基于物聯(lián)網(wǎng)的三塘用戶故障快速響應(yīng)研究

國網(wǎng)上海市電力公司 施 勇 陸燕峰 張 昊 陸 勛 朱 濤 許風(fēng)華 黃 峰 陳凱峰

引言

崇明島在長江入海口，島上水網(wǎng)發(fā)達(dá)環(huán)境優(yōu)良，是不可多得的天然魚蝦蟹養(yǎng)殖基地，島上三塘養(yǎng)殖面積分布面較廣，截止2019年4月崇明共有三塘用戶502戶，養(yǎng)殖面積超萬畝。電力建設(shè)方面，由于崇明農(nóng)村網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱，特別魚蝦蟹塘等用戶負(fù)荷較小，位置在灘涂或偏遠(yuǎn)地帶，配電設(shè)施以戶外設(shè)備和架空線路為主；崇明沿海地區(qū)在臺(tái)風(fēng)多發(fā)季節(jié)時(shí)，受到惡劣天氣的影響下容易出現(xiàn)故障停電，漁業(yè)養(yǎng)殖在高溫及惡劣天氣影響下極易缺氧導(dǎo)致養(yǎng)殖戶面臨巨大經(jīng)濟(jì)損失的風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年崇明地區(qū)共發(fā)生漁業(yè)用戶翻塘事故4起，造成直接經(jīng)濟(jì)損失370萬元。

電網(wǎng)系統(tǒng)在運(yùn)行中發(fā)生故障時(shí)，為確保供電可靠性，需對故障點(diǎn)進(jìn)行迅速定位，明確故障類型，快速完成故障隔離工作，恢復(fù)非故障供電，使得故障范圍盡可能縮小，盡量減少時(shí)戶數(shù)，從而保證電網(wǎng)運(yùn)行可靠性在較高的水平。夏季在三塘用戶停電后水溫逐步升高，空氣中的氧在水中的溶解度大幅下降；養(yǎng)殖密度過大，魚蟹蝦的呼吸作用加大，耗氧量也增大；有機(jī)物不僅有生物排泄物，而且有池底殘存飼料和淤積的污泥，有機(jī)物越多、細(xì)菌越活躍，而細(xì)菌活動(dòng)過程要消耗大量氧才能進(jìn)行，導(dǎo)致浮游生物種群比例失調(diào)；以上原因如果沒有增氧設(shè)備極易導(dǎo)致水環(huán)境惡化，引起魚蟹蝦大量死亡[1]。

在推廣混養(yǎng)密度高的情況下，需每畝配置0.75kW增氧設(shè)施就可減少因缺氧造成的損失。經(jīng)查找資料，當(dāng)發(fā)生停電時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下氣溫35℃時(shí)、鰱魚高密度養(yǎng)殖塘情況下，斷電停氧15分鐘后氧在水中的溶解度從13.22mg/L降低至4.47mg/L，達(dá)到魚類重度浮頭缺氧標(biāo)準(zhǔn)，如再繼續(xù)缺氧魚大量出現(xiàn)死亡，將造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[2]。這意味著著，對三塘用戶的供電要求控制在發(fā)生停電15分鐘內(nèi)恢復(fù)供電對用戶影響最小，這對搶修隊(duì)伍到達(dá)現(xiàn)場提出了更高的要求。

目前崇明供電公司采用網(wǎng)格化管理，夏季通過在片區(qū)里搶修班站駐扎，縮短停電時(shí)間；但受天氣、距離、駕駛員及搶修人員經(jīng)驗(yàn)等多方面因素影響，停電恢復(fù)時(shí)間波動(dòng)很大。為減少停電對用戶的影響，每年夏季前由營業(yè)站、農(nóng)電專職人員前往三塘用戶養(yǎng)殖基地，現(xiàn)場檢查用戶表計(jì)、接線是否老化、使用設(shè)備容量是否超容、用戶是否自備發(fā)電機(jī)；建立三塘用戶微信群，群內(nèi)不定期推送相關(guān)天氣預(yù)報(bào)、檢修通知單等，便于用戶早作準(zhǔn)備，及時(shí)規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)；在臺(tái)風(fēng)雷暴天氣來臨前夕，公司相關(guān)班站著重對基礎(chǔ)設(shè)備薄弱的三塘用戶提供定點(diǎn)上門服務(wù)，提出指導(dǎo)意見，從管理層面規(guī)避跳閘風(fēng)險(xiǎn)等多種輔助措施；即使供電公司做了大量的預(yù)案和措施，還是由于客觀因數(shù)導(dǎo)致用戶因停電造車損失。

本文在既有的工作的基礎(chǔ)上推陳出新，結(jié)合用戶實(shí)際情況完成以下研究：提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的故障判斷技術(shù)；提出故障快速定位與到達(dá)現(xiàn)場路徑規(guī)劃的快速響應(yīng)機(jī)制。項(xiàng)目基于魚蝦蟹塘專變臺(tái)區(qū)的特征，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，集成于地理圖信息系統(tǒng)，通過建立模型將故障點(diǎn)及故障現(xiàn)象清晰在后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)上展示，故障發(fā)生后監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)利用短信、微信等方式，將故障點(diǎn)基本信息及位置信息精準(zhǔn)的主動(dòng)推送到搶修人員和用戶，用戶自查和搶修人員主動(dòng)搶修機(jī)制極大的縮短了故障響應(yīng)時(shí)間。

1 三塘用戶用電情況分析

魚蝦蟹類養(yǎng)殖業(yè)夏季用電連續(xù)性對供電可靠性要求高。傳統(tǒng)四大家魚低密度養(yǎng)殖的方式向規(guī)?；呙芏瑞B(yǎng)殖方式轉(zhuǎn)變后，高密度養(yǎng)殖方式下夏季對增氧裝置用電連續(xù)性要求較高，停電極易造成嚴(yán)重?fù)p失；養(yǎng)殖戶安全用電、用電可靠性自我保護(hù)意識不強(qiáng)。部分養(yǎng)殖戶對用電設(shè)備缺乏應(yīng)有保養(yǎng)和維護(hù)，往往依賴電網(wǎng)，不愿意多投入資金用于用電線路安裝和改造。用戶側(cè)線路不符合要求、臨時(shí)用電私拉亂接現(xiàn)象十分普遍，養(yǎng)殖用電環(huán)境潮濕，增加線路接地、跳閘故障的發(fā)生。

養(yǎng)殖戶履行合同要求用電的意識淡薄。部分養(yǎng)殖戶存在轉(zhuǎn)包、私自過戶、私自增容用電等問題。雖然《供用電合同》約定須自備足夠可靠的自備電源或采取其他有效防止停電措施，對漏電保護(hù)裝置與用電設(shè)施（如增氧機(jī)等）按規(guī)定使用和保養(yǎng)維護(hù)條款已明確，但供電企業(yè)對客戶是否采取這些措施并無法律強(qiáng)制性，缺乏有效監(jiān)管手段，用戶不按合同約定配置自備電源、不按運(yùn)行相關(guān)規(guī)定對用電設(shè)施保養(yǎng)維護(hù)的情況較為普遍，安全用電意識淺薄。

用戶側(cè)缺相保護(hù)裝置配置不全或保護(hù)裝置運(yùn)維不當(dāng)。首先用戶缺相保護(hù)和報(bào)警裝置配置不全，非正常運(yùn)行狀態(tài)下易造成魚塘增氧機(jī)缺相燒損設(shè)備。其次養(yǎng)殖戶客戶漏電開關(guān)未正確配置或保護(hù)功能失效，故障用戶未正確切斷電源，越級引起供電電源側(cè)開關(guān)跳閘，擴(kuò)大停電范圍，累及非故障用戶所接入的其他養(yǎng)殖用戶停電；養(yǎng)殖業(yè)用戶對應(yīng)急電源的重要性認(rèn)識不足。養(yǎng)殖業(yè)用戶缺乏生產(chǎn)自救和風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對能力，在電網(wǎng)不能提供電力供應(yīng)時(shí)，往往忽視自身的養(yǎng)殖業(yè)風(fēng)險(xiǎn)因數(shù)，不能采取有效應(yīng)急措施，應(yīng)對電網(wǎng)故障不可控停電因數(shù)嚴(yán)重不足。

2 基于GIS和物聯(lián)網(wǎng)的用電智能監(jiān)測系統(tǒng)研究

2.1 系統(tǒng)要求

用電故障搶修基于網(wǎng)格化管理基礎(chǔ)上，由于三塘用戶養(yǎng)殖基地分布地域偏僻且無規(guī)劃精確的地名、路名和門牌號，給搶修人員故障點(diǎn)定位帶來不便。搭建系統(tǒng)硬件要求如下：所有養(yǎng)殖基地均安裝采集裝置和集中器；所有集中器和采集器安裝地點(diǎn)均錄入精確的地理位置經(jīng)緯度坐標(biāo)信息；系統(tǒng)每分鐘召測集中器在線狀態(tài)；建立用電異常算法模型，通過系統(tǒng)自動(dòng)判斷功能對用電異常進(jìn)行分析，系統(tǒng)反饋用電異常結(jié)果，系統(tǒng)管理界面發(fā)出聲光告警提示，故障情況下自動(dòng)以微信、短信、電話方式通知搶修人員和養(yǎng)殖戶；短信包含地理位置信息和故障描述，提升搶修效率。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)搭建。用戶側(cè)智能電表及臺(tái)區(qū)電源側(cè)關(guān)口表通過采集裝置將運(yùn)行中電氣參數(shù)傳輸?shù)郊衅鳎ㄟ^GPS無線網(wǎng)路上傳至數(shù)據(jù)庫，按照高壓線路圖形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，集中器歸屬于不同線路，經(jīng)過數(shù)據(jù)綜合分析，故障結(jié)果在管理終端展示并告知運(yùn)維人員及用戶。

2.3 技術(shù)架構(gòu)

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架要求，從感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層、應(yīng)用層技術(shù)上進(jìn)行框架搭建。感知層即數(shù)據(jù)層，提供所有數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)電力運(yùn)行參數(shù)全感知、業(yè)務(wù)全穿透；網(wǎng)絡(luò)層即服務(wù)層，提供對外接口，包括心跳接口、停電信息上報(bào)接口、用電情況查詢接口，集中器通過接口服務(wù)組件連接到平臺(tái)。公共服務(wù)組件實(shí)現(xiàn)權(quán)限和數(shù)據(jù)服務(wù)，通過任務(wù)調(diào)度服務(wù)實(shí)現(xiàn)與集中器定時(shí)通信，通過消息推送服務(wù)實(shí)現(xiàn)短信發(fā)送?；A(chǔ)組件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全功能、系統(tǒng)配置功能以滿足業(yè)務(wù)需求。系統(tǒng)日志組件記錄系統(tǒng)所有操作日志，可進(jìn)行追溯和審計(jì)；平臺(tái)層即表現(xiàn)層，調(diào)用了百度地圖后，用可視化方式在地圖上標(biāo)示各個(gè)養(yǎng)殖戶用電狀態(tài)，通過數(shù)據(jù)綜合分析判斷用戶電氣故障屬性；應(yīng)用層即訪問層，通過推送手機(jī)短消息、微信信息、瀏覽器等可視化界面展示最終結(jié)果。

2.4 異常用電識別算法

終端掉線。系統(tǒng)按每分鐘頻率間隔輪循發(fā)送召測報(bào)文，終端返回在線狀態(tài)，為規(guī)避網(wǎng)絡(luò)異常情況，當(dāng)?shù)艟€次數(shù)累計(jì)達(dá)到3次時(shí)，掉線終端在系統(tǒng)首頁地圖上紅色閃爍提示，并發(fā)出聲音告警，提示運(yùn)維人員加強(qiáng)監(jiān)視，直至網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)。

斷相。正常情況下系統(tǒng)采集三相電壓，當(dāng)任意一相電壓低于閥值時(shí)會(huì)自動(dòng)上報(bào)斷相事件給系統(tǒng)，系統(tǒng)發(fā)出聲音并出現(xiàn)告警信息，同時(shí)推送給供電運(yùn)維人員及養(yǎng)殖戶告警短信或者微信。

低壓停電。當(dāng)終端用戶停電時(shí)，終端表計(jì)將停電事件上報(bào)給系統(tǒng)。低壓終端用戶與供電側(cè)電源側(cè)進(jìn)行對比，如果用戶側(cè)失電但電源側(cè)未失電，判斷用戶用電異常，系統(tǒng)接受指令后要求用戶確認(rèn)，確認(rèn)是否需要運(yùn)維人員進(jìn)行搶修；如果終端用戶側(cè)與電源側(cè)均失電，則判斷高壓電源點(diǎn)故障，運(yùn)維人員直接進(jìn)行干預(yù)。如果停電事件與復(fù)電事件時(shí)間間隔5分鐘以上判為有效停電，系統(tǒng)首頁提示并發(fā)出聲音告警，同時(shí)推送告警短信，不足5分鐘則判為無效停電，系統(tǒng)只記錄而不發(fā)告警短信。Δt=t復(fù)電時(shí)間-t停電時(shí)間≥5。

高壓停電。根據(jù)圖形拓?fù)渫粭l線路下有3個(gè)以上電源側(cè)同時(shí)停電，則判定為高壓側(cè)停電，系統(tǒng)首頁提示并發(fā)出聲音告警，同時(shí)推送告警短信運(yùn)維人員。

2.5 用電異常告警模型

在傳統(tǒng)的用電異常監(jiān)測方法中，一般是通過采集實(shí)時(shí)值來判斷用電是否出現(xiàn)異常，但這種傳統(tǒng)的方法在網(wǎng)絡(luò)異常、信號干擾的情況下會(huì)出現(xiàn)誤判，容易出現(xiàn)搶修人力資源浪費(fèi)，本文通過設(shè)置不同模型對用電異常情況下進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，判斷閥值和連續(xù)次數(shù)、連續(xù)時(shí)長的進(jìn)行計(jì)算，增加了異常用電判斷的準(zhǔn)確性，避免誤報(bào)。

終端掉線。模型利用終端掉線算法，當(dāng)連續(xù)三次或以上不在線時(shí)系統(tǒng)識別為掉線狀態(tài)，當(dāng)集中器恢復(fù)在線后將掉線次數(shù)寄存器清零；斷相。模型利用斷相算法，系統(tǒng)判斷是三相還是二相或者一相低于閥值，系統(tǒng)識別用戶故障還是電源側(cè)故障，根據(jù)系統(tǒng)判斷結(jié)果通知用戶或者供電公司運(yùn)維人員。

圖1 終端掉線模型

圖2 終端掉線模型

低壓停電。模型利用低壓停電算法，系統(tǒng)通過判斷電源與用戶側(cè)是否同時(shí)低于閥值，根據(jù)判斷結(jié)果確定高壓故障還是低壓故障；高壓停電。模型利用同一線路下低壓停電算法識別3臺(tái)以上配變低壓側(cè)電壓是否低于閥值，判斷是否高壓線路故障。

圖3 低壓停電模型

圖4 低壓停電模型

3 案例驗(yàn)證

為驗(yàn)證系統(tǒng)可行性和有效性，通過異常用電算法搭建系統(tǒng)模型，對所管轄范圍內(nèi)出現(xiàn)的故障進(jìn)行了系統(tǒng)評估；“三塘用戶故障監(jiān)測系統(tǒng)”較為全面反應(yīng)出系統(tǒng)在故障判斷、地理位置定位、信息的推送、搶修人員輔助處理故障中發(fā)揮了較大的作用。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)未上線時(shí)平均搶修修復(fù)時(shí)間43分鐘，在夏季容易出現(xiàn)翻塘事故。引入物聯(lián)網(wǎng)的三塘用戶故障快速響應(yīng)技術(shù)后對故障進(jìn)行快速定位、判斷故障類型，平均故障搶修修復(fù)時(shí)間17分鐘，極大提高了故障搶修效率，減少了養(yǎng)殖戶由于失電而造成經(jīng)濟(jì)損失，通過2017年與2020年數(shù)據(jù)比對，搶修人員平均搶修修復(fù)時(shí)間提高了48.8%，為停電后快速恢復(fù)供電提供了支撐。據(jù)統(tǒng)計(jì)2017年崇明公司因三塘問題導(dǎo)致的法律糾紛4起，共計(jì)賠付金額370萬元；2020項(xiàng)目上線后未發(fā)生法律糾紛，賠付金額零。

綜上，“三塘用戶故障監(jiān)測系統(tǒng)”利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對故障設(shè)備統(tǒng)一調(diào)度，系統(tǒng)檢測到停電后通過系統(tǒng)自動(dòng)判斷功能對停電故障原因初步判斷，提高事故的處理效率，同時(shí)指引搶修人員最短時(shí)間到達(dá)現(xiàn)場，為三塘用戶的科學(xué)管理與快速處理發(fā)揮了作用；減少用戶因停電導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失及社會(huì)輿論影響，提升優(yōu)質(zhì)服務(wù)能力，助力崇明生態(tài)島建設(shè)。