探索基于電力物聯(lián)網(wǎng)的精品臺區(qū)建設新模式

國網(wǎng)勝利（東營）供電有限公司 仲崇山 管明睿 劉 筠 山東德源電力科技股份有限公司 張洋洋 張 坤

2020年4月2日國家電網(wǎng)公司召開“新基建”工作領導小組第一次會議，深入貫徹總書記重要講話和指示精神，加快新基建建設，加快建設具有中國特色國際領先的能源互聯(lián)網(wǎng)體系，著力于提質增效，提高裝備使用率，帶動全社會產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，履行社會責任，發(fā)揮大國重要作用。深入推進數(shù)字技術與電網(wǎng)技術融合發(fā)展，在電網(wǎng)全環(huán)節(jié)推進數(shù)字化轉型是實現(xiàn)公司戰(zhàn)略目標的關鍵所在。大力加快推進數(shù)字化配網(wǎng)建設，加快推進配電網(wǎng)智能化升級和管理數(shù)字化轉型，是公司貫徹落實中央“新基建”戰(zhàn)略部署的重要舉措，也是建設能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的內在要求。

400V 配電網(wǎng)絡結構正在悄然改變：太陽能等分布式能源的開發(fā)利用，有源電網(wǎng)需要關注局部區(qū)域的潮流；電動汽車的逐步普及，大規(guī)模的充電樁投運會對臺區(qū)造成沖擊，需對充電樁進行約束運行管控，進一步優(yōu)化資源利用效率。

1 建設必要性

電網(wǎng)精益管理向低壓延伸。400V 低壓配網(wǎng)長期以來屬于監(jiān)控盲區(qū)，400V 末端電能管理亟待整體提升，一是低壓電網(wǎng)設備空間分布廣，作業(yè)半徑大，交通耗時多；二是低壓電網(wǎng)生產(chǎn)作業(yè)是全天候、7×24小時、全年無休的模式，且夜晚等特殊時段工作效率低；三是專業(yè)分工細、工序分段多、工作交接頻繁，協(xié)同效率不高；四是專業(yè)目標不統(tǒng)一、業(yè)務數(shù)據(jù)不標準、數(shù)據(jù)無法貫通共享、存在專業(yè)壁壘，影響公司整體工作效率提升。

低壓運維工作標準亟待提升。近些年生產(chǎn)電網(wǎng)工作質量得到了巨大提升，但仍有潛力可挖。主要體現(xiàn)在五方面：安全目標對工作差錯零容忍；工作質量因組織層級多、傳達時間長，存在層層衰減；巡視、檢測類工作彈性大，成效顯現(xiàn)滯后，工作監(jiān)管成本大，難推進；人員素質不一，工作質量差異性大，尤其零散的外包業(yè)務；生產(chǎn)工作大多為機械性重復工作，容易產(chǎn)生倦怠[1]。

低壓供電可靠重要性日益凸顯。在新興的能源生產(chǎn)與消費模式不斷出現(xiàn)背景下，供電公司的客戶服務需要電力系統(tǒng)更可靠的運行：一是客戶的服務預期不斷提高，需不斷改善服務質量，獲得電力指數(shù)提升；二是客戶維權意識強，需約束、規(guī)范各類運營行為；三是美麗環(huán)境的要求，需更科學地規(guī)劃、建設、運維電網(wǎng)。

精準投資提質增效需求迫切。近兩年國網(wǎng)主業(yè)整體效益在下滑，需通過更精益化管理實現(xiàn)內部節(jié)約：一是社會要求運營成本進一步壓降，電價連續(xù)兩年大幅度下降；二是電網(wǎng)建設投資需要更精準；三是電網(wǎng)設備需差異化地開展檢修，降低全壽命周期管理的成本；四是節(jié)能降耗，需大幅降低管理線損并為技術線損提供靶向性指導依據(jù)。

2 技術方案

2.1 設計理念、整體架構、系統(tǒng)電氣結構

以“硬件平臺化、軟件App 化”為理念，應用分布式邊緣計算、物聯(lián)網(wǎng)通信和設備全面感知技術，構建以常規(guī)設備加智能感知終端設備為重要邊緣計算點的低壓配電網(wǎng)全息感知系統(tǒng)，最終實現(xiàn)低壓配電信息的全面感知，智能設備的靈活接入、即插即用，深度契合電力物聯(lián)網(wǎng)終端泛在接入、平臺共享開放、云霧協(xié)同計算、數(shù)據(jù)驅動業(yè)務、應用隨需定制等特征。

基于電力物聯(lián)網(wǎng)的新型智能臺區(qū)建設方案是通過在低壓臺區(qū)內安裝智能物聯(lián)設備與營配數(shù)字協(xié)同微應用平臺（以下簡稱智能平臺）及協(xié)同APP 相結合，除完成傳統(tǒng)的電力抄表功能外，還具備設備狀態(tài)智能分析、線損分段精益管控、表計精度在線診斷、多道防線硬核防竊電、掛接設備智能識別及服務行為一體化管理等功能，可全方位、系統(tǒng)化的提升低壓臺區(qū)精益化管理水平，從計量管理提升、節(jié)能降耗、反竊查違、減少設備投資、減少運維工作量五方面實現(xiàn)經(jīng)濟效益的大幅提升。

以模組化感知終端為核心，采用配電臺區(qū)與電氣拓撲智能識別技術，實現(xiàn)臺戶檔案關系精準校核、竊電分析與告警、線損分析與異常定位等功能[2]。在臺區(qū)側加裝臺區(qū)能源控制器，在電纜分支箱、末端計量箱側加裝模組化感知終端，實時感知分支、表箱的電流、電壓量測值以及計量事件，動態(tài)計算供入售出電量，自動繪制線損態(tài)勢可視化曲線，基于低壓拓撲關系定位異常線損位置點。

2.2 關鍵設備

基于電力物聯(lián)網(wǎng)的智能臺區(qū)中關鍵設備為智能物聯(lián)感知模組，智能物聯(lián)感知模組采用導軌式安裝，包含一個基礎單元和兩個擴展單元，形成了以感知模組為基礎、可擴展控制模組和防護模組的組合模式，每個單元都進行了可插拔的模組化設計，讓三個模組能進行自由搭配組合，并根據(jù)不同需求進行插拔式模組化的組裝，滿足不同客戶的不同要求。

感知模組是綜合高頻CPU、計量芯片、HPLC通訊芯片、安全加密芯片、臺區(qū)識別模塊等于一體的管理單元，其與臺區(qū)能源控制器上行通信傳輸選用寬帶電力線載波（HPLC）；下行通信RS-485接口用于智能電表抄讀，支持DL/T645、DL/T698.4通訊協(xié)議；近端配置低功耗藍牙模塊支持近距離無線及本地維護升級。通過內置電壓互感器和外置電流互感器實現(xiàn)高精度采樣，具備全量電參量采集能力，包括三相電壓、三相電流、瞬時有功功率、瞬時無功功率、瞬時視在功率、功率因數(shù)、電壓波形失真度、電流波形失真度、電壓諧波含量、電流諧波含量等；內置拓撲識別模塊，實現(xiàn)臺區(qū)自動識別、相位識別、臺區(qū)拓撲自動生成；內置高精度溫濕度傳感器，實時監(jiān)測箱體內的環(huán)境狀態(tài)。裝載了國網(wǎng)安全芯片，對身份認證、權限控制等進行了周密防護，保障數(shù)據(jù)的安全性和完整性[3]。

控制模組內置高性能的北斗定位模塊，具有高靈敏度、低功耗、小型化的特點，其極高追蹤靈敏度大大擴大了其定位的覆蓋面，滿足設備高精度準確定位的需求，結合感知模組自動上報故障事件，實現(xiàn)搶修人員制定的最優(yōu)路徑和實時地圖導航；內置的小尺寸、分辨率加速度傳感器，具有低功耗、耐沖擊性高及可編程的待機喚醒功能，能實現(xiàn)箱體的傾斜檢測、振動檢測、移動檢測等功能；內置門鎖控制模塊，具備智能鎖管理和控制功能，支持遠程開鎖和本地藍牙認證開鎖，實時反饋門鎖開關狀態(tài)。

防護模組內置熱釋電紅外人體檢測傳感器、強磁感應模塊、取證攝像裝置和SD 卡存儲，能檢測設備前方是否有人員在操作，并與智能箱鎖狀態(tài)進行聯(lián)動。當有非法侵入時防護模組觸發(fā)攝像裝置進行連續(xù)拍照存儲至本地留證，并通過感知模組上傳至主站觸發(fā)預警；實際工作時還可根據(jù)是否存在強磁干擾計量準確度，對非法開箱、竊電等異常行為進行實時監(jiān)控。

2.3 關鍵技術

基于工頻畸變信號通信的臺區(qū)歸屬關系識別技術。臺區(qū)側智能終端（能源控制器）與末端側智能終端（模組化終端）均內置基于工頻畸變信號通訊芯片，依托畸變信號不跨臺區(qū)、不跨相位且不易受環(huán)境干擾的特征，臺區(qū)側智能終端在注冊時或運行中定期通過畸變電流信號發(fā)送自身終端地址（臺區(qū)標識），末端側智能終端接收解析后即可獲知實際所屬臺區(qū)。

基于特征電流通信的臺區(qū)層級關系識別技術。末端側智能終端中內置可在線路零火線之間產(chǎn)生滿足一定頻域規(guī)律的特征電流信號的電阻，通過臺區(qū)側智能終端交采對線路電流信號進行實時采樣分析，記錄信號識別到的時間標，對時間標進行對比分析，繪制線路物理拓撲[4]。

基于主動時間補償?shù)亩〞r廣播校時方法。其相對于點對點校時方式具有較高的執(zhí)行效率和校時精度，同時具有較低的通信開銷，實際使用中一般采用該方式進行校時操作。在廣播校時方式下，標準Q/GDW1376.2—2013制定了TTU 可以查詢通信延時相關的廣播通信時長，以此來估計終端廣播校時過程中的信道延時估計值。除廣播通信信道延遲時間外，也要考慮在通信接口上的延遲并對其做出合理的估計。確保TTU 與LTU 和電能表之間的高精度時鐘同步，滿足分支線路用電信息特征量以時間片段分組。

3 實現(xiàn)功能

臺區(qū)拓撲動態(tài)辨識?；谑噶繑?shù)據(jù)精確到微秒級的同步采集，結合電氣特征量分析、寬帶網(wǎng)絡通信拓撲信息、通信信道品質等參數(shù)進行識別，輸出正確可信的識別結果，“邊端協(xié)同”完成拓撲關系的辨識，確保低壓臺賬準確可信，為降低管理線損，撕拉亂接以及竊電現(xiàn)象的迅速識別發(fā)現(xiàn)，提供可靠的基礎依據(jù)；全息狀態(tài)實時感知。通過安裝在各節(jié)點、分支的智能感知終端，可進行電氣量、狀態(tài)量、環(huán)境量的實時感知，可實現(xiàn)電流、電壓、矢量展示（幅值+角度），可管理周邊溫濕度、水浸、煙感、門節(jié)點等小微傳感器，實現(xiàn)環(huán)境狀態(tài)實時感知，可接入32路電表，實現(xiàn)營配數(shù)據(jù)同源。

即插即用功能。在新接入設備上電后，經(jīng)由能源控制器向主站發(fā)送注冊請求，主站根據(jù)入網(wǎng)設備基本信息判斷設備是否允許入網(wǎng)并進行入網(wǎng)許可。主站進行身份識別與認證后與一次系統(tǒng)圖進行關聯(lián)，主站下發(fā)設備定值和參數(shù)。設備認證通過后將自帶的銘牌信息上報至主站，主站自動完善設備檔案，從而實現(xiàn)新接入設備即插即用；實現(xiàn)“四遙”功能。實現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調功能。實現(xiàn)各層級節(jié)點的電氣量深度感知，設備信息遠程監(jiān)控，斷路器遠程分合閘以及遠程保護定值設置功能。

臺區(qū)線損精細化管理?；诘蛪和負潢P系和各層級節(jié)點智能感知終端/物聯(lián)監(jiān)測單元計量芯片進行電能量采集信息，實現(xiàn)分段、分相、分時多維度線損自動計算，提升低壓臺區(qū)線損精益管理，實現(xiàn)對于臺區(qū)更細粒度的線損感知，為線損治理提供可靠依據(jù)；低壓故障定位和精準搶修?；诘蛪号潆娋W(wǎng)絡拓撲，通過低壓拓撲關系及各節(jié)點智能感知終端的故障保護跳閘信息（短路、過流、失壓、缺零等保護動作信息）以及漏電流越限告警，進行低壓臺區(qū)故障研判，故障事件秒級上報，定位故障區(qū)段，推送主動搶修工單輔助精準搶修。

臺區(qū)電能質量溯源。通過臺區(qū)電氣量的采集和計算，實現(xiàn)計算臺區(qū)負載率、電壓合格率、三相不平衡度、功率因數(shù)、諧波等電能質量指標，并能實現(xiàn)問題的溯源和定位；故障預知和提前排故?；谥悄芨兄K端的邊緣計算功能和低壓配電網(wǎng)絡拓撲關系，結合能源控制器采集各節(jié)點的工況信息,通過建立低壓配電網(wǎng)阻抗在線動態(tài)辨識模型實現(xiàn)低壓配電網(wǎng)各節(jié)點回路阻抗計算，以及通過節(jié)點歷史剩余電流故障特征值實現(xiàn)提前發(fā)現(xiàn)設備異常、電弧放電監(jiān)測預警火災、因設備老化造成的故障預警，實現(xiàn)潛在的故障預判。

4 應用效果與評價

2020～2021年在山東東營共完成1393個臺區(qū)實施運行，合計安裝智能感知設備46121臺，在營配數(shù)據(jù)梳理、臺區(qū)線損治理、故障主動搶修、負荷智能調節(jié)等方面均取得良好效果，具體分析如下：

狀態(tài)全息感知與信息融合貫通。通過在配變、分支箱、戶表、充電樁、分布式能源等關鍵節(jié)點應用智能感知終端（智能感知終端），對400V 配電網(wǎng)的運行工況、設備狀態(tài)、環(huán)境情況等信息全面采集。實現(xiàn)低壓電網(wǎng)實施運行監(jiān)控（5分鐘）、停電實時上報（秒級）、供電質量溯源、提高配變負荷利用率、減少光伏發(fā)電倒送比例、提高低壓電網(wǎng)運行效率；故障快速處置與精準主動搶修。智能感知終端支持故障研判、展示故障區(qū)段，定位故障類型，邊端協(xié)同實時跟蹤分析，提升配電網(wǎng)智能處置和自愈能力，變被動搶修為主動服務。農(nóng)網(wǎng)臺區(qū)為TT 接線，漏電流越限跳閘是農(nóng)網(wǎng)運維檢修人員的難點痛點，基于帶漏電流的智能感知終端漏電流趨勢跟蹤以及越限告警，可提前排除故障或在故障前精確定位，減少停電時間，提高客戶滿意度。

狀態(tài)在線評價與設備預先檢修。低壓配網(wǎng)各關鍵節(jié)點每5分鐘數(shù)據(jù)同步矢量采集以及異常指數(shù)的實時監(jiān)控，實現(xiàn)對低壓配網(wǎng)進行智能綜合性研判分析，精確評估配電網(wǎng)及設備當前狀態(tài)、智能預測未來趨勢。智能感知終端支持基于阻抗變化的電網(wǎng)狀態(tài)評價，支持基于電弧放電感知的電氣火災預警。本次智能化改造后可將低壓臺區(qū)設備、線路故障消滅在萌芽中；供電方案優(yōu)化與用電可視化。通過中低壓配電網(wǎng)全息感知，開展基于配網(wǎng)及設備承載能力的可開放容量綜合計算，同時綜合考慮客戶用電需求及增長趨勢、主配網(wǎng)規(guī)劃計劃、設備通道路徑造價等，為客戶提供最優(yōu)供電方案，利用基于臺區(qū)能源控制器的各類APP 微應用，實現(xiàn)用電客戶接入的線上全景展示和交互。

停電準確定位與精準透明發(fā)布。利用各類智能終端和邊緣計算，為用戶提供末端配網(wǎng)事件處理服務，監(jiān)視并主動發(fā)現(xiàn)用戶用電異常，制定解決方案并提供處理服務；同時結合智能感知的停復電事件，云端自動識別停電影響范圍及重要敏感用戶，自動生成結構化停電信息并通過短信或微信等手段，點對點精準推送至用電客戶，全面提升客戶的用電體驗；負荷特性識別與用電用能優(yōu)化。以龐大海量的客戶用電行為數(shù)據(jù)為基礎，對家庭、企業(yè)不同客戶群體的用電行為特征進行識別并畫像，通過配置合理的中低壓終端，為用戶提供關鍵運行及服務信息，包括提供臺區(qū)直至用戶戶內的用電和電能質量信息，結合用戶用能特性，為客戶提供包括電能質量治理、用電用能的優(yōu)化策略，提升用戶電力獲得感。