基于分鐘級采集的配電臺區拓展應用研究

魏訓虎

（南京南瑞信息通信科技有限公司，江蘇 南京211500）

隨著國家電網公司提出“三型兩網、世界一流”的戰略目標，政府工作報告提出碳中和碳達峰目標，全國范圍以電力物聯網建設與能源互聯網建設為核心，開啟了新一輪的電網升級。長期以來，我國在中高壓輸電側與變電側的建設成就舉世矚目。但在低壓側，配電網的運維管理長期處于較低水平，臺區拓撲檔案等存在較多錯誤；配網感知能力與感知深度嚴重不足，智能電表長期只采集日凍結功率數據上報，采集頻率過低，僅用于支持營銷部門的電費核算，不足以支撐電力物聯網與能源互聯網相關應用。

因此提高低壓配電網數據感知能力，加深數據感知深度，提高數據采集頻率成為電網基礎設施建設的關鍵點。與此同時，隨著數據感知能力的加強，為使數據流支撐電力物聯網與能源互聯網的建設、支撐配電網智能化與自動化，還需要積極追蹤用戶需求，開發數據流驅動的配電臺區應用，真正實現“三型兩網、世界一流”。

1 配電臺區分鐘級采集方案

目前營銷專業、設備專業分別建設用電信息采集系統、配電自動化系統，并部署低壓故障、監測單元、智能電表等采集設備實現臺區狀態的感知，由智能配變終端TTU、集中器等設備匯聚數據，傳送至內網系統。兩套系統采集數據內容的重合度極高，主要差別在采集頻率上，配電自動化系統對數據的實時性要求高于用電信息采集系統。因此，完全可以部署一套較高性能的現場數據采集子系統，實現源數據的統一采集、統一處理。為解決上述問題并進行技術升級，通過在臺區部署邊緣物聯代理/TTU/融合終端，統一接入各類感知數據，實現分鐘級數據采集，避免過度傳感建設。基于智能電表分鐘級采集數據可實現臺區狀態實時感知、故障定位、能效分析、線損精益化管理等功能。針對集中器分鐘級采集改造的總體思路是充分利用現有硬件設備，在軟件協議、抄表策略等方面進行擴展和優化。

當前的臺區用電信息采集系統的部署有II 型采集器+485 表、I 型集中器+載波表、I 型集中器+I 型采集器+485 表、I 型集中器+II 型采集器+485 表4 種，集中器與采集器的組網采用HPLC+1376.2 協議，集中器與用電信息采集系統主站組網采用無線專網或無線公網+1376.1 協議，采集器與智能電表間通信采用RS485+DL/T645 協議。圖1 為目前臺區用電信息采集系統示意圖。

圖1 用電信息采集系統示意圖

分鐘級數據采集與傳統小時級乃至于15 分鐘級數據采集在表面上看只是采集頻率的提高，實質上涉及到從軟件到硬件的整體升級。隨著采集頻率的提高，對硬件穩定性、采集成功率、數據上報延時、采集數據存儲都提出了更高的要求。特別是數據上報延時和采集數據存儲方面，以往的低頻度采集中一個臺區所有電表都能在上報時間跨度中完成，但采用分鐘級采集后將不能保證這一點，又同時帶來了采集同步性的問題；在采集數據存儲上，更高頻率的采集意味著更高的數據量，因此還需要對集中器、采集器與電表升級硬件設備。為適應分鐘級采集任務，采取了I 型集中器與II 型采集器兩種升級方案分別對集中器與采集器的數據采集策略進行了改進。II 型集中器在協議上的升級方案與I 型集中器升級方案基本是相同的，差別主要在于集中器與采集器的采集策略上。

首先為集中器及采集器配置基于DL/T645 和Q/GDW 1376.2 協議擴展的分鐘級通訊協議，并對應地擴大采集器存儲空間；開發拓展通信接口以支持DL/T645 協議，擴展報文數據標識，將分相電壓、電流和功率在內的多個數據項匯集于一個字段；對于涉及集中器通信的1376.2 協議，對其通信報文格式進行擴展，在645 報文格式中加入時標并封裝入1376.2 協議報文的上下文中。在下行報文里所有645 報文的應答被全部收集完成后，統一組成一幀回復給集中器。I 型與II 型集中器對被監測電壓采用有效值采樣，采樣周期至少每秒1 次，并作為預處理值貯存。1 分鐘作為一個統計單元，取1 分鐘內電壓預處理值的平均值，作為被監測系統即時的實際運行電壓；終端上行通信方式設置為混合模式，支持雙通道、雙主站（用采主站、智能邊設備）；II 型采集器增加存儲容量（128k），將采集到的電表當前數據進行存儲后再打包上傳。同時在用電信息采集系統中加入智能邊設備，部署分鐘級數據同頻采集APP，實現對集中器數據采集匯聚、邊緣計算。

與此同時，修改抄表策略以適應分鐘級采集任務。在添加了分鐘級任務后，由于集中器一般都會連接數十塊電表，由于傳輸延遲等因素的影響，可能導致集中器連接的電表在1 分鐘內無法將所有分鐘級采集數據全部上傳的問題出現。為解決這一問題，在645 報文中加入時標用于識別數據采集時間，但在實時循環采集機制中，可能因為延遲等在同一秒內采集到時標相同的本是兩次采集得到的數據，這將導致數據丟失，具體如圖2 所示。為解決這一問題，采用整分采集機制而棄用循環采集。雖然這會導致不能完全實現1 小時采集60 個數據上報，但保證了采集成功率和數據良率。

圖2 循環采集時標重復示意圖

2 配電臺區拓展應用

在以往的配電臺區，由于數據采集頻度低，感知能力差，很難利用用電信息采集系統采集的數據對配電臺區開發針對性的功能應用，諸如線損分析、拓撲識別、線路隱患排查等，往往都依賴于人工進行，費時費力。在分鐘級數據采集成功實現后，充足的數據量足以支撐諸多配電臺區自動化應用，同時還可以應用于新能源光伏臺區，服務于碳中和、碳達峰目標。可開發應用有相位識別、戶變糾錯、分相線損分析、光伏反竊電、光伏出力預測、負荷預測、電能質量分析等。

2.1 相位識別

通過用戶電表、光伏電表及臺區關口表分鐘級采集數據，開發相別自動識別算法，實現低壓臺區電表和戶變相別識別。從關口表、用戶電表與光伏電表采集的分鐘級數據，包括電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數等。算法有基于相關性分析、多元線性回歸、曲線聚類、頻譜聚類等機器學習算法，以往最多基于15 分鐘頻度的采集數據，相位識別精度不能達到100%。在引入分鐘級采集后，升級的相位識別算法能將相位識別準確度提高到100%。同時若將光伏出力導致的功率倒送考慮在內，將用戶時序電壓、電流、功率等與關口表采集的電壓電流功率等進行綜合計算，還可以對光伏臺區電表相位等拓撲關系進行識別。

2.2 光伏出力擬合與預測

光伏臺區的出力影響配電網的潮流分配與無功分配，降低系統慣性，對配電網穩定性有著較大影響。配調部門需要較為精確的光伏出力曲線來輔助調度工作，往往將低頻度的出力數據擬合出高頻數據。在實現分鐘級數據后，光伏出力的擬合工作將大大簡化，分鐘級的頻度已滿足絕大部分要求，若有更精確的要求，利用分鐘級數據再進行擬合的精度也更高。另一方面，為確保調度部門合理安排系統無功補償、切除光伏倒送等應對措施，需要對配電網分布式光伏出力進行短期與長期預測。基于神經網絡、支持向量機等機器學習算法，結合光照、云層等氣象數據進行光伏出力短期與長期預測，為調度部門提供參考。

2.3 光伏反竊電

傳統的臺區反竊電往往都依賴于線損異常甄別和人工排查。而在光伏臺區，由于用戶自購自接光伏電池板與逆變器，在光伏出力大于家庭負荷時，將會有功率反送上網并依據功率上網量獲取補貼。為了保證光伏上網量不至于對配電網穩定性產生沖擊，會限制用戶自接光伏電池板的容量。但有用戶會超額接入電池板，甚至還會有光伏計量表升壓、市電整流逆變、市電改接法等竊電手段，即將配電網送入用戶的交流電經過逆變或不逆變直接返送上網，以此騙取補貼。相對于傳統臺區，光伏臺區竊電數據樣本少，竊電邏輯不同，竊電行為隱蔽，傳統的線損異常甄別、人工排查等手段難以精準識別。

在實現分鐘級采集后，數據驅動的反竊電方法可以實現，通過比較正常用戶電壓、電流、功率曲線和不同情況下竊電樣本的電壓、電流、功率分鐘級數據曲線，可有效甄別光伏竊電用戶。而對于竊電數據樣本少的問題，有文獻指出，可以利用基于NICE 的數據增強算法擴充竊電數據樣本庫，提高竊電識別準確率。同時通過光伏電表計量的返送功率數據，甄別違約加增光伏板用戶，實現光伏反竊電功能。

3 結束語

本文提出了用電信息采集系統的分鐘級采集方案，在硬件上升級I 型和II 型集中器、采集器與智能電表，在軟件上升級DL/T645 和1376.2 通信協議，優化數據采集策略，統一物模型，采用邊緣計算技術，大大提高了用電信息采集系統的采集頻率，滿足了電力物聯網和能源互聯網建設背景下配電網智能化與自動化建設的數據需求。

在實現分鐘級采集方案的基礎上，提出了相位識別與戶變糾錯、光伏出力預測、反竊電、反向線損分析等配電臺區數據驅動業務應用，滿足配電臺區不同的業務需求，實現配電臺區的智能化建設，為配電臺區進一步升級改造、業務應用進一步開發提供了思路。

需要指出的是，分鐘級采集在帶來數據頻度提高的同時，給采集成功率等帶來了很多挑戰。上文提及為保證采集良率而采用了整分采集策略，如果臺區下帶電表數量過多，需要很長的周期才能完成一輪采集，這樣會大大降低實際采集頻率，從而使后續應用開發出現問題。可考慮對于分鐘級數據采集策略和數據通信協議進行進一步改造，如對數據報文進行壓縮處理等，這是后續研究的方向之一。