山東低壓配電物聯網數據采集及應用分析

由新紅，張志軒，李 帥，張鵬平

（國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

配電網作為電力系統神經末梢，直接面向千家萬戶，是影響用戶供電可靠性和優質服務水平的關鍵環節［1-2］。近年來，隨著傳統電網與物聯網技術的相互滲透和優質服務標準的不斷提高，中壓配電網網架結構日益健壯、設備入網檢測力度不斷加大，配電自動化覆蓋率持續增長［3-4］，線路故障停電率逐年下降。然而，低壓配電網的發展受到多種因素制約已明顯滯后于中壓配電網［5-8］：一是低壓配電網點多線長面廣，網架結構復雜，設備質量參差不齊，難以通過遠程通信方式建立自動化“三遙”系統，低壓配網數據層面基本處于“黑盒”狀態［9-11］；二是相關標準執行力度不足，設備標準化程度不高，各類監測設備硬件獨立、軟件固化，數據采集及其通信方式隨制造廠家不同而各成一家，擴展性、靈活性差、業務需求響應不及時，滯緩數字化低壓配網發展進程［12-13］；三是低壓配電網用戶性質多樣，負荷波動較大，而儲能、分布式光伏等新能源接入比例的不斷增加，加劇了低壓配網電壓波動、三相不平衡等問題，同時也引發了高比例棄風棄光率問題［14-16］。因此，解決配電網數據采集及應用薄弱環節，提高配電網建設運維管理水平，提升客戶優質服務水平是當前推動配電網發展的必經之路。

2018 年國家電網有限公司印發《關于做好智能配變終端應用工作的通知》（設備配電［2018］35號），明確提出了“探索實踐以智能配變終端為核心的配電物聯網技術”“構建低壓配電網運行監測體系”“提升配電網精益管理水平”，國網山東省電力公司貫徹落實相關工作部署，以“探索建設以智能配變終端為核心的配電物聯網示范區”為目標，基于“云、管、邊、端”技術架構，先后建成試點配電室和省級配電物聯網云主站，推廣智能配變終端應用，以低壓臺區數據采集為基礎，積極開展臺區運行狀態監測、營配數據交互、故障定位與主動搶修等試點應用，實現低壓配電網運行狀態可觀可控，為配電網精益管控提供有力支撐。

深入分析山東低壓配電臺區融合終端數據采集現狀、營銷側電能表數據采集現狀，計及現階段技術應用及建設成本，提出下一步低壓臺區數據采集優化方案。進而基于臺區智能融合終端的采集數據，從配網設備精益運檢、營銷客戶優質服務、新能源消納與新負荷管理三個角度分析了當前低壓臺區數據應用現狀，最后，深度挖掘數據價值，從提升電網企業內部建設、服務經濟社會發展兩個層面，提出了低壓配電網數據拓展應用方向。

1 數據采集技術分析

1.1 數據采集現狀分析

低壓配電物聯網整體拓撲架構如圖1 所示，其中，RF 表示射頻，RS-485 為通信接口，M-BUS 為總線通信。10 kV 母線經臺區變壓器降壓，依次通過框架斷路器—低壓母線—電纜分支箱—表箱—用戶電表，至低壓用戶負荷。分支箱子終端和表箱子終端分別采集箱內塑殼斷路器的開關狀態和交流采樣信息，各終端以脈沖電流注入方式實現低壓拓撲自動識別，表箱子終端可實時監測用戶停電信息并上傳至配電云主站。通過建立I型集中器與融合終端通信機制，實現電壓、電流數據、日凍結、電表檔案等數據就地貫通，寬帶電力線載波（High Power Line Carrier，HPLC）智能電能表停電信息無延時上送至配電云主站。

圖1 低壓臺區整體拓撲架構

融合終端作為低壓配電物聯網的邊緣計算節點，是“邊端數據自組織，邊云業務自協同”的載體和關鍵環節［17］，實現臺區智能終端硬件平臺和軟件功能的解耦。對下，邊緣計算節點與端設備通過數據交換實現邊端協同，支持端對邊的即插即用接入，實現數據全采集、全感知、全掌控［18］；對上，邊緣計算節點與云主站實時交互關鍵運行數據實現邊云協同，支持邊對云的自注冊及新應用程序（Application，APP）虛終端方式接入云，減低云端數據處理壓力，實現臺區自治［19-21］。

1.1.1 融合終端數據采集現狀

融合終端對下層設備一般采用RS-485 串口和HPLC 寬帶載波兩種通信方式，對上通過4G 通信模塊與云主站進行數據交互。融合終端采集APP，采集下層多功能表、電子式塑殼斷路器、剩余電流保護器、集中器、末端終端、智能電容器和浪涌保護器等設備的數據，融合終端采集APP清單如表1所示。

表1 融合終端APP

1.1.2 營銷側電能表數據采集現狀

自2009 年起，全面推進用電信息采集工程建設，2015年實現了智能電能表和用電信息采集“全覆蓋”，其中93%以上客戶采用“Ⅱ型集中器+485 電能表”采集方案，不足7%的客戶采用“Ⅰ型集中器+HPLC智能電能表”采集方案。Ⅰ型集中器安裝在臺區總表處，通過電力載波采集電能表信息，以GPRS等無線方式直接上送至用電信息采集主站；Ⅱ型集中器安裝在臺區低壓側計量箱內，通過RS485 采集電能表信息，信息上行同樣采用GPRS等無線方式。

營銷側電能表數據上送至配電云主站有兩種試點方案。方案1：I 型集中器+末端感知模塊+II 型集中器+485 電能表；方案2：I 型集中器+HPLC 智能電能表。兩種方案分別如圖2、圖3所示。

圖2 方案1交互架構

圖3 方案2交互架構

方案1：在II 型集中器處加裝末端感知單元，讀取電表數據，通過寬帶載波（HPLC）方式將采集數據傳輸至I 型集中器，I 型集中器通過4GVPN 專網將電量等數據直接上傳至用采主站，同時通過RS-485與融合終端進行數據交互。融合終端通過4GVPN 專網將數據上傳至配電云主站。

方案2：I 型集中器與載波電表采用HPLC 通信方式進行通信，數據交互遵循面向對象DL/T 698.45規約或DL/T 645—2007 規約。I 型集中器通過4G 公網/專網將電量等數據直接上傳至用采主站，同時通過以RS-485 與融合終端進行數據交互。融合終端通過4GVPN專網將數據上傳至配電網云主站。

1.2 數據采集優化提升

除新建試點臺區外，對已建臺區的塑殼斷路器等開關，均通過配置多功能表、分支箱/表箱子終端設備、加裝線路電流互感器，采集開關狀態、交采數據等信息，并將采集的信息上送至融合終端。而配電網點多面廣、開關設備量大且分布范圍廣，電流互感器和開關采集子終端也隨之數量龐大，是配電網投資建設中不可忽視的一項成本，另一方面，加裝分支箱、表箱子終端的方式，使得融合終端下發的遙控指令無法直接到達開關設備，限制了未來對臺區開關實現遠程遙控操作的發展進程。數據傳輸信道方面，僅試點臺區具備低壓臺區完整拓撲，采集子終端通過RS-485串口或者HPLC載波通信方式與臺區融合終端進行數據通信，RS-485 通信受傳輸距離和設備容量限制，無法滿足實際臺區建設需求，HPLC 載波通信方式，因低壓電力線本身的介質、結構、負荷影響，載波信號抗干擾能力較差，無法實現低壓臺區高可靠性數據傳輸建設目標。

針對目前低壓臺區數據采集方式和數據交互現狀，考慮現階段技術應用及建設成本，構建“HPLC電力載波+微功率無線”雙模通信網絡，規范配電設備標準化物聯接口，降低采集裝置冗余度，提高低壓臺區數據傳輸靈敏度，進一步提高低壓側設備狀態、用戶負荷、分布式能源等區域性的源、網、荷信息感知度，利用數據融合價值，將云主站打造為山東低壓能源互聯網運行決策支持中心。優化后低壓臺區拓撲架構如圖4 所示。按照此技術方案，塑殼斷路器、剩余電流保護器等采用低壓智能斷路器，不需要再對應加裝線路電流互感器和相應的采集子終端，其運行信息可通過內嵌通信模塊直接上送融合終端，用戶側HPLC 電表停復電信息可通過I 型集中器實時上送至融合終端。

圖4 優化后低壓臺區拓撲架構

2 數據應用分析

2.1 應用現狀

遵循公司配電物聯網體系架構，以配用電領域應用需求為導向，開展以臺區智能融合終端為基礎的配電物聯網應用場景建設。從配電網專業應用角度出發，將臺區智能融合終端的數據應用按照場景劃分配網設備精益運檢、營銷客戶優質服務、新能源消納與新負荷管理三大類，包括8個應用場景。

1）支撐配網設備精益運檢。包括配變運行狀態監控、故障精準定位與主動搶修、電能質量監測與供電可靠性分析3個應用場景。

配變運行狀態監控?；谂_區智能融合終端交流采集基礎數據，分析配電變壓器運行工況、設備狀態數據、環境情況及其他信息并上傳云主站。

故障精準定位與主動搶修。融合終端實時獲取配變低壓側設備停電、復電事件，就地分析事件真實性、故障定位及停電范圍并上傳云主站，主站確認后即刻發起搶修工單并通知到戶。

電能質量監測與供電可靠性分析。融合終端就地分析低壓配網三相不平衡、諧波等電能質量問題，計算臺區可靠性數據并上送主站，實現配網就地治理。

2）營銷客戶優質服務。包括臺區精益線損監測、低壓用戶接入方案優化、反竊電實時監測3 個應用場景。

臺區精益線損監測。融合終端實時監測電壓、電流、有功、凍結電量等關鍵數據，就地開展臺區分路、分相線損統計分析并送至云主站，實現低壓線損實時監管。

低壓用戶接入方案優化。綜合考慮設備和線路承載能力、負荷特性、分布式電源容量等因素，自動生成用戶接入方案。

反竊電實時監測。融合終端就地計算臺區、分支和用戶側的線損數據，實現臺區內分時、分段精益化線損管理，就地分析、定位竊電行為，并上送到云主站。

3）新能源消納與負荷管理。包括新能源靈活消納與智能控制、電動汽車有序充電與充電樁布點優化2個應用場景。

新能源靈活消納與智能控制。融合終端融合新能源接入、臺區運行工況等信息，形成符合用戶用能方式的新能源工作策略，調節用戶彈性負荷，保障配網經濟運行。

電動汽車有序充電與充電樁布點優化。融合終端根據配變負載率、充電樁群充電功率信息，最優配置配變負載資源及充電樁布點，依托不同充電策略下的分時電價、充電積分等，引導用戶有序充電，實現用戶經濟效益和配變利用率最大化。

2.2 拓展應用

2.2.1 電網行業內部產業生態鏈

對于電網行業內部產業，配電網智能化感知與物聯網絡的大規模應用，為構建電力行業生態鏈提供了大數據資源庫，低壓配電網運行透明化、數字化的發展趨勢，推動著傳統電力裝備智能感知、就地決策的革新，基于特征識別的臺區負荷精準預測，為滿足客戶個性化、多元化、智能化服務需求提供了數據基礎，網架結構、設施設備現狀、用電規模、分布式電源等數據的深度融合，為配電網的科學規劃與精準投資提供決策支持。

智能設備生態鏈建設。通過臺區、線路、管道的物聯網化改造建設，提升傳統電力裝備智能感知、決策能力，降低生產人員勞動強度和設備安裝運維成本，促進設備制造智能化水平和配電運檢自動化水平提升，建立新型配電一次設備轉型升級和智能化融合的產業生態鏈。

客戶服務水平智能化提升?；诰哂蟹乔秩胧诫娏ω摵杀孀R的新型智能電表等端設備，獲取低壓用戶負荷辨識信息，上送云主站。云主站結合用戶各類負荷接入時段、平均功耗以及分時電價政策，以網上國網或短信的形式將對用戶用電行為調整和節約用電建議推送給用戶，從服務上保障個性化、綜合化、智能化服務需求。

配電網科學規劃與精準投資。充分利用邊端全息感知數據，結合區域網架結構、設施設備現狀、配網薄弱環節、用電規模、負荷分布等信息，考慮區域內用電用戶特征、經濟發展狀況、環境地貌、分布式電源等情況，在云端智能制定具有靈活性和經濟性的配電網規劃和投資方案，實現配電網的科學規劃與精準投資。

2.2.2 支撐經濟發展和社會服務

對于經濟發展和社會服務，配電網物理網架建設和物聯網絡的搭建，為構建電、氣、熱、冷綜合能源廣泛互聯有機融合的區域能源互聯網提供了物理平臺和信息通道，全面提升社會服務能力，配電網特有的對社會用電量數據的時空感知屬性，為研判經濟運行趨勢、制訂污染防控方案、分析改善民生戰略成效、防控電力金融風險提供決策支撐。

能源平臺構建與綜合服務拓展。在供電、供氣、供冷、供熱等各種能源供應系統的規劃、設計、建設和運行的過程中，依托設備側泛在電力物聯網在配電側的平臺和通道，對各類能源的分配、轉化、存儲、消費等環節進行有機協調與優化，實現負荷預測、設備管理、信息化管理、配電運維、需求響應提供有效的決策支撐服務，滿足供能多元化、服務多元化、用能方式多元化的客戶需求，實現能源資源最大化利用的運行模式和技術。

配用電數據價值共享。基于企業中臺大數據采集、處理、分析、可視化等技術，深度挖掘社會用電量等數據價值，為經濟分析、節能環保、保障民生、金融投資等方面提供豐富的數據支撐。一是研判經濟運行趨勢，充分利用數據價值，從行業、產業、規模用戶等多角度分析經濟發展趨勢，優化區域產業結構，因地制宜推動區域經濟良性發展。二是輔助制定污染防控方案，根據重點污染防控企業用電量變化數據，分析企業生產重污染元素改善指數，助力各行各業綠色發展新趨勢。三是支撐改善民生成效分析，跟蹤中小企業電量變化、小區空房率、機井通電惠民、煤改電扶貧、光伏收益等民生數據，分析新舊動能轉化、扶貧成效、鄉村振興等戰略的建設成效，為政府部門提供計算數據支撐。四是防控金融投資風險，根據企業的用電量波動、用電量趨勢、用電差異度、行業用電量對比分析等數據，分析企業信用水平，為理財投資服務、能源保險服務、信貸服務等金融業務提供數據支撐。

3 結語

圍繞配電網是影響供電服務水平的關鍵環節”這一定位，緊密結合國家數字新基建和山東省配電物聯網建設現狀，深入分析了山東低壓配電臺區融合終端數據采集現狀、營銷側電能表數據采集現狀，計及現階段技術應用及建設成本，提出了下一步低壓臺區數據采集優化方案。

進而，以能源網架、信息支撐、價值創造“三大體系”的深度融合為導向，基于臺區智能融合終端的采集數據，從配網設備精益運檢、營銷客戶優質服務、新能源消納與新負荷管理三個角度分析了當前低壓配網數據應用價值。

最后，提出了低壓配電網數據深度應用價值，為提升電網企業內部建設，服務整個經濟社會發展奠定了基礎。