臺區智慧物聯應用研究

蔡 超，艾福洲，余福振，王之偉

（1.國網湖北省電力有限公司，湖北 武漢430000；2.山東省煙臺市東方電子股份有限公司，山東 煙臺264010）

隨著社會的發展，用戶的用電需求已經從“有電用”轉向“用好電”，這就要求臺區具備故障快速處理、線損精益化管理、電能質量優化、自主綜合監控等功能，在具備上述功能后，供電質量和供電可靠性可以進一步得到保障。

近年來，電力系統正在穩步推進老舊臺區信息化、自動化改造，探索臺區線損分析、拓撲識別、故障定位保護等應用，提出了智慧物聯臺區成套化、標準化的建設理念。然而，隨著電網規模的持續擴大和大量新能源的不斷接入，現有臺區在供電安全、經濟運行以及電能質量方面出現了或多或少的問題，比如，臺區的電氣設備智能監測范圍僅包含配電變壓器附近的設備，沒有覆蓋到靠近用戶側的低壓配電網，低壓側的服務、通信以及設備缺乏統一的標準，各生產廠家的服務架構以及設備接口難以做到兼容，這使得臺區難以進行靈活的升級。配電臺區需要進行大量的實時數據傳輸，但本地的通信又沒有足夠的帶寬和傳輸速率，導致配電臺區不能做到實時交互。

在此背景下，智慧物聯臺區的概念應運而生。臺區智慧物聯以配電物聯網為基礎，其目的是提升供電質量、運營效率并改善用戶體驗。智慧物聯臺區采用的技術很多，比如通信技術、能源儲輸技術、互聯網技術，在采用了這些技術之后，臺區將會更加清潔化和智能化。

配電物聯網是新時代電力工業發展的主要趨勢。在新的發展環境下，世界范圍內正在發生新一輪的能源革命，其特征是大規模開發和使用新能源。對于電氣化，重點是用電替代煤炭和石油，對于再電氣化，重點是建設低碳排放，清潔，高效和智能化的現代綠色能源系統。在此過程中，存在著許多新挑戰，例如客戶的多級服務需求以及消納清潔能源時的巨大壓力，這使得管理配電網的傳統方式難以滿足電力系統的發展需求。新時代的配電網需要使用云計算、大數據、物聯網等先進的信息技術來改善配電網的運營管理和維護，以滿足能源轉換的需求。

1 智慧物聯臺區關鍵技術

1.1 臺區拓撲識別

分布式智能終端可以向配電網中注入拓撲特征信號，并具備高精度的多路采集能力。基于公共信息模型的語法結構，確定模型的映射規則，將識別到的中間文件傳輸至公共信息模型。在智能終端發出啟動命令后，各個節點開始檢測電流和電壓，并注入無功信號，收集注入信號后的信息，將收集到的信息傳輸至智能配變終端單元，智能配變終端單元進行邊緣計算和識別，構建了臺區拓撲模型之后智能配變終端單元會將該模型傳輸至主站，電氣接線圖會根據上傳的信息自動生成。臺區拓撲識別系統硬件原理如圖1 所示，識別信號如圖2 所示。

圖1 硬件原理

圖2 識別信號

主站側會對上傳信息的拓撲關系、語法語義、字符編碼進行驗證，驗證通過后主站結合數據建模和電氣建模便會生成低壓拓撲，基于低壓拓撲主站會自動完成臺區接線圖的繪制，其具體過程如圖3 和圖4 所示。

圖3 特征注入與識別的數學模型

圖4 拓撲轉化

1.2 邊緣計算終端

在配電變壓器出現側部署有智能配電變壓器終端，對用戶智能電表和配電變壓器之間的運行數據進行監測，這使得進行邊緣計算成為可能，這也是智慧物聯臺區的架構核心。內置邊緣計算平臺，消除了硬件之間的差異，使得軟件的接口得以統一，由于采用了信息交互總線，信息的交互速率得以保證，軟件結構如圖5 所示。為實現終端內營銷、運檢等業務的獨立進行，終端內部署有多個容器，運用chroot 創建虛擬文件系統，使各個容器中的文件系統相互隔離，但各個容器中的文件系統可以共享位于底層的文件系統。采用此架構的邊緣計算軟件可以更高效地進行邊緣計算。

圖5 邊緣計算軟件結構

1.3 主動搶修低壓故障

智慧物聯臺區以相應的配電物聯網為基礎，實時對線路故障信息和用戶停復電信息進行收集，也可以自動化研究和判斷臺區存在的低壓故障。完成判斷結果的整理后，生成主動搶修工單，故障搶修人員在接到工單后快速進行故障搶修工作。智慧物聯臺區可準確識別低壓故障的類型，還可以準確地進行故障定位，從而使得故障停電時間得以縮短，故障搶修效率得到提高。

2 智慧物聯臺區應用實踐

目前，在北京、上海、浙江、江蘇、山東、寧夏、福建等國家電網公司開展了基于物聯網的配電臺區管理試點應用，已經完成了五千多個臺區的智能化改造，已有二十萬臺低壓智能設備接入到配電臺區。除此之外，還開發和審核評價了多款智能管理軟件，故障的研判時間由分鐘級縮短至秒級，臺區實現了低壓設備的快捷互通。在進行了臺區的智慧互聯之后，主站可全面掌控配電變壓器及其周圍設備的信息，物聯網技術與臺區做到了有機結合。智慧物聯臺區的建設范圍主要有用戶側、低壓線路側、配變側。

2.1 用戶側部分

對于用戶側，需要將物聯網型智能斷路器安裝于用戶進線處，智能型微斷路器安裝于表后開關，以實時監測開關位置、電流大小、進出線電壓大小，通過無線傳輸物聯網通信單元將會接收智能斷路器發出的信息，通信單元通過相應的通信模塊將信息傳輸至智能配變終端。

儲能單元通過配置物聯網通信單元可以實時監測儲能單元的電量及運行狀態，儲能單元的狀態信息將會被傳輸至智能配變終端。

2.2 低壓線路側部分

三相電流互感器和分布式臺區智能終端配置于低壓分支箱，實時監測線路的電流和電壓，當電流和電壓出現異常時迅速報警，除此之外，線路側部分還具有注入拓撲信號的功能，通過反饋的信息可以進行信號識別，所得信息經相應的通信模塊傳輸至智能配變終端。

2.3 配變側部分

配變側的建設范圍主要為低壓開關柜、配電變壓器以及其他的電氣設備。

（1）將聯絡柜、進出線開關柜、智能電容柜配置于配電室，框架式斷路器配置于聯絡柜、進線柜，除此之外，還需配置相應的通信元件，以使斷路器擁有通信功能。

（2）兩臺智能配變終端配置于配電室，以使配電變壓器的電氣量處于監測之下，為臺區的邊緣計算提供數據。

（3）開啟式電流互感器以及分布式智能終端配置于低壓出線柜，智能配變終端與分布式智能終端之間采用HPLC 通信方式。

（4）溫濕度傳感器配置于配電室的墻上，煙霧傳感器配置于天花板上，水位傳感器配置于電纜槽中，各傳感器實時監測站室內的狀態，經通信單元將信息傳輸至智能配變終端。

（5）通過控制裝置將站室內的智能電容接入到智能配變終端。

（6）無線測溫裝置配置于進出線柜，并與智能配變終端相連。

3 結束語

本文對臺區智慧物聯的應用進行了研究，首先分析了臺區智慧物聯的關鍵技術，具體有臺區拓撲識別、邊緣計算終端以及主動搶修低壓故障。還進行了臺區智慧物聯的應用實踐，智慧物聯臺區的建設范圍主要有用戶側、低壓線路側、配變側，本文詳細列出了各側所需安裝的元件及設備。