基于智能融合終端的臺區運行狀態監測系統設計

徐崢，王貴海，王思南，羅中，趙元

（1.國網北京海淀供電公司，北京 100031；2.北京電力自動化設備有限公司，北京 100044）

傳統配電臺區智能終端通常只具備某一特定功能需求，如用電數據采集、開關狀態監測、環境狀態信息采集等，且缺乏統一標準，設備接口與系統架構通常存在兼容性問題。通信網絡帶寬、時延、可靠性等與配電臺區數據實時傳輸交互需求也存在一定差距[1-4]。

低壓配電臺區分布分散、設備眾多，目前其運行管理、運維質量、控制模式距離智能化運維與服務要求尚存在一些差距[5-9]，主要體現在：1）配電變壓器、開關節點、JP 柜等缺乏感知設備，分布式能源與充電樁等新能源的用電情況、臺區網絡拓撲與電氣參數也難以有效識別[10]，導致無法主動感知重要設備運行狀態和臺區內用戶用電情況；2）臺區異常運行狀態感知和故障排查依賴于人工巡檢，工作量大且效率低。當前的配電臺區運維管理仍停留在相對粗獷的“被動搶修”水平[11-12]，無法引導用戶有序用電，進而影響低壓配電網的電能質量和穩定運行。

基于此，開展了臺區智能融合終端及運行狀態監測系統的設計研究，以期實現低壓臺區運行異常狀態的智能精準識別。

1 臺區智能融合終端設計方案

臺區智能融合終端部署在配變出線側，處于主站與終端設備的中間，負責向主站提供低壓配電臺區的運行狀態、設備狀態、環境信息及其他基礎數據。同時，具備對其所連接的終端下發上層決策或直接就地控制的功能[13]。

1）硬件架構：臺區智能融合終端的系統架構，如圖1 所示。其采用模塊化的設計原則，硬件模塊主要包括CPU、顯示模塊、交流采樣模塊、電源模塊、上行通信模塊和下行通信模塊等。CPU 是臺區智能融合終端的核心，負責所有的控制、通信功能；顯示模塊用于與運維人員的人機交互；交流采樣模塊實現交流強電信號的轉換、采集和計算等功能；電源模塊為臺區智能融合終端提供穩定的工作電源；上行通信模塊負責臺區智能融合終端向上級主站傳輸監測數據；下行通信模塊負責臺區智能融合終端與下級終端設備控制指令等的信息交互。

圖1 臺區智能融合終端系統架構

2）軟件平臺方案：臺區智能融合終端的軟件平臺設計方案，如圖2 所示。該終端具備邊緣計算節點特性，該文基于“硬件平臺化、軟件APP 化、高度標準化”的設計理念，采用開放型技術架構將數據采集、通信、控制三類接口進行封裝。根據具體應用需求進行組合，既支持不同廠商的硬件產品，又避免了硬件資源的浪費。同時通過虛擬容器技術在Linux空間實現不同應用的獨立封裝部署，滿足通信、采集、控制管理需求，具備設備運行監控、拓撲自動識別、電能質量治理、分布式能源管理、故障預警上報以及用戶互動服務等功能。

圖2 臺區智能融合終端軟件平臺設計方案

3）通信網絡方案：通信網絡方案設計，如圖3 所示。臺區智能融合終端依托廣泛的本地通信協議和大量設備接口，為不同種類終端設備的接入提供平臺，進而實現了信息集成。其可以為配電物聯網運行設備狀態信息感知、用電數據抄收、配變監測、通信組網、本地化分析決策機制提供支撐。通過高速載波通信實現電能表、分布式光伏、充電樁等設備信息采集，利用RS-485 實現斷路器、分支開關、補償電容器、漏電保護斷路器等設備的信息采集；通過射頻技術與溫度、濕度傳感器通信，實現環境信息采集。

圖3 臺區智能融合終端通信網絡方案

2 臺區運行狀態監測系統設計

2.1 系統整體架構

該文設計的基于智能融合終端的臺區運行狀態監測系統框架如圖4 所示[14-16]，臺區運行狀態監測系統采用“云、管、邊、端”四級架構。

圖4 基于智能融合終端的臺區運行狀態監測系統框架

1）“云”：指云化的主站，將營銷系統、PMS2.0 系統、供服平臺、調度系統等多平臺數據有機融合，實現業務應用功能的協同自治。

2）“管”：指主站與邊緣設備的數據傳輸通道，目前常規的通道為4G 無線公網或230 Mbit/s 無線專網，具備數據加密性優、實時性強的特點。

3）“邊”：指處于低壓配電網臺區設備側的分布式智能終端，其采集設備運行數據，通過邊緣計算等方式識別臺區異常運行狀態，實現臺區就地智能化管理。

4）“端”：指低壓配電臺區中直接感知運行狀態或執行控制命令的主體元素，包括一次設備、二次裝置、智能傳感器、通信單元等。

該文設計的智能融合終端屬于“邊”設備，也是低壓配電臺區運行狀態監測的關鍵。

2.2 系統功能設計

基于智能融合終端的臺區運行狀態監測系統功能結構如圖5 所示，主要包括用電數據分析、環境信息監測、變壓器狀態監測和其他輔助功能。

圖5 臺區運行狀態監測系統功能結構

1）用電數據分析：臺區智能融合終端通過采集電能表實時電能示值、日零點凍結電能示值、抄表日零點凍結電能示值、電能數據采集時的時標等數據，從而實現監測電壓偏差、電壓合格率和電壓超限率統計，異常用電行為識別、告警以及故障定位。終端還可以對電能表運行狀態進行監測，包括電能表參數變更、電能表時間超差、電能表故障信息、電能表示度下降、電能量超差、電能表“飛走”、電能表停走、相序異常、電能表開蓋記錄、電能表運行狀態字變位等。

2）環境信息監測：在室外配電箱、配電房、變壓器等需要監測環境狀況的位置可以配置溫濕度傳感器，通過臺區智能融合終端獲取相應信息數據，實現環境信息的監測和智能控制。

3）變壓器狀態監測：臺區智能融合終端通過采集配變低壓側的三相電流和電壓，可有效監測電壓、電流、功率因數、三相不平衡度、電壓偏差、諧波含量、配變負載率等電氣參數，實現了基本配變監測功能。終端還可以對抽頭檔位、繞組溫度、風機啟停情況等變壓器狀態信息進行監測。

4）其他輔助監測：臺區智能融合終端可通過RS-485 等通信接口與智能電容器、智能換相開關等電能質量治理設備進行通信，實現治理設備的投切容量、共補/分補狀態等信息監控。

同時終端還可與漏電保護動作保護器通信，獲取其分斷狀態，設定保護值，對故障事件進行監測告警，并通過載波通信等通信方式實現低壓臺區用戶側運行狀態等信息的遠程采集與管理。

3 算例分析

以北京市某供電局臺區的現場環境進行仿真測試，驗證該文所提基于智能融合終端的臺區運行狀態監測系統設計方案的有效性。該臺區基礎信息，如表1 所示。

表1 某供電局臺區基礎信息

3.1 系統監測功能

基于融合終端的臺區運行狀態監測系統，對該臺區變壓器于2021 年2 月16 日-2021 年2 月17日的三相不平衡度、三相電壓、功率因數、負載率進行監測分析。

1）三相不平衡度

該臺區A 相負荷較大、B 相負荷較小，三相不平衡度為3%～48%，大部分時間超過了三相不平衡度限值15%。該臺區的三相不平衡較嚴重，需調整負荷接入相序結構。

2）三相電壓

該臺區變壓器三相電壓范圍為240～264 V，處于合理運行區間。

進一步計算臺區末端電壓，計算結果如表2 所示，其最小值為203.5 V，電壓偏差小于10%，在合格運行范圍內。

表2 該臺區末端電壓計算結果

3）功率因數

該臺區變壓器功率因數范圍為0.75～0.99，最小功率因數遠低于功率因數限值0.90，因此需要配置無功補償裝置。

4）配變負載率

該臺區變壓器負載率為9.8%～40.2%，監測時間內53.2%的時間處于輕載運行狀態，46.8%的時間處于經濟運行狀態，該配變容量能夠滿足當前的負荷需求。

5）線損分析

應用所設計系統，對該臺區2020 年12 月份的線損進行分析，結果如表3 所示。2020 年12 月份該臺區實際線損率為8.35%，理論線損率為6.21%。

表3 該臺區末端電壓計算結果

3.2 系統應用成效

應用該文設計的臺區運行狀態監測系統對該臺區2020 年1 月～12 月進行監測，異常運行狀態監測結果如表4 所示。

表4 異常運行狀態監測次數(單位：次)

由表4 可知，在應用該系統進行監測期間內，累計發現異常用電行為27 次、重過載278 次、三相不平衡323 次、低電壓219 次、缺相斷電32 次。在監測期間，成功處理重過載、低電壓事件共116 起，平均異常運行狀態處理時間由原先的35.2 min減少為18.7 min。可見，該文所提系統能夠輔助運維人員開展重過載、低電壓等異常運行狀態篩選核實，大幅節省了人工排查時間，保障了臺區的安全、穩定運行。

4 結束語

該文分析了智能融合終端的軟硬件方案，開展了智能融合終端在低壓臺區輔助運維的應用研究，提出了基于智能融合終端的臺區運行狀態監測系統架構和功能設計方案。通過北京市某供電局臺區進行的測試驗證結果表明，文中所提系統能夠智能實時監測臺區變壓器的三相電流、三相不平衡度、三相電壓和功率因數等運行參數。通過應用所設計系統能夠發現異常用電行為，監測重過載、低電壓等事件，保障臺區的安全、穩定運行。但文中設計運行狀態監測僅適用于系統主站，為方便工作人員現場作業有必要研究設計相應APP 軟件，這將在后續研究中開展。