低壓配電網透明化及智能化運維關鍵技術與實踐

南方電網電力科技股份有限公司 陳 文 尤 毅 胡春潮 宋旭東 韓博文

1 介紹

目前，人類經濟社會的快速發展面臨以傳統化石能源濫用所帶來的環境問題以及可再生能源消納能力不足所面臨的能源問題[1]。以數字化信息網絡系統將電能發、輸、配、變、用、儲等各個環節設施連接在一起，通過智能化控制實現電源側、電網側與用戶側等資源效益最大化，實現多方共贏的目的，這就是智能電網的思想[2]。

當前，大數據、云計算、物聯網、移動互聯、人工智能為智能電網注入新的內涵，國內外眾多研究機構及眾多電網公司紛紛開始進行“云大物移智”等新技術的應用。南方電網提出了“透明電網”概念，即為利用信息技術、計算機技術、數據通信技術、傳感器技術、電子控制技術、自動控制理論、運籌學、人工智能、互聯網等有效的綜合運用于電力系統，從而實現電網的可見、可知、可控[2]。

2017年南方電網廣東電網公司全面啟動智能電網示范建設，智能電網是將現代先進的傳感測量、通訊、信息、計算機和控制技術與物理電網高度集成而形成的新型電網。廣東電網公司將在佛山、珠海、東莞、中山、韶關、云浮和汕頭建設7個智能電網示范區，涵蓋城市、農村和海島等不同類型區域，為智能電網建設探索路徑[3]。

目前而言，對于電網中的主網架結構的智能化改造已經基本完成，而對于400V的智能化改造仍顯不足，主要表現為低壓電力搶修不及時、低壓電能質量較差、低壓線損較高、電力設備資產臺賬混亂等諸多問題。該部分電網的建設成效將直接影響到客戶服務水平和客戶滿意程度。另外由于低壓電網網架結構復雜，點多面廣等多種問題而導致低壓問題尚未得到良好的解決。近期，隨著國家電網“泛在電力物聯網”、南方電網“透明電網”概念的提出，眾多研究機構均提出了相應的解決方案。以“云管邊端”作為基本架構的物聯網技術路線，即以底層感知物理層作為最底層感知終端，以微功率無線或者電力載波作為臺區管理的“通訊管道”，以臺架智能終端作為低壓臺區的管理終端，以高速無線網絡或者光纖作為臺架邊與云端的連接管道的技術路線，在實現低壓臺區的智能化、透明化改造，解決低壓臺區面臨的低電壓、三相不平衡、線損過高、低壓網架結構復雜、搶修不及時等問題具有顯著的優勢。筆者所在的單位承接了國內某智能電網項目，其中低壓配電泛在物聯作為該項目中重點打造的項目，筆者所在的公司在前期策劃、設備研發和集成、中期工程實施、以及后期消缺等工作中發揮了積極的作用，較好地實現了低壓拓撲識別、故障主動告警、電能質量就地解決等功能，達到了低壓配電智能化的改造目的。

圖1 基于物聯網架構的低壓臺區智能化架構體系

2 本公司提出的技術路線及關鍵設備

下面根據文中所提出的技術路線，對相關技術進行了討論。

底層電表模塊主要實現電表數據采集、故障主動告警、相位識別等功能，在本次工程應用中創新性地運用拓撲自動識別技術。目前在低壓配電網領域實現拓撲識別的方法主要有：特征電流法、分支電流分析法以及特征信號法。

特征電流法即為在臺區邊緣計算終端指令下拓撲識別模塊產生一種具有特征的電流如畸變電流、短路電流等，在分支上安裝相應的檢測裝置對特征電流進行檢測，然后將檢測到的信號傳遞至臺區邊緣計算終端，從而實現對末端的拓撲識別。該方法實現較簡單，然而畸變電流一方面其能耗較高，勢必增加配電網絡線損；另一方面，由于低壓配電設備復雜，電力電子原件、光伏等新能源日趨增多，其所產生的電力諧波對如畸變電流等特征電流進行檢測并正確識別在技術上提出了一定的挑戰。

分支電流分析法在分支處加裝一套CT對分支電流進行監測，同時借助高級量測體系對戶表電流進行監測，對分支處以及戶表處進行大數據分析，提取相應的特征量，然后對低壓拓撲信息進行分析。該方法依賴于戶表電流，實現方法較簡單，然而目前基于輪詢的量測體系無法保證分支電流以及電表電流在同一時間斷面，所得到的拓撲分析結果準確性有待提升。

特征信號法是采用先進的通信技術，在進行拓撲識別時臺區邊緣計算終端下發廣播信號，終端拓撲裝置在接收邊緣終端信號后產生包含自身信息的特征信號，并向上傳輸，并在分支處加裝相應的檢測裝置，在分支處監測到相關信號后向臺區邊緣計算終端傳輸，由此進行層層解析得到整個拓撲分析結果。該方法實現較簡單，拓撲分析結果準確率較高。

分支智能感知設備主要檢測底層拓撲識別模塊所產生的拓撲信號并將該信號傳送至TTU，另一方面，檢測所裝處的電氣量信號，為分段線損、故障精準定位、電能質量精細化治理等高級應用提供技術基礎。

臺區邊緣計算終端負責整個臺區的數據采集、數據分析以及數據上送，具備對配變主站和下層終端設備的即插即用功能。具體而言如下：具備上行和下行數據通道，支持與集中器通信，支持遠程升級和系統設置功能、上送設備異常信息、停電信息主動告警、發起并管理低壓拓撲自動識別任務、接收拓撲識別模塊的拓撲識別信號反饋確認信息，生成低壓臺區CIM模型并與主站交互等功能。

3 工程示范及其效果

在本次智能電網示范區中采用以上配置進行臺區透明化智能化改造，實現的效果如下。

3.1 變—線—戶拓撲關系識別

臺區智能終端發起拓撲識別開始流程，從戶表處拓撲識別模塊開始到分支箱，逐個產生定向電力載波信號，其它拓撲識別模塊開始檢測定向電力載波信號，記錄并報告給臺區智能終端，臺區智能終端通過收集到的信息，根據前后邏輯關系，生成臺區物理拓撲關系，并生成拓撲關系描述文件上傳給主站，主站根據拓撲關系描述文件，生成拓撲展示SVG圖。

圖2 拓撲識別流程及結果

圖3 主動停電上報

3.2 精細線損分析

通過在分支處加裝智能分支監測裝置，對分支處電氣量數據進行監測并通過DLT 645規約將采集到的數據上傳至臺區智能終端。臺區智能終端通過集中器集抄統計分支下所接電表數據并與分支電氣量數據進行計算即可統計分支線損，可將臺區線損進行精細化線損分析。

3.3 故障定位

本次采用的電表載波模塊內置超級電容器，具有停電主動上報的功能，可輔助判斷用戶停電是表前故障還是表后故障，若為表前故障則載波模塊會發送停電告警信息，若為表后故障則載波模塊無停電告警信號產生。配電箱處各支路安裝拓撲識別模塊，可以主動上送停電信息給臺區智能終端，結合拓撲關系，精準判斷低壓停電事件及準確定位停電范圍，并在GIS沿布圖上展示，變被動投訴告警為停電主動上報，提高了低壓臺區運維的便利性。

在該方法中由于超級電容的容量大小限制，只能上報30塊表的停電信息至集中器處，若發生告警的戶數超過30戶，則由于載波信道的擁堵無法接收所有停電告警信息。一般而言，在此情況下臺區智能終端對電表帶電狀態進行輪詢，然而輪詢的速度較慢，無法滿足臺區快速搶修的要求。而作為另一種故障定位的方法，可將低壓戶表分段安裝含超級電容器的載波模塊，從而將臺區分成若干段。在某一段低壓線路出線故障時，臺區側則能收到停電告警信息，這樣避免了臺區側超過30塊表停電時所造成的通信擁堵同時也解決了輪詢所帶來的告警延時。

3.4 三相不平衡治理

本次電表載波模塊具有相序識別的功能，結合拓撲識別裝置和電氣量采集裝置即可對臺區和分支三相負荷是否平衡進行判斷。在三相負荷不平衡的情況下通過電力電子換相開關即可實現三相不平衡治理。

3.5 漏電監測

在分支處加裝低壓分支開關對低壓線路的故障進行保護，在線路出現漏電情況下即可實現開關的自動分閘，這樣既保護了用電者安全，也能減少故障影響的范圍。在分支側所配置的低壓智能分支監測箱以及低壓智能分支控制箱均具有漏電監測的功能，所不同之處在于低壓智能分支監測箱只能對漏電事故進行監測，無法對漏電線路進行分斷；而低壓智能分支控制箱則具有漏電保護功能，在發生漏電事故后即可將開關斷開，從而對觸電人畜進行保護。

4 低壓配電物聯網未來發展展望

智能電網可以通過一個數字化信息網絡系統將發電、輸電、配電、變電、供電、售電、蓄能與能源終端用戶的各種電氣設備賀其他用能設施連接在一起，通過智能化控制實現精確供能、對應供能、互助供能和互補供能，將能源利用效率和能源供應安全提高到全新的水平，將污染與溫室氣體排放降低到環境可以接受的程度，使用戶成本和投資效益達到一種合理的狀態[4]。智能電網利用先進的技術提高電力系統在能源轉換效率、電能利用率、供電質量和可靠性方面的性能，是經濟和技術發展的必然[2]。隨著我國特高壓電網的建設和電力體制改革的不斷深化，智能電網已成為最近十來年我國電網發展的一個新方向。

隨著特高壓電網建設的逐步完成以及電力體制改革，配用電網改造日趨緊迫。目前中國電網在配網自動化、配網狀態監測檢修、現場作業、智能巡檢等方面亟待升級。在泛在電力物聯網方面，智能傳感是泛在電力物聯網感知層的核心基礎技術[5]。泛在電力物聯網是以數據為中心，需要智能物聯網終端全面采集電力系統靜態和動態數據[6]。

在本次示范工程中，底層傳感器的投入占總設備投入的約一半左右，拓撲識別裝置的設備投入達到了約1/3。拓撲識別原本在電力施工環節和電力用戶遷改環節做好電子化移交之后即可僅需少量外加投入即可達到良好的效果。然而現實中電子化移交及拓撲維護工作未能得到充分的重視，大部分的施工及電力用戶遷改未進行電子化移交等工作，從而導致低壓臺區設備管理混亂、戶線變關系梳理不清直接導致線損無法精益化分析、故障定位難以開展、電力設備臺賬混亂等問題。在電力市場化改革的浪潮下，國家電網公司和南方電網公司均大幅壓縮了基建部分的投入，迅速降低底層傳感器件的成本將決定技術路線的生命力。

此外，考慮到現實施工便利性，底層傳感器件應具備即插即用、小型化、便于施工安裝的要求。即插即用過程可分為主動注冊，獲取、發送、解析自描述文件，數據交互，設備控制，設備事件等幾個步驟。

5 結語

本文所提出的低壓可視化方案因其通訊方式簡單可靠，可擴展性好，具有經濟、實用、可靠性高、易于擴展等優點。在工程示范中對低壓臺區運行起到了設備狀態監測、故障預警和定位、低電壓治理、電能質量優化等作用。未來低壓可視化將朝著即插即用、小型化、低成本等方向發展。