新型電力系統下配電物聯網關鍵技術研究

摘? 要：未來以新能源為主體的新型電力系統大背景下，能源互聯網建設逐步推進，配電網市場化改革日益深入。我國能源體系，尤其是配電網物聯網的形態結構和運行特點發生著顯著的變化。本文對配電物聯網的新技術進行研究，并提出促進配電物聯網智慧臺區建設發展的策略。

關鍵詞：新型電力系統;配電物聯網;能源互聯網;優化調度;源荷協同

為適應新型電力系統的建設，電網系統各領域必然要通過裝備技術和體制機制創新，其中配電網領域又是極為關鍵且能快速見效的重要組成。在配電階段推動多種能源方式互聯互濟、源網荷儲深度融合，各環節協調互動，最終將實現清潔低碳、安全可控、智慧靈活、經濟高效等目標。

在電力配電網建設中，研究基于物聯網、云計算、大數據、人工智能、移動4G/5G等新興技術的智能配電物聯網技術;以及為了應對分布式電源、微網、儲能裝置等電網新興元素的靈活消納與協同調控[2]而出現的主動配電網技術，賦予了配電網設備靈敏、準確的感知能力及設備間互聯、互通、互操作功能，構建基于軟件定義的高度靈活和分布式智能協作的配電網絡體系，實現對配電網的全面感知、實時傳輸、高效處理和智能應用。

1配電物聯網介紹

1.1配電物聯網建設現狀

配電物聯網是傳統工業技術與以物聯網為代表的新一代信息通信技術深度融合而產生的一種新型電力網絡運行形態。在配電物聯網概念提出前，國網公司為適應配電網的建設需要，相繼推出了《配電自動化主站系統功能》、《配變終端/子站功能規范》、《配電自動化遠方終端標準》等一系列技術標準，同時在多個城市開展了較大范圍的城市配電自動化試點工程，并取得了許多成果，為智能配電網建設提供了大量的技術支撐和理論依據。

“國網芯”是電力物聯網建設的重要組成部分，國家電網圍繞電力核心芯片應用，大力推動安全芯片、主控芯片等核心產品研發，在加強邊緣計算、區塊鏈、人工智能、容器隔離、微服務、能源路由器等技術落地的同時，大力推廣基于“國網芯”的智能配變終端以及低壓配電物聯網方案，助力電力物聯網的建設。鑒于配電臺區是營銷和生產專業的數據源，營銷領域和配電領域雙方基于各自業務需求在臺區側分別安裝了集中器和配變終端，帶來了數據不共享、功能重復等問題，并增加了運維工作量，隨之基于容器技術的營配融合終端得到廣泛應用。新型用配融合終端為用電信息采集、設備運行狀態監測、智能控制與通信等功能于一體的低壓配電二次設備，滿足臺區基礎運行信息監測分析、電能質量監控、臺區需求側管理、低壓配網運維管控、信息模型標準化、多主站終端協同控制、信息安全和運維等要求。智能配電臺區以新型用配融合終端為核心網關設備，配套智能低壓設備，為支撐低壓配電的新業務起到了關鍵作用。

1.2配電物聯網發展的新業態

配電網從“無源”網變為“有源”網。在分布式光伏整縣推進和風電下鄉的背景下，具有隨機性、波動性、間歇性等特點的分布式電源大量接入配電網，節點電壓、線路潮流、可靠性等都不同程度的受到影響。為提高配電網對分布式電源的承載力，增容或新建配電變壓器刻不容緩，用戶側儲能以及微電網將有效促進分布式電源就地消納，調容調壓變壓器等新型電力電子設備也可緩解配電網電壓波動、功率平衡等問題。

柔性負荷與配網互動加深。用電負荷快速增長加大配網投資和供電壓力，因此充分利用和挖掘電動汽車、智能家居等柔性負荷資源的調控能力為重點方向。以電動汽車充電負荷為例，智能化的充電設施和協調有序的車網互動平臺有助于緩解高峰負荷壓力，長期來看，能量互動的V2G模式將發揮電動汽車作為分布式儲能資源的優勢。此外，交直流混合配電網、能源路由器也有望為多元負荷創造更加靈活、便捷的接入條件。主動配電網技術運用，實現分布式電源與多元化負荷的主動控制、主動管理。

配網運維與客戶服務要求提升。為滿足分布式新能源靈活消納與智能控制的目標，對當前配電網的全局態勢感知、統一優化決策和源網荷儲互動能力提出了新需求，相關的并網服務、交易結算、運維調控等管理模式也有待優化。

1.3配變物聯網系統架構

以物聯網與配電網深度融合為目標，提出配電物聯網“云-管-邊-端”總體架構和整體解決方案，實現配電網全面感知、數據融合與智能應用，助力配電網建設、運維、管理與服務變革，引領配電網轉型。

其中，云：物聯網平臺（云化主站），實現與配電自動化DMS主站和虛擬電廠的業務交互。對臺區內光伏、儲能、可控負荷及充電樁的工況進行展示和監測，并分配臺區的負荷邊界。

管：配電物聯網云、端、邊的數據傳輸通道。

邊：邊緣計算網關設備，實現數據采集和展示，完成數據監控和分析;負責控制策略，實現源網荷儲協同優化管控[1];上傳配自主站或虛擬電廠。

端：感知層終端，是安裝在配電網系統中的各類遠方監測、控制單元的總稱，為配電網運行和設備狀態信息提供實時數據，可完成遙測、遙信、遙控等功能。根據設備裝設位置的不同，主要可劃分為FTU（饋線終端）、DTU（開閉所終端）和TTU（配變終端）、RTU（遠程終端單元）等。充電樁、光伏逆變器、儲能系統、柔性負荷等都屬于端設備。

2.配電物聯網關鍵技術

2.1微應用APP技術

微應用技術打破原有的單體式架構，將客戶業務需求分接為多個相互獨立的、可以相連接的微應用APP。每個微應用APP完成特定的功能。

配電物管平臺通過微應用的架構技術，將原有業務系統中的功能模塊解耦，形成高內聚、低耦合的微應用，提升了每個服務板塊的獨立維護能力和系統容錯能力，同時也使每個APP能獨立部署安裝，易于開發。

邊緣計算網關設備對下連接著數據源、終端源，實現數據采集、管控和分析;對上連接著物管平臺或配電主站，需要實時交換關鍵運行數據。利用Linux操作系統、分布式邊緣計算技術架構、多容器等關鍵技術，將實現的功能進行軟件APP化。需要采樣統一架構設計、接口規范及管理，適用于統一的操作系統環境，系統部署包含多種協議的協議庫及數據中心，為APP提供統一接入平臺，解決協議使用不統一及業務數據不共享等問題。

操作系統層和應用層，操作系統層包括操作系統內核、硬件驅動框架、啟動程序、系統接口、硬件抽象層和系統組件，操作系統通過系統接口為APP提供系統調用接口，通過硬件抽象層提供硬件設備訪問接口，系統組件與應用層通過消息總線通信;應用層包括基礎APP和業務APP以及相應的容器，APP之間通過消息總線進行數據交互。

2.2微電網自我調節技術

微電網電壓等級一般在35kV以下，系統容量原則上不大于20MW。通過微網并網接口裝置和并網斷路器與公共配電網互聯。與外部電網的年交換電量，一般不超過年用電量的50%。

微電網自我調節技術，需滿足與外部電網的交換功率和交換時段具有可控性，可與并入電網實現備用、調峰、需求側響應等雙向服務。能夠保障負荷用電與電氣設備獨立運行，具備電力供需自我平衡運行和啟動能力。當配電網出現任何擾動，微電網可以孤島運行，保障重要負荷連續供電。微電網自我調節技術的運用，能提高電網接納分布式電源的能力。

2.3分布式新能源就地消納技術

通過配建或購買調峰與儲能設備，促進就地消納，平抑電網波動。通常采用調容調壓配變或動態無功補償、換相開關、同步相量測量裝置等設備，結合邊緣計算網關的處理分析能力，來提升配電網電壓調節能力、平衡功率、抵消分布式光伏諧波、提升動態監測及快速協調控制能力。

邊緣計算網關設備實時監測電網運行狀態，自適應調整運行容量和電壓輸出，有效解決變壓器容量最大空載損耗高、容量小過程風險高的問題，同時提升電壓質量，并具有配電監測與“四遙”功能。當電網正常時，負載的供電由開關完成。當發生電壓暫降或升高問題時，控制配電網同步向量測量裝（DRV）在2毫秒內產生補償電壓，使負載電壓保持穩定。

3配電物聯網智慧臺區場景建設

3.1總體方案

基于“云、管、邊、端”的配電物聯網技術架構來開展配電室中低壓物聯網化智能改造[3]。部署一二次融合智能斷路器、感知終端、智能電容、環境監測等物聯網端設備實現臺區運行狀態全感知;部署物聯網站所終端與臺區智能融合終端作為邊緣計算節點實現站端信息匯聚與本地智能決策，并經無線通信接入云主站系統。實現中低壓全景感知、故障就地快速研判、電能質量優化提升、臺區營配融合貫通、臺區線損精益管控、低壓精準運維支撐等功能，并結合供電服務指揮平臺與搶修站，實現故障快速搶修與供電快速恢復。

3.2實現業務功能

融合終端通過配電主站通訊APP實現與配電主站通訊，通過營配交互APP實現融合終端與營銷主站的通信。另外安裝如智能開關APP、低壓拓撲應用APP、分路分段線損計算APP、三相不平衡監測與治理APP、低壓故障就地研判APP、可開放式容量監測APP、站房環境監測APP、分布式電源靈活消納和智能運行控制APP等，可實現與低壓智能開關通信連接、臺區拓撲識別、線損計算、故障研判、低壓可靠性分析、可開放容量分析及分布式電源控制和電動汽車有序充電等功能。

（1）設備運行狀態監測

智能融合終端通過與臺區內智能物聯斷路器、用戶電表、智能電容器、智能站房、巡檢機器人、光伏逆變器、充電樁等設備進行數據交互，實現低壓配電臺區全景狀態感知，實現配電室及表箱內高低壓設備的運行狀態監視、并提供設備狀態信息變化及異常信息告警提示。

實時采集配變低壓側總的三相電壓、電流、功率等電氣參數及刀閘位置、出線開關位置、門鎖狀態等開入狀態;實現基本配變數據分析功能;電壓偏差、頻率偏差;臺區越限、缺相、失壓、斷電等異常告警。

（2）低壓拓撲應用

形成以低壓智能開關為節點的拓撲關系，并結合主站下發拓撲相互校核的方式，實現臺區拓撲關系維護，包括臺區設備資產編號、開關層級關系、從屬關系、戶變關系、戶表檔案等信息比對，為臺區形成可靠拓撲關系提供保障。

（3）低壓故障研判

基于臺區拓撲圖，結合融合終端、開關、電表停復電狀態。綜合研判臺區故障的最上游節點，如果是智能開關故障，上送開關跳閘原因（如手動，短路過流，剩余電流越限等）。

（4）電能質量監測與分析

通過計算臺區三相不平衡度，當不平衡度偏差較大，調節出線開關相位可做到粗調;當偏差值已被調節較小時，可以調節表箱開關和戶表的相位來細調。

（5）線損分析

以臺區低壓智能開關為節點，根據拓撲關系實時監測電壓、電流、有功、凍結電量等關鍵數據，就地分析計算，實現線路分時、分路、分段線損計算，有效支撐線損治理、竊電核查等工作開展。

（6）無功補償

通過終端與智能電容器/SVG通信，具備三相電壓、電流、功率因數、諧波、開關狀態等功能，實現無功補償調節裝置調節狀態、補償方式、功率因數、投入容量等數據實時采集。

（7）供電可靠性分析

終端根據用戶停復電時間統計用戶月/年/總停電時間，并計算臺區停電總時戶數和臺區供電可靠率。

（8）綜合能源接入監測

光伏電源接入監測：在光伏并網近端加裝通信采集單元，光伏并網處加裝電壓感知設備，并接入智能融合終端。融合終端分析運行工況、諧波、電壓、頻率等，實現光伏并網控制。

分布式電源管理：本地化監控分布式電源接入，初期實現分布式電源運行數據實時本地化監測，繼而分析分布式電源對低壓臺區供電質量、供電能力的影響并提煉影響規律，最終實現智能融合終端對分布式電源接入的本地化管控，降低分布式電源的人力管理成本。

4結語

針對新型電力系統建設的現狀和預期目標，本文介紹了當前配電網的建設現狀，分析了在以新能源為主體的能源前景下，配電物聯網建設所要面臨的的業務形勢及要解決的問題。在新興技術的不斷引進下，研究在多源數據融合與協同優化的總體目標下，對微電網自我調節技術、分布式儲能能源就地靈活消納技術、柔性負荷互動調控技術和交直流混合配電網等關鍵技術的分析與運用。最后提出了一種智能配電臺區主動運維的典型方案，對低壓配電臺區智慧物聯網的應用場景進行了探討。

參考文獻：

[1]許志成，彭志超，楊怡等 基于邊緣計算+區塊鏈技術的源網荷儲系統架構。電力信息與通信技術，2020年第18卷第9期

[2]莆天驕，陳乃仕，王曉輝等 主動配電網多源協同優化調度架構分析及應用設計 電力系統自動化

[3]陳艷，宋英華 新型配電物聯網后臺系統架構設計與關鍵技術研究 DOI： 10.19421/j.cnki.1006-6357.2020.02.007

作者簡介：

薛媛，女，維吾爾，新疆，1985.02，本科，工程師，

湖北省水利水電規劃勘測設計院430070 研究方向：電氣設計