基于物聯網斷路器和云平臺的智能化低壓配電系統

鄭 杰，溫啟良，孫 俊，王 濤，馬天恒

（南方電網深圳數字電網研究院有限公司，廣東深圳 518000）

引言

在國家經濟騰飛的情況下，配用電領域取得了很大的發展。但隨著科技的發展以及用戶對用電質量的要求不斷提高，過去配電網絡中的運行方式與維護方式已經不能對國家電網的發展產生促進作用。而供電與配電的設備作為整個配電網中的基礎設施，傳統的安全檢測手段對于事故后的維修和定期檢修都不能保證現代化的用電安全和電能質量，因此目前變配電行業的發展呈現智能化、網絡化、保護、控制、測量和數據通信相統一的趨勢。作為電能傳輸中“最后一公里”的低壓配電領域，傳統的配電系統已經成為瓶頸及短板。對配電系統的創新已經成為當下的重要課題。

1 智慧配電系統的組成和工作原理

智能化低壓配電系統實現了低壓配電系統一次二次設備深度融合，根于傳統、打破傳統、并超越傳統，完美融合傳統常規塑殼/框架斷路器、微機保護監控裝置、全電量電力儀表、計量電度表、電流/電壓互感器、電氣火災/溫度探測器、環境監測器、無功補償控制器、工業變送器、通訊線纜等設備與功能于一體，使低壓配電柜無需安裝各類儀表、無需電路復雜接線、無需敷設通訊回路，同時精準主動瞬時無功補償提高能效、智能測控用電過程、為智能生產奠定基礎，真正意義上做到了電能的可視、可控、自動調度、按需分配、隨時隨地盡在掌握。借用智能斷路器得到的各種數據量，例如模擬量、信號量、故障信息等等，基于互聯網中的wifi通信，將信息傳輸到建立的云平臺系統中構成無線的物聯網系統，系統再根據信息處理響應用戶的需求變化，為用戶提供更加全面的服務。

1.1 系統的結構組成

智能化低壓配電系統由感知層、傳輸層、控制管理層和應用分析層組成，底層硬件傳感器負責采集信號，傳輸層將數據統一上傳到云平臺器，通過統一的管理控制，實現上層應用、分析和服務。通過一二次設備融合技術，將數據監測、微機保護、通信等設備融合于開關本體。在離線狀態下，設備可就地實現微機保護等功能，也可通過光纖與同一系統內的設備進行通信，自動協同實現故障自愈功能。基于物聯網斷路器和云平臺的智能化低壓配電系統結構如圖1所示。

圖1 基于物聯網斷路器和云平臺的智能化低壓配電系統結構

1.2 智能化低壓配電系統的工作原理

1.2.1 一二次設備融合技術

目前電力系統中的一次設備和二次設備是分開安裝的，電能輸送跟測量保護裝置處于分離狀態，智能化水平較低。本研究提出的一二次融合是將部分二次設備智能單元安裝在一次設備中，這樣一次設備內同時具備測量、計量、繼保、監測、控制等功能。通過系統重構設計，將傳統斷路器與智能電子設備結合，構成智能低壓斷路器。該智能低壓斷路器同時具備斷路器的分合功能和分斷功能，控制器的可編程遠程操作功能，電能質量監測功能，電能測量計算功能，微機綜合保護裝置、測控和信號狀態監測功能，節能補償裝置的無功投切功能等。各類電量變送器的4～20 mA信號輸出，溫度控制設備的4～20 mA采樣，使用RS‐485、WiFi、5G（NB‐IoT）等無線通信方式，實現了低壓電氣一二次設備的完全融合。

1.2.2 工作原理

現場硬件設備的智能化元件是物聯網技術與電力終端設備的創新融合，低壓智能一體化開關采用WiFi、5G（NB‐IoT）通信，將開關本體的電量數據上傳到系統中，設備信息完全開放，不需要任何特定的協議，便可以向綠色智能化配電系統提供可靠、豐富的數據；用戶通過掃描設備上的二維碼或者進入特定的網站，即可獲得各種直觀信息（如：智能化元件運行時的波形圖、功率圖、開關狀態等等）。還可以通過自己設定實現保護、維護、超額報警等信息交互。這些智能化元件將采集到的各類數據信息、開關動作情況通過網絡通信技術上傳至云端并存儲。

云端接受從智能終端傳來的各種數據，對信息進行解析并記錄，使用遠程界面為工作人員提供便利條件，實現遠程控制、調整、事件記錄和告警的功能，完成保存歷史數據，實時修改定值，設備在線組態等工作，實現低壓配電系統的風險評估，故障預警、保護跳閘，節能管控和智能運維等功能。系統結合了云計算、大數據分析及儲存等互聯網技術，實現了多個系統如能源管理系統、能源預測系統、優化系統等的云端處理。

1.3 視頻輔助監控系統

上述監控系統將設備的運行狀態和告警信息集中上傳到后臺監控系統，實現了對智能終端的遠程控制。通過加裝傳感器監測配電室的外部環境狀況，同時可以實現多種保護功能，例如防火、防水浸、防爆、臭氧報警以及防入侵等。視頻監控輔助系統由高清攝像頭、存儲設備、光纖交換機、視頻矩陣、監控屏幕等組成，典型的視頻監控系統結構如圖2所示。該視頻輔助監控系統使用了自動跟蹤和移動偵測技術，完成設備的監控功能，補充完善了對低壓配電設備的網絡監控作用。通過錄制視頻記錄變電站的設備運行狀況和實際外部環境，能及時監測到電力設備異常情況，使設備運行更加安全可靠，同時可以及時記錄下設備故障事故的影像資料，有助于工作人員及時準確地了解到低壓配電系統的各種現場信息，提高智能綜合管理水平。

圖2 視頻輔助監控系統結構圖

2 基于云平臺的智能用電大數據分析

通過收集用戶的用電信息，分析出用戶的用電狀態，未來電力系統和設施的完善可以參考這些狀態信息，有效推動電力設施的發展。而使用泛在感知終端則有利于日后的電力設備操作和運行。泛在感知終端將直接收集必要的用電信息，并且對比和綜合分析其中的數據之間所存在的不同，進而通過分析判斷得出每一個家庭的實際用電情況和習慣。在對用戶提供電力服務的時候，就可以通過對用戶的用電數據進行分析，促使電力部門制定出更加符合用戶用電習慣的電力政策，進而提升用戶日常用電的便捷性，保障了居民的生活和用電安全。并且這些數據還可以推動我國電網未來采取更加有效的措施提供針對性較強的服務，滿足用戶的具體需求。因為對于我國電網來說，電力部門所制定的的電力政策基本上是以大數據分析為支撐的，大數據分析得出的各種結論是促使政策落實的一個重要的參考。

（1）建立在數據挖掘上的用戶畫像分析。云平臺通過采集用電客戶的大量用電數據，對其進行數據挖掘與分析，分析出客戶的用電特性，同時構建用戶畫像，達到為客戶提供精確細致的優秀用電體驗。這樣可幫助電網對用戶的特定需求及時地給出解決方案并且實施，同時根據智能用電的使用效果提出相關的新的服務模式，以此來實現節能的目的，并能對負荷曲線進行優化。

（2）建立在大數據分析上的數據增值服務。依靠大數據分析技術，為居民提供數據增值服務，通過對用戶電表的電能數據和位置信息、操作復雜度與設備故障概率、品牌電器的市場銷量等綜合數據的采集，運用大數據分析技術，把居民側的用電數據按照使用類型時間進行分類，構建出居民側用電畫像，以此來幫助居民有效錯開高峰用電期，提供高效的電能使用服務。另外通過分析海量數據，能夠幫助居民顯著降低用電支出，提高居民用電設備的智能化水平。同時這種數據增值服務可以隨時監測用戶用電需求的變化，提升用電客戶的服務體驗，進而吸引更多的智能用電用戶。

云平臺用電分析功能可展示能耗報表、同比分析、環比分析、電能集中抄表等，分析和統計規則可根據實際情況在后臺進行配置，Excel報表可導出。

3 應用案例分析

以宜昌市昌耀電業集團有限公司所處臺區為研究對象，建立起基于物聯網斷路器和云平臺的智能化低壓配電系統。智能化低壓配電系統采用物聯網技術為居民側用戶提供多元化服務。

（1）智能互動服務。客戶通過APP，公眾號，網頁，郵件等了解關注相應的設備的相關信息，并且能夠做到快速、準確且有效傳達電力設備異常、異動的相關信息及線路搶修等通知。

（2）能效管理服務。通過手機軟件就可以查看各個電器工作時所產生的用電數據，準確了解電能的使用去向，在手機APP上還可以收到節約用電的消息提醒，隨時隨地了解用電賬單。在能效管理中，通過挖掘和分析用戶側電能使用數據，分析出可以提升家庭使用能效的策略。

（3）用電安全以及精確搶修服務。當家庭電力線路發生異常時，可通過手機軟件或各種信息平臺通知用戶，同時能夠根據設定的異常管理策略自動斷電，對電力設備以及線路進行保護，避免發生安全事故。當用戶側出現跳閘時，管理中心將精確分析出用戶側電器故障所在線路，方便用戶及時定位并排除故障，減少經濟損失。然后系統根據所采集的數據進行分析，準確定位故障點，及時安排運維人員上門提供搶修服務。

4 結束語

隨著科學技術的發展，智能低壓配電系統展現出高效、科學、合理、自動管控電力系統的特點；隨著用戶用電要求的不斷提高，將智能化低壓配電系統逐步應用于現代電網已然成為一種趨勢。智能低壓配電系統可以推動發展新興信息服務業態，推進網絡信息技術與電力服務模式結合，從而實現創新發展。