新一代智能配變終端在低壓配電物聯(lián)網(wǎng)中的應用分析

賈化萍 桑學寧

北京煜邦電力技術股份有限公司 北京 100029

引言

能源互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，要求未來的配變終端必須具備多元、快速的數(shù)據(jù)處理能力和海量數(shù)據(jù)存儲能力，而現(xiàn)有的低壓配電網(wǎng)終端如配電監(jiān)控裝置(DTU)、饋線監(jiān)控裝置(FTU)、用電信息采集終端郵寄智能電表等分類繁多、功能單一、資源配置偏低、擴展性差，已難以適應能源互聯(lián)網(wǎng)“云大物移”的發(fā)展方向。本文將對滿足未來多種業(yè)務需求的智能化程度更高的新型終端進行詳細描述，具體闡述其組成結構、關鍵技術及其應用場景等。

1 低壓配電物聯(lián)網(wǎng)概述

配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)的重要組成部分，低壓配電網(wǎng)是電力供應的末端，物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術在低壓配電領域中的應用實踐，它是一種新型電力網(wǎng)絡，通過設備之間的完全互操作性、互聯(lián)性、可靠性綜合感知、數(shù)據(jù)集成和智能應用，滿足電力系統(tǒng)可靠性精益化和智能化強電網(wǎng)快速建設的需要，是電力系統(tǒng)可靠性的基礎。

低壓配電物聯(lián)網(wǎng)的體系架構分為“云、管、邊、端”四層，“云”即搭建在云平臺之上的主站系統(tǒng)，通過統(tǒng)一的云平臺來管理、調配系統(tǒng)資源，并為業(yè)務應用提供支撐；“管”即是數(shù)據(jù)傳輸通道；“邊”是靠近數(shù)據(jù)端的邊緣計算設備；“端”是各種傳感、采集設備。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術架構的低壓配電物聯(lián)網(wǎng)本質上是智能信息技術與產(chǎn)業(yè)化的深度融合，是解決目前低壓配電領域面臨的諸多問題的完美解決方案，實現(xiàn)了分布式網(wǎng)絡的感知，通過信息的力量進一步釋放原有配電網(wǎng)的生產(chǎn)力，適應未來能源互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展[4]。

2 智能配電終端

2.1 智能配電終端概述

智能配電終端是對傳統(tǒng)配用電終端的智能化改造而形成的新一代智能終端，屬于低壓配電物聯(lián)網(wǎng)的邊側設備，具備邊緣計算功能，不僅用于配電變壓器，還用于整個配電區(qū)域、用電側設備和綜合信息通信管理，集成邊緣計算功能，可實現(xiàn)狀態(tài)感知、邊緣物聯(lián)和數(shù)據(jù)采集等功能。

2.2 應用原則

傳統(tǒng)的配電終端只起到監(jiān)測配電變壓器的運行工況的作用，幫助運維人員實現(xiàn)對智能設備的控制。新一代智能配電終端以國網(wǎng)公司“云、管道、邊、端”的頂層體系結構為基礎，提高對側負荷控制，優(yōu)化分布式能源訪問管理，旨在提高配電網(wǎng)設備水平，加強配電網(wǎng)運營維護，提高配電網(wǎng)服務效率，推動配電網(wǎng)從被動管理走向主動管理。通過電力物聯(lián)，以配電主站為平臺，實現(xiàn)低壓端、用戶端的全面聯(lián)系，統(tǒng)一集中管理。優(yōu)先訪問配電變壓器、低壓開關、無功補償裝置等電源端設備信息。根據(jù)臺區(qū)設備條件，可以逐步實現(xiàn)與電動汽車充電樁、分布式電源、智能電能表、三相不平衡管理裝置等設備的信息交互及現(xiàn)場智能控制。根據(jù)業(yè)務管理要求，實施智能變壓器終端應用軟件(APP)開發(fā)和應用，實現(xiàn)配電網(wǎng)無處不在，可以優(yōu)化人員配置，制定綜合計劃，方便管理。

2.3 智能配電終端相關技術

2.3.1 通信技術。針對低壓配電的物聯(lián)網(wǎng)解決方案，將系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型分為操作數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)。配電終端的通信包括遠程接入和本地通信接入，可使用LTE/LOT-G專用網(wǎng)絡和GPRS/4G/5G公共網(wǎng)絡等技術進行遠程通信接入，而HPLC、Zig Bee、LORA等技術可用于本地通信接入。230M電力無線專用網(wǎng)技術采用7m頻段的功率授權和ofdm離散頻譜聚合技術，具有速度快、時延小、覆蓋范圍廣等技術特點，且安全性高，成本低，可以有效解決現(xiàn)有電力無線通信系統(tǒng)頻譜效率低、組網(wǎng)能力弱、實時性差等問題，是構建智能電網(wǎng)信息通信體系的重要技術[3]；5G網(wǎng)絡將為配電網(wǎng)的無線遠程接入提供更為可靠、實時、靈活的解決方案；HPLC技術是以電力線為載體的數(shù)據(jù)傳輸解決方案，具有數(shù)據(jù)傳輸速度快、數(shù)據(jù)容量大、雙向傳輸?shù)燃夹g特點，采用HPLC通信技術的低壓配電終端可以實現(xiàn)對端側智能傳感設備數(shù)據(jù)的高速、并發(fā)采集。

2.3.2 安全防護技術。智能配電終端采用多個層級的安全措施來保證終端全維度的操作可控性、風險可防性。硬件通過兩個安全加密芯片實現(xiàn)對云接入平臺、配電及用電主站的多個通道的安全認證；系統(tǒng)層面采用安全加固的操作系統(tǒng)，并采用數(shù)字簽名等機制，對系統(tǒng)引導程序、操作系統(tǒng)、內(nèi)核、應用程序等進行合法校驗；終端接入主站時采用雙向身份認證機制，任何數(shù)據(jù)交互前須先進行身份認證；業(yè)務數(shù)據(jù)交互根據(jù)數(shù)據(jù)的重要性采用不同的加密等級；運維方面基于唯一標識和數(shù)字證書結合保證數(shù)據(jù)的可靠性。

2.4 智能配電終端架構設計

新一代的智能配電終端多采用硬件平臺化、軟件APP（Application應用程序）化的設計思路。在安全加固操作系統(tǒng)及其通用基本接口和基礎業(yè)務功能接口的基礎上，基于容器技術的APP設計，每種業(yè)務由一個或多個App來實現(xiàn)，從協(xié)議到架構采用面向對象的設計思想，降低各個模塊之間的耦合性。使用消息總線框架，APP之間的交互全部通過消息總線采用統(tǒng)一的接口進行，可靈活采用MQTT、IPC、UDP、TCP等多種消息驅動方式，提高了終端軟件的可維護性、可讀性、可擴展性及靈活性。實現(xiàn)了由應用軟件定義終端功能，業(yè)務應用快速開發(fā)、快速部署，適應未來多種業(yè)務需求。

圖1 智能配電終端架構圖

3 智能配電終端在低壓配電物聯(lián)網(wǎng)中的應用場景

3.1 故障研判

與高壓電網(wǎng)相比，低壓電網(wǎng)的故障檢測手段十分匱乏。由于低壓側用戶眾多，低壓支線結構復雜，大型故障指示器安裝投資大，成本高效益低。然而，低壓配電網(wǎng)作為網(wǎng)絡結構中的終端環(huán)節(jié)，直接面向用電者，如果不提供有效的管理手段，用戶的用電體驗將大大降低。

智能配電終端能夠與DTU、FTU、中壓側故障指示器良好配合，形成配電網(wǎng)的防線。智能配電終端可通過采集低壓側監(jiān)控設備，獲取配電變壓器狀態(tài)容量數(shù)據(jù)，通過對智能電能表的數(shù)據(jù)采集，準確地確定電表的分配信息以及電表和變壓器之間的關系，實現(xiàn)對低壓側拓撲模型的動態(tài)管理。并根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)進行故障識別，準確定位故障區(qū)段，將結果上報主站，進行故障研判和故障預警，從而變“被動搶修”為“主動檢修”。例如，電力公司在某小農(nóng)場進行試點時，利用智能終端將故障數(shù)據(jù)發(fā)送到中央主站，主站通過分析，精確定位故障的原因，推送服務系統(tǒng)進行搶修，并向用戶發(fā)送斷電時間及信息，減少了60%的故障時間，大大提高了維修效率，有效地提高了客戶的需求水平和配電要求[1,5]。

3.2 智慧用能

在低壓連接和配電網(wǎng)用戶端，智能終端通過與臺區(qū)各種低壓電器設備的通信，實現(xiàn)對臺區(qū)各種電力運行數(shù)據(jù)的實時控制以及對電能等的管理功能?；诖罅窟\行數(shù)據(jù)，建立智慧用電的數(shù)據(jù)模型，感知分析用戶的用電信息，了解不同用戶群體的用電行為特征。對家庭和企業(yè)進行了識別和描述，并為用戶提供節(jié)能及用電安全隱患診斷。針對用能效率低的高耗能工商業(yè)用戶，提供智能化的節(jié)能解決方案；針對家庭用戶，提供合理的用電建議。從而引導用戶采用科學的用能方式，提高能源的利用率，改善長期以來居民家庭及企業(yè)用電信息缺失、需求側響應不及時、用戶體驗感不高的問題。

3.3 線損管理

配電網(wǎng)線損是電力系統(tǒng)中普遍存在的問題。隨著電力市場化信息化的發(fā)展，用電量逐年增加，用電量呈現(xiàn)逐年增加的趨勢，線損問題處理得越成功，越能有效控制用電量。

智能配電終端的應用有效地解決了配電線路的線損計算問題。在不改變原有電力采集系統(tǒng)通信結構的前提下，建立了低壓信息采集網(wǎng)絡。通過采集各分支計量裝置的數(shù)據(jù)，基于臺區(qū)總表、各分支箱及表箱和用戶智能電表的計量數(shù)據(jù)，計算各個分支、各分級的線損數(shù)據(jù)，并可統(tǒng)計日、小時、分鐘的線損率，對線損異常進行預警，從而實現(xiàn)線損的精細化管理。

3.4 設備管理

配電設備規(guī)模大，維護設備管理更具有一定的難度，基于電力物聯(lián)網(wǎng)應用的智能終端，可通過采集并分析配電臺區(qū)內(nèi)各種設備的數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控設備的運行信息并結合各種感知數(shù)據(jù)智能評估預測低壓配電網(wǎng)及設備未來的運行趨勢。從而建立起了對臺區(qū)設備的分析與管控機制，完善預防措施，為低壓故障維修提供技術指導，為故障的定位提供技術支撐。這有助于減少檢驗員的工作量，實現(xiàn)配電網(wǎng)的設備、人力和物力資源的有效管理[2]。

4 結束語

智能配電終端作為一種新型的智能化終端，設計中采用了通信技術、物聯(lián)網(wǎng)技術、智能芯片等先進技術手段，具有豐富的物聯(lián)網(wǎng)性質，目的在于消除不同業(yè)務系統(tǒng)之間的障礙，實現(xiàn)了低壓配電物聯(lián)網(wǎng)的運營管理。但還需在更多的應用場景中推廣使用，從而使功能更加完善，滿足更精細化的業(yè)務需求，為能源互聯(lián)網(wǎng)提供更好的技術支撐。