10kV配電臺區智能化的設計研究

鄭鍵雄

（廣東電網有限責任公司中山供電局，廣東 中山 528400）

0 引 言

近幾年，隨著智能電網的發展，用戶對用電可靠性以及供電質量等方面提出了更高的要求。配電臺區作為用戶和電力系統之間連接的關口，也面臨著向智能化方向轉型升級的需要。但配電臺區中存在設備結構形式不統一、智能化程度低以及搶修運維復雜等問題，無法充分滿足現代智能配電臺區的管理和發展需求。基于此，文章根據《配電網規劃設計技術導則》(Q/CDW 1738—2012)規范中對10 kV 配電網規劃設計的要求，從配電網自動化和配電臺區智能監控系統設計等方面，對配電網智能化發展展開全面探究[1]。

1 針對10 kV 配電臺區智能化試點區域的選擇分析

由于現階段國內對配電臺區的智能化設計研究處于起步階段，10 kV 配電臺區的智能監控系統設計應當基于配電網規劃設計，結合地方配電網結構、用戶性質以及負荷密度共3 個方面，選擇所需要的設備和設計方案。所以，在進行配電臺區智能監控系統設計時，還應當對用戶較多、供電線路半徑合理以及高密度負荷的臺區進行考慮。同時，針對配電臺區的智能監控通信系統建設時，應當保留能夠和其他系統連接的接口。

2 10 kV 配電臺區的智能監控系統設計研究

2.1 配電臺區智能監控系統總體架構設計

為更好地解決10 kV 配電臺區中存在的設備運維困難、工作量大等問題，提出了一種配電臺區智能監控系統。該系統的設計主要包含了配電區域通信、智能配電臺區監控平臺以及智能配電臺區一二次設備等部分。其中，從配電臺區智能監控平臺方面來看，通過配置一臺工作站和服務器，并將設備安裝在配網地搶修應急指揮中心或者其他需要的地方，可以為供電企業配電管理人員提供數據分析服務、數據存儲服務、數據監控服務以及預警發布服務等服務功能。同時，本平臺的設計不僅能夠與其他系統進行互相通信，還可以利用Web瀏覽器，發布信息到企業內部網絡當中。配電臺智能設備設計方面主要包含了永磁換相開關設備、低壓永磁開關設備、智能變壓器設備、計量表設備、無功補償設備、智能一體化配電箱以及集中器共7 個部分。而監控系統與智能一體化配電箱之間主要通過利用5G 移動通信網絡，實現通信連接；配電臺區的設備和智能配變終端2 者之間，主要利用無線傳感器實現網絡通信[2]。具體10 kV 智能配電臺區監控系統總體架構，如圖1 所示。

圖1 10 kV 配電臺區的智能化監控系統總體架構設計框圖

2.2 系統結構選擇

配電臺區的智能化監控系統設計主要采用分布式體系結構，但不同的應用所分布的計算機節點也不相同。因此，在針對配電臺區智能化監控系統建設時，應當以節約成本為原則，選擇合適的結構。而系統結構又分為單機單網型、雙機雙網型以及單機集中型共3 種結構類型。針對在對系統結構的選擇時，應當充分結合地方配電臺區的相關管理體制與智能配電臺區建設的規模，對架構進行升級。當將配電臺區的監控系統網絡和其他網絡之間進行互聯時，需要增添網絡防火墻、Web 服務器，進行雙向隔離設備配置，然后在公網通信方面同樣要增設防火墻，以保障數據傳輸的安全[3]。其中，雙機雙網型結構設計主要包含了網絡冗余配置和硬軟件，主設備與備用設備主要利用自動切換或者手動切換的方式實現無縫切換，保障臺區數量多、數據量大的區域供電的可靠性。從單機集中型方面來看，該類型的系統結構主要適合應用在臺區數量少的地方。其系統軟件功能可以充分滿足10 kV 智能配電臺區的需求。

2.3 配電臺區智能主站系統設計

10 kV 智能配電臺區的主站系統，主要配置在配網應急搶修指揮系統當中。從功能設計方面來看，主站系統主要包含了配電臺區資產管理、系統接口功能、系統管理功能、視頻處理功能、配電數據采集與監視控制系統（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）、短消息發布功能、統計分析共7 種功能，實現了配電臺區的數據智能監測和統計分析。其中，系統接口設計主要起到主站系統與其他系統的接口連接。系統管理模塊的設計，主要起到對日志、材料以及用戶權限管理的作用。配電模塊的設計主要實現了對配電臺區的數據進行采集和處理，以及對數據庫的實時管理、報警處理等。從統計模塊上來看，該模塊的社會主要實現了對配電臺區中的用電情況、電能質量統計、臺區線損以及故障問題等方面進行統計分析[4]。

2.4 智能一體化綜合配電箱設計

智能一體化配電箱的設計，主要起到對變壓器的數據進行監測、保護、控制、臺區計量、戶表信息采集、無功補償以及出現剩余電流的保護、三相調節以及設備狀態監測等作用。現階段國內的配電臺區主要由10 kV 配電變壓器、接地裝置、普通低壓配電箱（部分臺區無配電箱）以及10 kV 避雷器以及熔斷器共5 個部分組成。同時，大部分配電臺區中并沒有補償設備和監控設備。因此，研究設計功能模塊化和結構一體化的智能配電臺區設備，能夠有效提高供電的質量和可靠性。并且，在智能配電箱設計時，應當充分考慮絕緣問題，所以文章選擇一體化機構進行設計，不僅方便了接線的連接，還為后期的擴容以及運維管理等提供了便利。利用標準元件接口以及元件序列，能夠有效解決元件與元件之間的互聯問題。最后，在配電箱中加入低壓配電開發熱插拔技術，可以在不斷電的情況下，實現接口的靈活插接，并起到防誤操作保護的作用[5]。

2.5 永磁換相開關設計

永磁換相開關的設計主要解決了不平衡負荷切換問題。通過在用戶表箱中配備永磁換相開關，能夠在對負荷不平衡現象監測時，可以起到部分負荷自動互相切換的作用，以及保持三相負荷平衡的作用。此外，換相開關的配備，起到了對漏電電流保護功能和數據采集功能等作用。

2.6 通信模塊的設計

針對10 kV 配電臺區智能監控系統的通信模塊設計，文章選擇利用5G 無線通信網絡來實現數據通信與數據傳輸。同時，針對采集層的通信方式，選擇利用ZigBee 無線通信方式來滿足系統的通信要求。具體通信模塊的設計可以結合配電臺區的實際情況來選擇對應的通信系統。一般通信方式主要分為有源/無源光纖專網、配電線路載波通信、無線虛擬專用網絡（Virtual Private Network，VPN）以及無線公網等多種通信方式[6]。

2.6.1 配電線路載波通信

該通信方式主要利用調制解調技術、信道編碼技術、耦合結合技術、網絡通信技術以及前端模擬技術等多種技術，借助額低壓配電網為傳輸介質實現通信服務。這樣能夠有效避免無光纜或者基站的情況，僅需要在配電站配電終端上配備主、從載波設備即可實現通信。

2.6.2 網絡VPN

VPN 主要是通過在公網上建立起來的網絡技術，并且整個網絡中的任意2 個不同節點之間的連接，不存在傳統網絡所需要的端到端物理鏈路，只需要在公用網絡服務商所提供的相關平臺上以中繼的方式實現網絡數據傳輸[7]。具體不同通信方式的對比如表1所示。

表1 不同類型的通信方式對比分析

2.7 分布電源接入設計

近幾年，隨著太陽能、風能等清潔能源的開發利用，在配電臺區智能化設計時，應當對分布電源的接入進行考慮。分布式電源主要通過利用發電設備或者儲能裝置實現和城市智能配網連接。而城市智能配電網中分布式電源可以結合電源容量的大小，實現數據傳輸與通信。

2.8 配電臺區智能自感知機制設計

為了更進一步構建智能化、安全可控的電力系統，可以從配電臺區的自動化程度以及自愈能力等方面為切入點。其中，配電臺區的自愈能力作為智能電網中的一部分，可以通過提高智能配電臺區的自感知能力，并以傳感器以及配電箱一體化融合設計為基礎，促進設備的自診斷能力以及感知能力得到提升，從而實現對配電箱當中的設備運行狀態進行控制與感知，并對配電臺區中的低壓設備故障進行預警。

3 工程實例分析

為了進一步證明10 kV 配電臺區智能化設計的可行性，文章以某個城區的配電臺變智能化建設工程為例，對其進行研究。首先，此配電臺區的智能化設計中，已知配電臺區的電源來自10 kV 線路，經過配電變壓器之后，轉變成了0.4 kV，同時擁有3 條低壓出線，主要負責臺區方面的電力供應。其次，本臺區當中分別擁有1 臺容量為120 kVA 的無功補償柜、1 臺變壓器以及JB 柜和計量箱。最后，整個臺區中的三相用戶共有30 戶，單相用戶共有227 戶，其平均負荷率為31%，而電流的平均不平衡度為30%。

3.1 工程具體內容

首先，在此配電臺區中配備1 臺具有載調容功能的變壓器，利用分布混合與共補的方式實現無功補償，并利用復合開關實現對電容器投切的控制。其次，為了能夠滿足子線調節負荷的能力，還增添了換相開關。最后，利用智能配變終端實現了對配電臺區的線路數據、線損、用戶負荷曲線、開關狀態以及電壓電流的數據等進行采集、匯總、傳輸以及分析，從而實現對配電臺區的智能監控[8]。

3.2 具體成效

通過更換有載調容變壓器后，該配電臺區的負載率小于每天10%時，設運行時間為5 h，其年節約電量能夠達到383.41 kW·h。利用智能監控系統，實現了配電網的有序跳閘與實時監控。

4 結 論

配電網的智能化設計發展是實現智能電網建設的組成部分之一，文章通過對當前10 kV 配電臺區中存在的不足進行分析，提出了一種智能配電臺區監控系統設計方案，并對該系統的主要功能以及設備接入進行了闡述。最后，經實例驗證本系統的設計，切實可行地提高配電臺區的智能化水平，不僅有效滿足了配電臺區的保護需求以及用戶對供電能力、質量方面的新要求，還促進了配網供電能力的安全性和可靠性，對促進國內城市配電網智能化發展具有重要現實意義。