化配置

現時農網中存在無功補償不足和諧波待治的狀況，需要配置動態無功補償，以達到提高功率因數、智能化的無功補償的目的。DSP 控制器能對用戶的負載情況進行監控，計算分析得到負載的無功電流數據，作為控制器的參考值，并實時驅動IGBT 產生滿足要求的無功補償電流，實現動態補償，將無功功率控制在供電允許范圍，同時對三相電壓、電流以及無功功率在線監測和顯示，并利用通信技術實現上位機對其進行監控和管理。

4.4 對農網電能質量的綜合治理配置

由于農網中存在分布式電源，負載分布不均、輸電線路及用電設備不規范，導致電能質量不高，需要采取對應措施進行治理。

（1）諧波治理

光伏、風電發電逆變過程中會產生大量諧波，導致輸電線路損耗增加，影響用電設備的正常運行，嚴重時導致諧波于擾影響電子控制系統安全穩定運行；一般情況下，配置無源濾波器濾除諧波，但諧波本身也是一種能源，如果將其從輸電線路提取出來，經過整流和逆變即可獲得應用，諧波提取裝置是一種基于無源LC濾波技術的衍生方案。

（2）三相不平衡補償治理

配置三相不平衡治理裝置，該裝置帶DSP控剬器和IGBT模塊核心元件，以并聯的方法接入電網系統中，通過實時檢測系統負載電流，DSP 控剬器運算得到各相需輸出的不平衡電流，實時驅動IGBT模塊，使其發出與負序分量和零序分量反向的電流，平衡已存在的三相不平衡電流的負序分量和零序分量電流，最后從電網側電流達到三相平衡狀態。

（3）電壓波動和閃變的治理

由于農網中的小水電、光伏、風電等受自然因素（水流量、光通亮、風壓和雷擊等）和重型動力設備的操作的影響，電壓波動和閃變會超標。研究證明，人眼對頻率約為10 Hz的電壓波動允許值電壓波動最為敏感，為此一般采用等效10 Hz 波動值作為衡量閃變的指標。此外，“閃變”是照明亮度變化對人的刺激，這種刺激的不適感宜用一段時間的平均值來衡量，因此，電壓調幅波中頻率為f 的正弦波分量1 min均方根平均值，以額定電壓的百分數表示為閃變視覺度系數。國家標準GB/T12326-2008規定，電力系統公共供電點在沖擊功率負荷產生的10 kV 及以下電壓波動允許值為2.5%，電壓閃變電壓推薦值為0.6%，它會造成人的視覺疲勞，用電設備工作不正常[5]。

通常采取治理的技術措施有：

①安裝帶DSP控制器和IGBT快速響應的靜止無功補償器（SVC）對負荷波動進行實時動態補償，根據以補償點電壓U的上下限數據，IGBT 模塊判斷補償點越過電壓上限Umax或低于電壓下限Umin時，輸出感性（戓容性）電流，補償點電壓降低（或升高），最終使各相電壓穩定在正常范圍內；

②改進運行操作和工藝，如電動機降壓起動等技術措施；

③對大容量沖擊性負荷用戶，宜架設專線接至供電能力較強的供電系統。

4.5 實行需量電流保護

實行需量電流保護，降低線損，確保臺區變壓器安全運行[6]。國家要求節約用電，是節能減排、保護環境、保證可持續發展的長遠的戰略任務。但現實中超載用電卻屢見不鮮。它主要表現在以下兩方面：

（1）企業生產發展了，未與時俱進增大變壓器容量，導致用電量超標；

（2）多數用戶報裝容量報小，也導致用電量超標。

事實證明，造成電氣火災的主要原因是過載短路和漏電，而超載用電是過載、短路和漏電的重要誘因，因此，用電必須限制超載。

2011 年，國家發改委、電監會、電網公司等六部委聯合印發《電力需求側管理辦法》[7]和《有序用電管理辦法》[8]明確指出“國家節能減排戰略將從電力需求側全面推開，加強規劃管理、負荷管理和節電管理，有序引導居民或各行業節約用電，從而達到電力負荷管理、開展負荷監測和控制之目的。對用戶方面可減少超載用電引發的電氣線路火災，對電網企業方面可減少超載用電和時令集中用電，導致公用臺變等供電線路和電氣設備長期過載或大面積跳閘停電；避免虛假報裝容量用電，擾亂電網規劃投資建設，方便增、擴容計劃和正常的用電秩序，確保供配電設備、線路安全運行和電能節約”。各地供電部門根據本地實際，紛紛出臺限電使用的文件，在保證用戶正常用電的情況下，從技術裝置上采取相應防范超載用電的措施。

需用電流即用戶報裝電流經供電部門審批同意納入供電合同內[3]。

需用電流Irx保護特性如下：

（1）需用電流Irx＝(0.4～1)In，適當步長，連續可調；

（2）當負載實際電流I ＞(1.05～1.5)Irx，塑殼斷路器應在設定的限載時間Trx后斷開，Trx（優選值）：60 s、90 s、120 s、150 s、180 s、210 s、240 s、270 s、300 s（允差±10%），定時限可選；

（3）需用電流予警電流（優選值）Irj＝0.9Irx；

（4） 在需用電流保護斷開后，斷路器可進行3 次手（自）動重合閘，直至斷路器進入熱記憶狀態，此時禁止手動合閘，待經過一定時間后，熱記憶消失，斷路器才能手（自）動合閘。

5 結束語

農網遼闊，幅員廣大，低壓配電臺區是配網的最小單元和數據源頭，是智能配電網的關鍵，應主動適應國家和電網公司“互聯網+”戰略及體制變更要求，充分利用“大數據、云平臺、物聯網、移動通訊、智能化”等新技術，推動設備智能感知、數據貫通、信息共享和業務的移動化，全面深化設備資產全壽命周期管理，構建智能運檢管理體系，“以硬件平臺化，軟件APP 化”為原則研發新型配變終端。軟件APP化：臺變監測APP、低壓用戶接入APP、無功補償APP、三相不平衡治理APP、阻抗測量計算APP、分布式電源并網狀態APP，設備工具管理APP、充電樁實時狀態監測管理APP，實現電力設備、系統管控一體化，達到業務流程全穿透，配電網業務和信息處理在線化、透明化、移動化（5G 網絡）、智能化，提高配網故障綜合研判能力，提升故障搶修效率，確保電網安全運行。