基于分鐘級采集的配電臺(tái)區(qū)拓展應(yīng)用研究

魏訓(xùn)虎

（南京南瑞信息通信科技有限公司，江蘇 南京211500）

隨著國家電網(wǎng)公司提出“三型兩網(wǎng)、世界一流”的戰(zhàn)略目標(biāo)，政府工作報(bào)告提出碳中和碳達(dá)峰目標(biāo)，全國范圍以電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)與能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)為核心，開啟了新一輪的電網(wǎng)升級。長期以來，我國在中高壓輸電側(cè)與變電側(cè)的建設(shè)成就舉世矚目。但在低壓側(cè)，配電網(wǎng)的運(yùn)維管理長期處于較低水平，臺(tái)區(qū)拓?fù)錂n案等存在較多錯(cuò)誤；配網(wǎng)感知能力與感知深度嚴(yán)重不足，智能電表長期只采集日凍結(jié)功率數(shù)據(jù)上報(bào)，采集頻率過低，僅用于支持營銷部門的電費(fèi)核算，不足以支撐電力物聯(lián)網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)應(yīng)用。

因此提高低壓配電網(wǎng)數(shù)據(jù)感知能力，加深數(shù)據(jù)感知深度，提高數(shù)據(jù)采集頻率成為電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的關(guān)鍵點(diǎn)。與此同時(shí)，隨著數(shù)據(jù)感知能力的加強(qiáng)，為使數(shù)據(jù)流支撐電力物聯(lián)網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)、支撐配電網(wǎng)智能化與自動(dòng)化，還需要積極追蹤用戶需求，開發(fā)數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)的配電臺(tái)區(qū)應(yīng)用，真正實(shí)現(xiàn)“三型兩網(wǎng)、世界一流”。

1 配電臺(tái)區(qū)分鐘級采集方案

目前營銷專業(yè)、設(shè)備專業(yè)分別建設(shè)用電信息采集系統(tǒng)、配電自動(dòng)化系統(tǒng)，并部署低壓故障、監(jiān)測單元、智能電表等采集設(shè)備實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)狀態(tài)的感知，由智能配變終端TTU、集中器等設(shè)備匯聚數(shù)據(jù)，傳送至內(nèi)網(wǎng)系統(tǒng)。兩套系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)內(nèi)容的重合度極高，主要差別在采集頻率上，配電自動(dòng)化系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求高于用電信息采集系統(tǒng)。因此，完全可以部署一套較高性能的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)源數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集、統(tǒng)一處理。為解決上述問題并進(jìn)行技術(shù)升級，通過在臺(tái)區(qū)部署邊緣物聯(lián)代理/TTU/融合終端，統(tǒng)一接入各類感知數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)分鐘級數(shù)據(jù)采集，避免過度傳感建設(shè)?；谥悄茈姳矸昼娂壊杉瘮?shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)狀態(tài)實(shí)時(shí)感知、故障定位、能效分析、線損精益化管理等功能。針對集中器分鐘級采集改造的總體思路是充分利用現(xiàn)有硬件設(shè)備，在軟件協(xié)議、抄表策略等方面進(jìn)行擴(kuò)展和優(yōu)化。

當(dāng)前的臺(tái)區(qū)用電信息采集系統(tǒng)的部署有II 型采集器+485 表、I 型集中器+載波表、I 型集中器+I 型采集器+485 表、I 型集中器+II 型采集器+485 表4 種，集中器與采集器的組網(wǎng)采用HPLC+1376.2 協(xié)議，集中器與用電信息采集系統(tǒng)主站組網(wǎng)采用無線專網(wǎng)或無線公網(wǎng)+1376.1 協(xié)議，采集器與智能電表間通信采用RS485+DL/T645 協(xié)議。圖1 為目前臺(tái)區(qū)用電信息采集系統(tǒng)示意圖。

圖1 用電信息采集系統(tǒng)示意圖

分鐘級數(shù)據(jù)采集與傳統(tǒng)小時(shí)級乃至于15 分鐘級數(shù)據(jù)采集在表面上看只是采集頻率的提高，實(shí)質(zhì)上涉及到從軟件到硬件的整體升級。隨著采集頻率的提高，對硬件穩(wěn)定性、采集成功率、數(shù)據(jù)上報(bào)延時(shí)、采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)都提出了更高的要求。特別是數(shù)據(jù)上報(bào)延時(shí)和采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，以往的低頻度采集中一個(gè)臺(tái)區(qū)所有電表都能在上報(bào)時(shí)間跨度中完成，但采用分鐘級采集后將不能保證這一點(diǎn)，又同時(shí)帶來了采集同步性的問題；在采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)上，更高頻率的采集意味著更高的數(shù)據(jù)量，因此還需要對集中器、采集器與電表升級硬件設(shè)備。為適應(yīng)分鐘級采集任務(wù)，采取了I 型集中器與II 型采集器兩種升級方案分別對集中器與采集器的數(shù)據(jù)采集策略進(jìn)行了改進(jìn)。II 型集中器在協(xié)議上的升級方案與I 型集中器升級方案基本是相同的，差別主要在于集中器與采集器的采集策略上。

首先為集中器及采集器配置基于DL/T645 和Q/GDW 1376.2 協(xié)議擴(kuò)展的分鐘級通訊協(xié)議，并對應(yīng)地?cái)U(kuò)大采集器存儲(chǔ)空間；開發(fā)拓展通信接口以支持DL/T645 協(xié)議，擴(kuò)展報(bào)文數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)，將分相電壓、電流和功率在內(nèi)的多個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)匯集于一個(gè)字段；對于涉及集中器通信的1376.2 協(xié)議，對其通信報(bào)文格式進(jìn)行擴(kuò)展，在645 報(bào)文格式中加入時(shí)標(biāo)并封裝入1376.2 協(xié)議報(bào)文的上下文中。在下行報(bào)文里所有645 報(bào)文的應(yīng)答被全部收集完成后，統(tǒng)一組成一幀回復(fù)給集中器。I 型與II 型集中器對被監(jiān)測電壓采用有效值采樣，采樣周期至少每秒1 次，并作為預(yù)處理值貯存。1 分鐘作為一個(gè)統(tǒng)計(jì)單元，取1 分鐘內(nèi)電壓預(yù)處理值的平均值，作為被監(jiān)測系統(tǒng)即時(shí)的實(shí)際運(yùn)行電壓；終端上行通信方式設(shè)置為混合模式，支持雙通道、雙主站（用采主站、智能邊設(shè)備）；II 型采集器增加存儲(chǔ)容量（128k），將采集到的電表當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)后再打包上傳。同時(shí)在用電信息采集系統(tǒng)中加入智能邊設(shè)備，部署分鐘級數(shù)據(jù)同頻采集APP，實(shí)現(xiàn)對集中器數(shù)據(jù)采集匯聚、邊緣計(jì)算。

與此同時(shí)，修改抄表策略以適應(yīng)分鐘級采集任務(wù)。在添加了分鐘級任務(wù)后，由于集中器一般都會(huì)連接數(shù)十塊電表，由于傳輸延遲等因素的影響，可能導(dǎo)致集中器連接的電表在1 分鐘內(nèi)無法將所有分鐘級采集數(shù)據(jù)全部上傳的問題出現(xiàn)。為解決這一問題，在645 報(bào)文中加入時(shí)標(biāo)用于識(shí)別數(shù)據(jù)采集時(shí)間，但在實(shí)時(shí)循環(huán)采集機(jī)制中，可能因?yàn)檠舆t等在同一秒內(nèi)采集到時(shí)標(biāo)相同的本是兩次采集得到的數(shù)據(jù)，這將導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，具體如圖2 所示。為解決這一問題，采用整分采集機(jī)制而棄用循環(huán)采集。雖然這會(huì)導(dǎo)致不能完全實(shí)現(xiàn)1 小時(shí)采集60 個(gè)數(shù)據(jù)上報(bào)，但保證了采集成功率和數(shù)據(jù)良率。

圖2 循環(huán)采集時(shí)標(biāo)重復(fù)示意圖

2 配電臺(tái)區(qū)拓展應(yīng)用

在以往的配電臺(tái)區(qū)，由于數(shù)據(jù)采集頻度低，感知能力差，很難利用用電信息采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)對配電臺(tái)區(qū)開發(fā)針對性的功能應(yīng)用，諸如線損分析、拓?fù)渥R(shí)別、線路隱患排查等，往往都依賴于人工進(jìn)行，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。在分鐘級數(shù)據(jù)采集成功實(shí)現(xiàn)后，充足的數(shù)據(jù)量足以支撐諸多配電臺(tái)區(qū)自動(dòng)化應(yīng)用，同時(shí)還可以應(yīng)用于新能源光伏臺(tái)區(qū)，服務(wù)于碳中和、碳達(dá)峰目標(biāo)?？砷_發(fā)應(yīng)用有相位識(shí)別、戶變糾錯(cuò)、分相線損分析、光伏反竊電、光伏出力預(yù)測、負(fù)荷預(yù)測、電能質(zhì)量分析等。

2.1 相位識(shí)別

通過用戶電表、光伏電表及臺(tái)區(qū)關(guān)口表分鐘級采集數(shù)據(jù)，開發(fā)相別自動(dòng)識(shí)別算法，實(shí)現(xiàn)低壓臺(tái)區(qū)電表和戶變相別識(shí)別。從關(guān)口表、用戶電表與光伏電表采集的分鐘級數(shù)據(jù)，包括電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等。算法有基于相關(guān)性分析、多元線性回歸、曲線聚類、頻譜聚類等機(jī)器學(xué)習(xí)算法，以往最多基于15 分鐘頻度的采集數(shù)據(jù)，相位識(shí)別精度不能達(dá)到100%。在引入分鐘級采集后，升級的相位識(shí)別算法能將相位識(shí)別準(zhǔn)確度提高到100%。同時(shí)若將光伏出力導(dǎo)致的功率倒送考慮在內(nèi)，將用戶時(shí)序電壓、電流、功率等與關(guān)口表采集的電壓電流功率等進(jìn)行綜合計(jì)算，還可以對光伏臺(tái)區(qū)電表相位等拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行識(shí)別。

2.2 光伏出力擬合與預(yù)測

光伏臺(tái)區(qū)的出力影響配電網(wǎng)的潮流分配與無功分配，降低系統(tǒng)慣性，對配電網(wǎng)穩(wěn)定性有著較大影響。配調(diào)部門需要較為精確的光伏出力曲線來輔助調(diào)度工作，往往將低頻度的出力數(shù)據(jù)擬合出高頻數(shù)據(jù)。在實(shí)現(xiàn)分鐘級數(shù)據(jù)后，光伏出力的擬合工作將大大簡化，分鐘級的頻度已滿足絕大部分要求，若有更精確的要求，利用分鐘級數(shù)據(jù)再進(jìn)行擬合的精度也更高。另一方面，為確保調(diào)度部門合理安排系統(tǒng)無功補(bǔ)償、切除光伏倒送等應(yīng)對措施，需要對配電網(wǎng)分布式光伏出力進(jìn)行短期與長期預(yù)測?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等機(jī)器學(xué)習(xí)算法，結(jié)合光照、云層等氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行光伏出力短期與長期預(yù)測，為調(diào)度部門提供參考。

2.3 光伏反竊電

傳統(tǒng)的臺(tái)區(qū)反竊電往往都依賴于線損異常甄別和人工排查。而在光伏臺(tái)區(qū)，由于用戶自購自接光伏電池板與逆變器，在光伏出力大于家庭負(fù)荷時(shí)，將會(huì)有功率反送上網(wǎng)并依據(jù)功率上網(wǎng)量獲取補(bǔ)貼。為了保證光伏上網(wǎng)量不至于對配電網(wǎng)穩(wěn)定性產(chǎn)生沖擊，會(huì)限制用戶自接光伏電池板的容量。但有用戶會(huì)超額接入電池板，甚至還會(huì)有光伏計(jì)量表升壓、市電整流逆變、市電改接法等竊電手段，即將配電網(wǎng)送入用戶的交流電經(jīng)過逆變或不逆變直接返送上網(wǎng)，以此騙取補(bǔ)貼。相對于傳統(tǒng)臺(tái)區(qū)，光伏臺(tái)區(qū)竊電數(shù)據(jù)樣本少，竊電邏輯不同，竊電行為隱蔽，傳統(tǒng)的線損異常甄別、人工排查等手段難以精準(zhǔn)識(shí)別。

在實(shí)現(xiàn)分鐘級采集后，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的反竊電方法可以實(shí)現(xiàn)，通過比較正常用戶電壓、電流、功率曲線和不同情況下竊電樣本的電壓、電流、功率分鐘級數(shù)據(jù)曲線，可有效甄別光伏竊電用戶。而對于竊電數(shù)據(jù)樣本少的問題，有文獻(xiàn)指出，可以利用基于NICE 的數(shù)據(jù)增強(qiáng)算法擴(kuò)充竊電數(shù)據(jù)樣本庫，提高竊電識(shí)別準(zhǔn)確率。同時(shí)通過光伏電表計(jì)量的返送功率數(shù)據(jù)，甄別違約加增光伏板用戶，實(shí)現(xiàn)光伏反竊電功能。

3 結(jié)束語

本文提出了用電信息采集系統(tǒng)的分鐘級采集方案，在硬件上升級I 型和II 型集中器、采集器與智能電表，在軟件上升級DL/T645 和1376.2 通信協(xié)議，優(yōu)化數(shù)據(jù)采集策略，統(tǒng)一物模型，采用邊緣計(jì)算技術(shù)，大大提高了用電信息采集系統(tǒng)的采集頻率，滿足了電力物聯(lián)網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)背景下配電網(wǎng)智能化與自動(dòng)化建設(shè)的數(shù)據(jù)需求。

在實(shí)現(xiàn)分鐘級采集方案的基礎(chǔ)上，提出了相位識(shí)別與戶變糾錯(cuò)、光伏出力預(yù)測、反竊電、反向線損分析等配電臺(tái)區(qū)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)業(yè)務(wù)應(yīng)用，滿足配電臺(tái)區(qū)不同的業(yè)務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)配電臺(tái)區(qū)的智能化建設(shè)，為配電臺(tái)區(qū)進(jìn)一步升級改造、業(yè)務(wù)應(yīng)用進(jìn)一步開發(fā)提供了思路。

需要指出的是，分鐘級采集在帶來數(shù)據(jù)頻度提高的同時(shí)，給采集成功率等帶來了很多挑戰(zhàn)。上文提及為保證采集良率而采用了整分采集策略，如果臺(tái)區(qū)下帶電表數(shù)量過多，需要很長的周期才能完成一輪采集，這樣會(huì)大大降低實(shí)際采集頻率，從而使后續(xù)應(yīng)用開發(fā)出現(xiàn)問題?？煽紤]對于分鐘級數(shù)據(jù)采集策略和數(shù)據(jù)通信協(xié)議進(jìn)行進(jìn)一步改造，如對數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行壓縮處理等，這是后續(xù)研究的方向之一。