配電臺(tái)區(qū)全景信息采集及智能組網(wǎng)技術(shù)

文/金鵬 李垚 張雨琳

（1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司 遼寧省沈陽(yáng)市 110021）

（2.東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 遼寧省沈陽(yáng)市 110819）

1 引言

近年來(lái)，電網(wǎng)公司逐步開展老舊臺(tái)區(qū)自動(dòng)化、信息化改造，探索配電臺(tái)區(qū)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)分析、拓?fù)渥R(shí)別、線損分析、故障定位保護(hù)等應(yīng)用，試點(diǎn)了營(yíng)配調(diào)融合的管理模式，提出了智能配電臺(tái)區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化、成套化建設(shè)理念，發(fā)布并推廣了配變終端、智能配電單元等臺(tái)區(qū)內(nèi)設(shè)備的功能規(guī)范。

在“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”[1]、“能源互聯(lián)網(wǎng)”[2]建設(shè)穩(wěn)步向前推進(jìn)的社會(huì)背景下，配電網(wǎng)所承載的功能也在改變。特別是在分布式可再生能源大規(guī)模接入導(dǎo)致的集群效應(yīng)日益凸顯、電動(dòng)汽車數(shù)量與日俱增、綜合能源系統(tǒng)將異質(zhì)能源系統(tǒng)耦合到一起以及用戶側(cè)用能需求多樣化和不斷增長(zhǎng)的現(xiàn)實(shí)下，配電網(wǎng)已不再是傳統(tǒng)上單向電能提供商，而是向著能量雙向流動(dòng)與提供高級(jí)服務(wù)的方向轉(zhuǎn)變?，F(xiàn)行配電網(wǎng)存在量測(cè)覆蓋率低[3]、配網(wǎng)設(shè)備規(guī)模龐大但標(biāo)準(zhǔn)化程度低[4]、用戶多樣化需求服務(wù)能力不足[5]等諸多問(wèn)題。因此，對(duì)當(dāng)前配電網(wǎng)進(jìn)行改造和功能升級(jí)，提高其自動(dòng)化、信息化、智能化水平，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)信息全面感知成為配電網(wǎng)改造工作中的當(dāng)務(wù)之急。

本文簡(jiǎn)要闡述了配電臺(tái)區(qū)全景信息采集技術(shù)及智能組網(wǎng)技術(shù)，為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)進(jìn)程中老舊配電臺(tái)區(qū)的改造提供了一種切實(shí)可行的路徑。

2 全景信息采集技術(shù)

信息感知作為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ)，是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的重要的信息來(lái)源。下面簡(jiǎn)要介紹數(shù)據(jù)的收集、清洗、壓縮和融合等信息感知技術(shù)。

2.1 數(shù)據(jù)收集

數(shù)據(jù)收集是信息感知的最基本形式，是感知節(jié)點(diǎn)將感知到的數(shù)據(jù)匯集到匯聚節(jié)點(diǎn)的過(guò)程，其最注重的是數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕鬀]有損失。在不同應(yīng)用中，數(shù)據(jù)收集對(duì)可靠性、高效性、網(wǎng)絡(luò)延遲、網(wǎng)絡(luò)吞吐量等指標(biāo)有不同程度的要求，需根據(jù)具體情況而定。目前，多路徑傳輸和數(shù)據(jù)重傳等方法因可有效保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃远跓o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中被廣泛應(yīng)用。

2.2 數(shù)據(jù)清洗

由于環(huán)境等客觀因素的影響，獲取到的感知數(shù)據(jù)通常不全部是有效的，很多時(shí)候異常、錯(cuò)誤、噪聲數(shù)據(jù)會(huì)占有相當(dāng)比例。因此，為了獲取一致有效的感知信息，需要對(duì)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和離群值判斷處理。數(shù)據(jù)清洗可在感知節(jié)點(diǎn)、局部或整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍進(jìn)行，應(yīng)用較為靈活。數(shù)據(jù)清洗有多種方法，常用的有概率統(tǒng)計(jì)、近鄰分析和分類識(shí)別等。

2.3 數(shù)據(jù)壓縮

對(duì)于規(guī)模較大的網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳輸量也會(huì)相對(duì)較大，利用數(shù)據(jù)壓縮可以有效減少數(shù)據(jù)量從而減輕傳輸壓力。數(shù)據(jù)壓縮的方法多種多樣，各有特點(diǎn)。以基于小波變換的壓縮方法為例，其原理是先在單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行小波壓縮，然后將眾多節(jié)點(diǎn)壓縮后的數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行集中處理，從而達(dá)到減少網(wǎng)絡(luò)通信開銷的目的。

2.4 數(shù)據(jù)融合

數(shù)據(jù)融合是對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理的過(guò)程，目的是獲得確定的信息。按照數(shù)據(jù)處理層次的不同，可分為數(shù)據(jù)層融合、特征層融合和決策層融合。對(duì)于數(shù)據(jù)層，通常采用概率統(tǒng)計(jì)、回歸分析和卡爾曼濾波等傳統(tǒng)方法以有效消除冗余信息，去除噪聲和異常值。對(duì)于特征層或決策層，通常采用D-S證據(jù)理論、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及語(yǔ)義融合等技術(shù)以實(shí)現(xiàn)事件檢測(cè)、狀態(tài)評(píng)估和語(yǔ)義分析等高層決策和判別。

圖1：星型結(jié)構(gòu)

圖2：mesh結(jié)構(gòu)

圖3：配電變壓器功能示意圖

3 智能組網(wǎng)技術(shù)

3.1 基于LoRa的組網(wǎng)技術(shù)和通訊模式

LoRa使用范圍廣泛，目前我國(guó)對(duì)LoRa的使用頻段嚴(yán)格要求為230MHZ。LoRa有兩種組網(wǎng)模式，分別是星型結(jié)構(gòu)和mesh結(jié)構(gòu)。在星型結(jié)構(gòu)中，每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)直接通信，不經(jīng)過(guò)中間節(jié)點(diǎn)。mesh結(jié)構(gòu)中，一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)可作為其他終端節(jié)點(diǎn)的中轉(zhuǎn)站，形成多跳通信模式。兩種組網(wǎng)結(jié)構(gòu)分別如圖1、圖2所示。

星型結(jié)構(gòu)在時(shí)延、能耗、可靠性、復(fù)雜度、容量等方面性能更優(yōu)，所以應(yīng)用更為廣泛。在星型結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)關(guān)與終端的通信方式可分為輪詢模式和并發(fā)模式。輪詢模式中采用遍歷方式，每個(gè)節(jié)點(diǎn)分時(shí)與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行信息的收發(fā)和確認(rèn)，直至N個(gè)節(jié)點(diǎn)遍歷結(jié)束，N個(gè)節(jié)點(diǎn)遍歷一次為一周期。并發(fā)模式中，網(wǎng)關(guān)可同時(shí)與多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，可以同時(shí)接受8、16、32路，甚至更多的并發(fā)數(shù)據(jù)。

圖4：配電變壓器泛在電力物聯(lián)終端

圖5：故障錄波系統(tǒng)監(jiān)測(cè)情況

圖6：APP巡檢系統(tǒng)運(yùn)行狀況

3.2 MQTT協(xié)議

MQTT協(xié)議是一個(gè)基于客戶端-服務(wù)器的消息發(fā)布/訂閱（Pub/Sub）傳輸協(xié)議，因其輕量、簡(jiǎn)單、開放且易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)而廣泛被廣泛應(yīng)用，如機(jī)器與機(jī)器（M2M）通信和物聯(lián)網(wǎng)。發(fā)布/訂閱模式，方便消息在傳感器之間傳遞。

4 工程應(yīng)用

鞍山供電公司于2017年進(jìn)行了第一代配電變壓器智能化終端的研發(fā)工作，獲得相關(guān)專利的授權(quán)。并榮獲遼寧省公司新技術(shù)應(yīng)用獎(jiǎng)。通過(guò)該終端的應(yīng)用，成功發(fā)現(xiàn)了某配電變壓器低壓接線端無(wú)緣故異常溫度故障，避免了變壓器燒毀的事故。

經(jīng)過(guò)兩年的發(fā)展及逐步研發(fā)，現(xiàn)已基本完成了第三代變壓器智能化終端的研發(fā)工作。該終端具備配電變壓器場(chǎng)景全面感知能力、縱向大數(shù)據(jù)分析處理能力、人工智能在線分析能力、未來(lái)狀態(tài)預(yù)測(cè)能力、多渠道互聯(lián)能力、用電習(xí)慣分析能力、分布式能源的智能接入計(jì)算能力。圖3為配電變壓器功能示意圖，圖4是配電變壓器泛在電力物聯(lián)終端實(shí)物圖。

本工程應(yīng)用中的變壓器智能化終端提前使配電變壓器的智能化及物聯(lián)組網(wǎng)成為可能，在解決配電變壓器智能運(yùn)維的同時(shí)，為配電網(wǎng)絡(luò)的泛在屬性提供了一種新的思路。

針對(duì)本工程，鞍山供電公司研發(fā)了一套電力故障錄波裝置，用于電力系統(tǒng)故障監(jiān)測(cè)。鞍山供電公司研發(fā)的配電網(wǎng)故障錄波系統(tǒng)專用于35kV及以下配電網(wǎng)絡(luò)，具有可靠性高、性價(jià)比高、準(zhǔn)確率高的特點(diǎn)。圖5為故障錄波系統(tǒng)監(jiān)測(cè)情況。

此工程中還應(yīng)用到了APP巡檢系統(tǒng)，相比于筆記本電腦的笨重，手機(jī)的應(yīng)用更容易被人接受。一款強(qiáng)大的APP軟件，不僅可以給運(yùn)行巡檢帶來(lái)方便，也可以解決以往不能很好解決的問(wèn)題。變壓器智能巡檢系統(tǒng)采用APP軟件作為交互媒介，解決了以往智能設(shè)備過(guò)度依賴電腦的問(wèn)題，運(yùn)行簡(jiǎn)單可靠。使用者通過(guò)手機(jī)即可完成設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的查看、數(shù)據(jù)下載、點(diǎn)檢簽到等操作，方便快捷。圖6為APP的運(yùn)行展示。

5 結(jié)論

未來(lái)，隨著泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的深入建設(shè)，配電變壓器泛在電力物聯(lián)終端將逐漸應(yīng)用?？梢灶A(yù)見，配電變壓器泛在電力物聯(lián)終端的大量應(yīng)用將大大提高配電變壓器的智能化程度，使之具備智能互聯(lián)，智能判別，智能預(yù)測(cè)，故障追溯，新能源智能接入等功能，也將為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中配電環(huán)節(jié)的建設(shè)提供一種新的思路。