基于物聯網的三塘用戶故障快速響應研究

國網上海市電力公司 施 勇 陸燕峰 張 昊 陸 勛 朱 濤 許風華 黃 峰 陳凱峰

引言

崇明島在長江入海口，島上水網發達環境優良，是不可多得的天然魚蝦蟹養殖基地，島上三塘養殖面積分布面較廣，截止2019年4月崇明共有三塘用戶502戶，養殖面積超萬畝。電力建設方面，由于崇明農村網架結構薄弱，特別魚蝦蟹塘等用戶負荷較小，位置在灘涂或偏遠地帶，配電設施以戶外設備和架空線路為主；崇明沿海地區在臺風多發季節時，受到惡劣天氣的影響下容易出現故障停電，漁業養殖在高溫及惡劣天氣影響下極易缺氧導致養殖戶面臨巨大經濟損失的風險。據統計，2017年崇明地區共發生漁業用戶翻塘事故4起，造成直接經濟損失370萬元。

電網系統在運行中發生故障時，為確保供電可靠性，需對故障點進行迅速定位，明確故障類型，快速完成故障隔離工作，恢復非故障供電，使得故障范圍盡可能縮小，盡量減少時戶數，從而保證電網運行可靠性在較高的水平。夏季在三塘用戶停電后水溫逐步升高，空氣中的氧在水中的溶解度大幅下降；養殖密度過大，魚蟹蝦的呼吸作用加大，耗氧量也增大；有機物不僅有生物排泄物，而且有池底殘存飼料和淤積的污泥，有機物越多、細菌越活躍，而細菌活動過程要消耗大量氧才能進行，導致浮游生物種群比例失調；以上原因如果沒有增氧設備極易導致水環境惡化，引起魚蟹蝦大量死亡[1]。

在推廣混養密度高的情況下，需每畝配置0.75kW增氧設施就可減少因缺氧造成的損失。經查找資料，當發生停電時，標準大氣壓下氣溫35℃時、鰱魚高密度養殖塘情況下，斷電停氧15分鐘后氧在水中的溶解度從13.22mg/L降低至4.47mg/L，達到魚類重度浮頭缺氧標準，如再繼續缺氧魚大量出現死亡，將造成巨大經濟損失[2]。這意味著著，對三塘用戶的供電要求控制在發生停電15分鐘內恢復供電對用戶影響最小，這對搶修隊伍到達現場提出了更高的要求。

目前崇明供電公司采用網格化管理，夏季通過在片區里搶修班站駐扎，縮短停電時間；但受天氣、距離、駕駛員及搶修人員經驗等多方面因素影響，停電恢復時間波動很大。為減少停電對用戶的影響，每年夏季前由營業站、農電專職人員前往三塘用戶養殖基地，現場檢查用戶表計、接線是否老化、使用設備容量是否超容、用戶是否自備發電機；建立三塘用戶微信群，群內不定期推送相關天氣預報、檢修通知單等，便于用戶早作準備，及時規避風險；在臺風雷暴天氣來臨前夕，公司相關班站著重對基礎設備薄弱的三塘用戶提供定點上門服務，提出指導意見，從管理層面規避跳閘風險等多種輔助措施；即使供電公司做了大量的預案和措施，還是由于客觀因數導致用戶因停電造車損失。

本文在既有的工作的基礎上推陳出新，結合用戶實際情況完成以下研究：提出了一種基于物聯網技術的故障判斷技術；提出故障快速定位與到達現場路徑規劃的快速響應機制。項目基于魚蝦蟹塘專變臺區的特征，通過物聯網技術將各個監測點數據實時傳輸到監控中心，集成于地理圖信息系統，通過建立模型將故障點及故障現象清晰在后臺監控系統上展示，故障發生后監控系統自動利用短信、微信等方式，將故障點基本信息及位置信息精準的主動推送到搶修人員和用戶，用戶自查和搶修人員主動搶修機制極大的縮短了故障響應時間。

1 三塘用戶用電情況分析

魚蝦蟹類養殖業夏季用電連續性對供電可靠性要求高。傳統四大家魚低密度養殖的方式向規模化高密度養殖方式轉變后，高密度養殖方式下夏季對增氧裝置用電連續性要求較高，停電極易造成嚴重損失；養殖戶安全用電、用電可靠性自我保護意識不強。部分養殖戶對用電設備缺乏應有保養和維護，往往依賴電網，不愿意多投入資金用于用電線路安裝和改造。用戶側線路不符合要求、臨時用電私拉亂接現象十分普遍，養殖用電環境潮濕，增加線路接地、跳閘故障的發生。

養殖戶履行合同要求用電的意識淡薄。部分養殖戶存在轉包、私自過戶、私自增容用電等問題。雖然《供用電合同》約定須自備足夠可靠的自備電源或采取其他有效防止停電措施，對漏電保護裝置與用電設施（如增氧機等）按規定使用和保養維護條款已明確，但供電企業對客戶是否采取這些措施并無法律強制性，缺乏有效監管手段，用戶不按合同約定配置自備電源、不按運行相關規定對用電設施保養維護的情況較為普遍，安全用電意識淺薄。

用戶側缺相保護裝置配置不全或保護裝置運維不當。首先用戶缺相保護和報警裝置配置不全，非正常運行狀態下易造成魚塘增氧機缺相燒損設備。其次養殖戶客戶漏電開關未正確配置或保護功能失效，故障用戶未正確切斷電源，越級引起供電電源側開關跳閘，擴大停電范圍，累及非故障用戶所接入的其他養殖用戶停電；養殖業用戶對應急電源的重要性認識不足。養殖業用戶缺乏生產自救和風險應對能力，在電網不能提供電力供應時，往往忽視自身的養殖業風險因數，不能采取有效應急措施，應對電網故障不可控停電因數嚴重不足。

2 基于GIS和物聯網的用電智能監測系統研究

2.1 系統要求

用電故障搶修基于網格化管理基礎上，由于三塘用戶養殖基地分布地域偏僻且無規劃精確的地名、路名和門牌號，給搶修人員故障點定位帶來不便。搭建系統硬件要求如下：所有養殖基地均安裝采集裝置和集中器；所有集中器和采集器安裝地點均錄入精確的地理位置經緯度坐標信息；系統每分鐘召測集中器在線狀態；建立用電異常算法模型，通過系統自動判斷功能對用電異常進行分析，系統反饋用電異常結果，系統管理界面發出聲光告警提示，故障情況下自動以微信、短信、電話方式通知搶修人員和養殖戶；短信包含地理位置信息和故障描述，提升搶修效率。

2.2 系統架構

系統搭建。用戶側智能電表及臺區電源側關口表通過采集裝置將運行中電氣參數傳輸到集中器，通過GPS無線網路上傳至數據庫，按照高壓線路圖形拓撲結構，集中器歸屬于不同線路，經過數據綜合分析，故障結果在管理終端展示并告知運維人員及用戶。

2.3 技術架構

根據物聯網構架要求，從感知層、網絡層、平臺層、應用層技術上進行框架搭建。感知層即數據層，提供所有數據采集，實現電力運行參數全感知、業務全穿透；網絡層即服務層，提供對外接口，包括心跳接口、停電信息上報接口、用電情況查詢接口，集中器通過接口服務組件連接到平臺。公共服務組件實現權限和數據服務，通過任務調度服務實現與集中器定時通信，通過消息推送服務實現短信發送。基礎組件實現系統的安全功能、系統配置功能以滿足業務需求。系統日志組件記錄系統所有操作日志，可進行追溯和審計；平臺層即表現層，調用了百度地圖后，用可視化方式在地圖上標示各個養殖戶用電狀態，通過數據綜合分析判斷用戶電氣故障屬性；應用層即訪問層，通過推送手機短消息、微信信息、瀏覽器等可視化界面展示最終結果。

2.4 異常用電識別算法

終端掉線。系統按每分鐘頻率間隔輪循發送召測報文，終端返回在線狀態，為規避網絡異常情況，當掉線次數累計達到3次時，掉線終端在系統首頁地圖上紅色閃爍提示，并發出聲音告警，提示運維人員加強監視，直至網絡恢復。

斷相。正常情況下系統采集三相電壓，當任意一相電壓低于閥值時會自動上報斷相事件給系統，系統發出聲音并出現告警信息，同時推送給供電運維人員及養殖戶告警短信或者微信。

低壓停電。當終端用戶停電時，終端表計將停電事件上報給系統。低壓終端用戶與供電側電源側進行對比，如果用戶側失電但電源側未失電，判斷用戶用電異常，系統接受指令后要求用戶確認，確認是否需要運維人員進行搶修；如果終端用戶側與電源側均失電，則判斷高壓電源點故障，運維人員直接進行干預。如果停電事件與復電事件時間間隔5分鐘以上判為有效停電，系統首頁提示并發出聲音告警，同時推送告警短信，不足5分鐘則判為無效停電，系統只記錄而不發告警短信。Δt=t復電時間-t停電時間≥5。

高壓停電。根據圖形拓撲同一條線路下有3個以上電源側同時停電，則判定為高壓側停電，系統首頁提示并發出聲音告警，同時推送告警短信運維人員。

2.5 用電異常告警模型

在傳統的用電異常監測方法中，一般是通過采集實時值來判斷用電是否出現異常，但這種傳統的方法在網絡異常、信號干擾的情況下會出現誤判，容易出現搶修人力資源浪費，本文通過設置不同模型對用電異常情況下進行統計分析，判斷閥值和連續次數、連續時長的進行計算，增加了異常用電判斷的準確性，避免誤報。

終端掉線。模型利用終端掉線算法，當連續三次或以上不在線時系統識別為掉線狀態，當集中器恢復在線后將掉線次數寄存器清零；斷相。模型利用斷相算法，系統判斷是三相還是二相或者一相低于閥值，系統識別用戶故障還是電源側故障，根據系統判斷結果通知用戶或者供電公司運維人員。

圖1 終端掉線模型

圖2 終端掉線模型

低壓停電。模型利用低壓停電算法，系統通過判斷電源與用戶側是否同時低于閥值，根據判斷結果確定高壓故障還是低壓故障；高壓停電。模型利用同一線路下低壓停電算法識別3臺以上配變低壓側電壓是否低于閥值，判斷是否高壓線路故障。

圖3 低壓停電模型

圖4 低壓停電模型

3 案例驗證

為驗證系統可行性和有效性，通過異常用電算法搭建系統模型，對所管轄范圍內出現的故障進行了系統評估；“三塘用戶故障監測系統”較為全面反應出系統在故障判斷、地理位置定位、信息的推送、搶修人員輔助處理故障中發揮了較大的作用。

根據統計，系統未上線時平均搶修修復時間43分鐘，在夏季容易出現翻塘事故。引入物聯網的三塘用戶故障快速響應技術后對故障進行快速定位、判斷故障類型，平均故障搶修修復時間17分鐘，極大提高了故障搶修效率，減少了養殖戶由于失電而造成經濟損失，通過2017年與2020年數據比對，搶修人員平均搶修修復時間提高了48.8%，為停電后快速恢復供電提供了支撐。據統計2017年崇明公司因三塘問題導致的法律糾紛4起，共計賠付金額370萬元；2020項目上線后未發生法律糾紛，賠付金額零。

綜上，“三塘用戶故障監測系統”利用物聯網技術對故障設備統一調度，系統檢測到停電后通過系統自動判斷功能對停電故障原因初步判斷，提高事故的處理效率，同時指引搶修人員最短時間到達現場，為三塘用戶的科學管理與快速處理發揮了作用；減少用戶因停電導致經濟損失及社會輿論影響，提升優質服務能力，助力崇明生態島建設。