新型電力系統(tǒng)下配電物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究

摘? 要：未來以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)大背景下，能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)逐步推進(jìn)，配電網(wǎng)市場(chǎng)化改革日益深入。我國能源體系，尤其是配電網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)的形態(tài)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特點(diǎn)發(fā)生著顯著的變化。本文對(duì)配電物聯(lián)網(wǎng)的新技術(shù)進(jìn)行研究，并提出促進(jìn)配電物聯(lián)網(wǎng)智慧臺(tái)區(qū)建設(shè)發(fā)展的策略。

關(guān)鍵詞：新型電力系統(tǒng);配電物聯(lián)網(wǎng);能源互聯(lián)網(wǎng);優(yōu)化調(diào)度;源荷協(xié)同

為適應(yīng)新型電力系統(tǒng)的建設(shè)，電網(wǎng)系統(tǒng)各領(lǐng)域必然要通過裝備技術(shù)和體制機(jī)制創(chuàng)新，其中配電網(wǎng)領(lǐng)域又是極為關(guān)鍵且能快速見效的重要組成。在配電階段推動(dòng)多種能源方式互聯(lián)互濟(jì)、源網(wǎng)荷儲(chǔ)深度融合，各環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)互動(dòng)，最終將實(shí)現(xiàn)清潔低碳、安全可控、智慧靈活、經(jīng)濟(jì)高效等目標(biāo)。

在電力配電網(wǎng)建設(shè)中，研究基于物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、移動(dòng)4G/5G等新興技術(shù)的智能配電物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);以及為了應(yīng)對(duì)分布式電源、微網(wǎng)、儲(chǔ)能裝置等電網(wǎng)新興元素的靈活消納與協(xié)同調(diào)控[2]而出現(xiàn)的主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)，賦予了配電網(wǎng)設(shè)備靈敏、準(zhǔn)確的感知能力及設(shè)備間互聯(lián)、互通、互操作功能，構(gòu)建基于軟件定義的高度靈活和分布式智能協(xié)作的配電網(wǎng)絡(luò)體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)的全面感知、實(shí)時(shí)傳輸、高效處理和智能應(yīng)用。

1配電物聯(lián)網(wǎng)介紹

1.1配電物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)現(xiàn)狀

配電物聯(lián)網(wǎng)是傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)與以物聯(lián)網(wǎng)為代表的新一代信息通信技術(shù)深度融合而產(chǎn)生的一種新型電力網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行形態(tài)。在配電物聯(lián)網(wǎng)概念提出前，國網(wǎng)公司為適應(yīng)配電網(wǎng)的建設(shè)需要，相繼推出了《配電自動(dòng)化主站系統(tǒng)功能》、《配變終端/子站功能規(guī)范》、《配電自動(dòng)化遠(yuǎn)方終端標(biāo)準(zhǔn)》等一系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)在多個(gè)城市開展了較大范圍的城市配電自動(dòng)化試點(diǎn)工程，并取得了許多成果，為智能配電網(wǎng)建設(shè)提供了大量的技術(shù)支撐和理論依據(jù)。

“國網(wǎng)芯”是電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的重要組成部分，國家電網(wǎng)圍繞電力核心芯片應(yīng)用，大力推動(dòng)安全芯片、主控芯片等核心產(chǎn)品研發(fā)，在加強(qiáng)邊緣計(jì)算、區(qū)塊鏈、人工智能、容器隔離、微服務(wù)、能源路由器等技術(shù)落地的同時(shí)，大力推廣基于“國網(wǎng)芯”的智能配變終端以及低壓配電物聯(lián)網(wǎng)方案，助力電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)。鑒于配電臺(tái)區(qū)是營(yíng)銷和生產(chǎn)專業(yè)的數(shù)據(jù)源，營(yíng)銷領(lǐng)域和配電領(lǐng)域雙方基于各自業(yè)務(wù)需求在臺(tái)區(qū)側(cè)分別安裝了集中器和配變終端，帶來了數(shù)據(jù)不共享、功能重復(fù)等問題，并增加了運(yùn)維工作量，隨之基于容器技術(shù)的營(yíng)配融合終端得到廣泛應(yīng)用。新型用配融合終端為用電信息采集、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、智能控制與通信等功能于一體的低壓配電二次設(shè)備，滿足臺(tái)區(qū)基礎(chǔ)運(yùn)行信息監(jiān)測(cè)分析、電能質(zhì)量監(jiān)控、臺(tái)區(qū)需求側(cè)管理、低壓配網(wǎng)運(yùn)維管控、信息模型標(biāo)準(zhǔn)化、多主站終端協(xié)同控制、信息安全和運(yùn)維等要求。智能配電臺(tái)區(qū)以新型用配融合終端為核心網(wǎng)關(guān)設(shè)備，配套智能低壓設(shè)備，為支撐低壓配電的新業(yè)務(wù)起到了關(guān)鍵作用。

1.2配電物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的新業(yè)態(tài)

配電網(wǎng)從“無源”網(wǎng)變?yōu)椤坝性础本W(wǎng)。在分布式光伏整縣推進(jìn)和風(fēng)電下鄉(xiāng)的背景下，具有隨機(jī)性、波動(dòng)性、間歇性等特點(diǎn)的分布式電源大量接入配電網(wǎng)，節(jié)點(diǎn)電壓、線路潮流、可靠性等都不同程度的受到影響。為提高配電網(wǎng)對(duì)分布式電源的承載力，增容或新建配電變壓器刻不容緩，用戶側(cè)儲(chǔ)能以及微電網(wǎng)將有效促進(jìn)分布式電源就地消納，調(diào)容調(diào)壓變壓器等新型電力電子設(shè)備也可緩解配電網(wǎng)電壓波動(dòng)、功率平衡等問題。

柔性負(fù)荷與配網(wǎng)互動(dòng)加深。用電負(fù)荷快速增長(zhǎng)加大配網(wǎng)投資和供電壓力，因此充分利用和挖掘電動(dòng)汽車、智能家居等柔性負(fù)荷資源的調(diào)控能力為重點(diǎn)方向。以電動(dòng)汽車充電負(fù)荷為例，智能化的充電設(shè)施和協(xié)調(diào)有序的車網(wǎng)互動(dòng)平臺(tái)有助于緩解高峰負(fù)荷壓力，長(zhǎng)期來看，能量互動(dòng)的V2G模式將發(fā)揮電動(dòng)汽車作為分布式儲(chǔ)能資源的優(yōu)勢(shì)。此外，交直流混合配電網(wǎng)、能源路由器也有望為多元負(fù)荷創(chuàng)造更加靈活、便捷的接入條件。主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)分布式電源與多元化負(fù)荷的主動(dòng)控制、主動(dòng)管理。

配網(wǎng)運(yùn)維與客戶服務(wù)要求提升。為滿足分布式新能源靈活消納與智能控制的目標(biāo)，對(duì)當(dāng)前配電網(wǎng)的全局態(tài)勢(shì)感知、統(tǒng)一優(yōu)化決策和源網(wǎng)荷儲(chǔ)互動(dòng)能力提出了新需求，相關(guān)的并網(wǎng)服務(wù)、交易結(jié)算、運(yùn)維調(diào)控等管理模式也有待優(yōu)化。

1.3配變物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

以物聯(lián)網(wǎng)與配電網(wǎng)深度融合為目標(biāo)，提出配電物聯(lián)網(wǎng)“云-管-邊-端”總體架構(gòu)和整體解決方案，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)全面感知、數(shù)據(jù)融合與智能應(yīng)用，助力配電網(wǎng)建設(shè)、運(yùn)維、管理與服務(wù)變革，引領(lǐng)配電網(wǎng)轉(zhuǎn)型。

其中，云：物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)（云化主站），實(shí)現(xiàn)與配電自動(dòng)化DMS主站和虛擬電廠的業(yè)務(wù)交互。對(duì)臺(tái)區(qū)內(nèi)光伏、儲(chǔ)能、可控負(fù)荷及充電樁的工況進(jìn)行展示和監(jiān)測(cè)，并分配臺(tái)區(qū)的負(fù)荷邊界。

管：配電物聯(lián)網(wǎng)云、端、邊的數(shù)據(jù)傳輸通道。

邊：邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和展示，完成數(shù)據(jù)監(jiān)控和分析;負(fù)責(zé)控制策略，實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同優(yōu)化管控[1];上傳配自主站或虛擬電廠。

端：感知層終端，是安裝在配電網(wǎng)系統(tǒng)中的各類遠(yuǎn)方監(jiān)測(cè)、控制單元的總稱，為配電網(wǎng)運(yùn)行和設(shè)備狀態(tài)信息提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可完成遙測(cè)、遙信、遙控等功能。根據(jù)設(shè)備裝設(shè)位置的不同，主要可劃分為FTU（饋線終端）、DTU（開閉所終端）和TTU（配變終端）、RTU（遠(yuǎn)程終端單元）等。充電樁、光伏逆變器、儲(chǔ)能系統(tǒng)、柔性負(fù)荷等都屬于端設(shè)備。

2.配電物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1微應(yīng)用APP技術(shù)

微應(yīng)用技術(shù)打破原有的單體式架構(gòu)，將客戶業(yè)務(wù)需求分接為多個(gè)相互獨(dú)立的、可以相連接的微應(yīng)用APP。每個(gè)微應(yīng)用APP完成特定的功能。

配電物管平臺(tái)通過微應(yīng)用的架構(gòu)技術(shù)，將原有業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的功能模塊解耦，形成高內(nèi)聚、低耦合的微應(yīng)用，提升了每個(gè)服務(wù)板塊的獨(dú)立維護(hù)能力和系統(tǒng)容錯(cuò)能力，同時(shí)也使每個(gè)APP能獨(dú)立部署安裝，易于開發(fā)。

邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)設(shè)備對(duì)下連接著數(shù)據(jù)源、終端源，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、管控和分析;對(duì)上連接著物管平臺(tái)或配電主站，需要實(shí)時(shí)交換關(guān)鍵運(yùn)行數(shù)據(jù)。利用Linux操作系統(tǒng)、分布式邊緣計(jì)算技術(shù)架構(gòu)、多容器等關(guān)鍵技術(shù)，將實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行軟件APP化。需要采樣統(tǒng)一架構(gòu)設(shè)計(jì)、接口規(guī)范及管理，適用于統(tǒng)一的操作系統(tǒng)環(huán)境，系統(tǒng)部署包含多種協(xié)議的協(xié)議庫及數(shù)據(jù)中心，為APP提供統(tǒng)一接入平臺(tái)，解決協(xié)議使用不統(tǒng)一及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不共享等問題。

操作系統(tǒng)層和應(yīng)用層，操作系統(tǒng)層包括操作系統(tǒng)內(nèi)核、硬件驅(qū)動(dòng)框架、啟動(dòng)程序、系統(tǒng)接口、硬件抽象層和系統(tǒng)組件，操作系統(tǒng)通過系統(tǒng)接口為APP提供系統(tǒng)調(diào)用接口，通過硬件抽象層提供硬件設(shè)備訪問接口，系統(tǒng)組件與應(yīng)用層通過消息總線通信;應(yīng)用層包括基礎(chǔ)APP和業(yè)務(wù)APP以及相應(yīng)的容器，APP之間通過消息總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

2.2微電網(wǎng)自我調(diào)節(jié)技術(shù)

微電網(wǎng)電壓等級(jí)一般在35kV以下，系統(tǒng)容量原則上不大于20MW。通過微網(wǎng)并網(wǎng)接口裝置和并網(wǎng)斷路器與公共配電網(wǎng)互聯(lián)。與外部電網(wǎng)的年交換電量，一般不超過年用電量的50%。

微電網(wǎng)自我調(diào)節(jié)技術(shù)，需滿足與外部電網(wǎng)的交換功率和交換時(shí)段具有可控性，可與并入電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)備用、調(diào)峰、需求側(cè)響應(yīng)等雙向服務(wù)。能夠保障負(fù)荷用電與電氣設(shè)備獨(dú)立運(yùn)行，具備電力供需自我平衡運(yùn)行和啟動(dòng)能力。當(dāng)配電網(wǎng)出現(xiàn)任何擾動(dòng)，微電網(wǎng)可以孤島運(yùn)行，保障重要負(fù)荷連續(xù)供電。微電網(wǎng)自我調(diào)節(jié)技術(shù)的運(yùn)用，能提高電網(wǎng)接納分布式電源的能力。

2.3分布式新能源就地消納技術(shù)

通過配建或購買調(diào)峰與儲(chǔ)能設(shè)備，促進(jìn)就地消納，平抑電網(wǎng)波動(dòng)。通常采用調(diào)容調(diào)壓配變或動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償、換相開關(guān)、同步相量測(cè)量裝置等設(shè)備，結(jié)合邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)的處理分析能力，來提升配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)能力、平衡功率、抵消分布式光伏諧波、提升動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及快速協(xié)調(diào)控制能力。

邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，自適應(yīng)調(diào)整運(yùn)行容量和電壓輸出，有效解決變壓器容量最大空載損耗高、容量小過程風(fēng)險(xiǎn)高的問題，同時(shí)提升電壓質(zhì)量，并具有配電監(jiān)測(cè)與“四遙”功能。當(dāng)電網(wǎng)正常時(shí)，負(fù)載的供電由開關(guān)完成。當(dāng)發(fā)生電壓暫降或升高問題時(shí)，控制配電網(wǎng)同步向量測(cè)量裝（DRV）在2毫秒內(nèi)產(chǎn)生補(bǔ)償電壓，使負(fù)載電壓保持穩(wěn)定。

3配電物聯(lián)網(wǎng)智慧臺(tái)區(qū)場(chǎng)景建設(shè)

3.1總體方案

基于“云、管、邊、端”的配電物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)來開展配電室中低壓物聯(lián)網(wǎng)化智能改造[3]。部署一二次融合智能斷路器、感知終端、智能電容、環(huán)境監(jiān)測(cè)等物聯(lián)網(wǎng)端設(shè)備實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)運(yùn)行狀態(tài)全感知;部署物聯(lián)網(wǎng)站所終端與臺(tái)區(qū)智能融合終端作為邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)站端信息匯聚與本地智能決策，并經(jīng)無線通信接入云主站系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)中低壓全景感知、故障就地快速研判、電能質(zhì)量?jī)?yōu)化提升、臺(tái)區(qū)營(yíng)配融合貫通、臺(tái)區(qū)線損精益管控、低壓精準(zhǔn)運(yùn)維支撐等功能，并結(jié)合供電服務(wù)指揮平臺(tái)與搶修站，實(shí)現(xiàn)故障快速搶修與供電快速恢復(fù)。

3.2實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)功能

融合終端通過配電主站通訊APP實(shí)現(xiàn)與配電主站通訊，通過營(yíng)配交互APP實(shí)現(xiàn)融合終端與營(yíng)銷主站的通信。另外安裝如智能開關(guān)APP、低壓拓?fù)鋺?yīng)用APP、分路分段線損計(jì)算APP、三相不平衡監(jiān)測(cè)與治理APP、低壓故障就地研判APP、可開放式容量監(jiān)測(cè)APP、站房環(huán)境監(jiān)測(cè)APP、分布式電源靈活消納和智能運(yùn)行控制APP等，可實(shí)現(xiàn)與低壓智能開關(guān)通信連接、臺(tái)區(qū)拓?fù)渥R(shí)別、線損計(jì)算、故障研判、低壓可靠性分析、可開放容量分析及分布式電源控制和電動(dòng)汽車有序充電等功能。

（1）設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)

智能融合終端通過與臺(tái)區(qū)內(nèi)智能物聯(lián)斷路器、用戶電表、智能電容器、智能站房、巡檢機(jī)器人、光伏逆變器、充電樁等設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)低壓配電臺(tái)區(qū)全景狀態(tài)感知，實(shí)現(xiàn)配電室及表箱內(nèi)高低壓設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、并提供設(shè)備狀態(tài)信息變化及異常信息告警提示。

實(shí)時(shí)采集配變低壓側(cè)總的三相電壓、電流、功率等電氣參數(shù)及刀閘位置、出線開關(guān)位置、門鎖狀態(tài)等開入狀態(tài);實(shí)現(xiàn)基本配變數(shù)據(jù)分析功能;電壓偏差、頻率偏差;臺(tái)區(qū)越限、缺相、失壓、斷電等異常告警。

（2）低壓拓?fù)鋺?yīng)用

形成以低壓智能開關(guān)為節(jié)點(diǎn)的拓?fù)潢P(guān)系，并結(jié)合主站下發(fā)拓?fù)湎嗷バ：说姆绞剑瑢?shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)拓?fù)潢P(guān)系維護(hù)，包括臺(tái)區(qū)設(shè)備資產(chǎn)編號(hào)、開關(guān)層級(jí)關(guān)系、從屬關(guān)系、戶變關(guān)系、戶表檔案等信息比對(duì)，為臺(tái)區(qū)形成可靠拓?fù)潢P(guān)系提供保障。

（3）低壓故障研判

基于臺(tái)區(qū)拓?fù)鋱D，結(jié)合融合終端、開關(guān)、電表停復(fù)電狀態(tài)。綜合研判臺(tái)區(qū)故障的最上游節(jié)點(diǎn)，如果是智能開關(guān)故障，上送開關(guān)跳閘原因（如手動(dòng)，短路過流，剩余電流越限等）。

（4）電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與分析

通過計(jì)算臺(tái)區(qū)三相不平衡度，當(dāng)不平衡度偏差較大，調(diào)節(jié)出線開關(guān)相位可做到粗調(diào);當(dāng)偏差值已被調(diào)節(jié)較小時(shí)，可以調(diào)節(jié)表箱開關(guān)和戶表的相位來細(xì)調(diào)。

（5）線損分析

以臺(tái)區(qū)低壓智能開關(guān)為節(jié)點(diǎn)，根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓、電流、有功、凍結(jié)電量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，就地分析計(jì)算，實(shí)現(xiàn)線路分時(shí)、分路、分段線損計(jì)算，有效支撐線損治理、竊電核查等工作開展。

（6）無功補(bǔ)償

通過終端與智能電容器/SVG通信，具備三相電壓、電流、功率因數(shù)、諧波、開關(guān)狀態(tài)等功能，實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)狀態(tài)、補(bǔ)償方式、功率因數(shù)、投入容量等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集。

（7）供電可靠性分析

終端根據(jù)用戶停復(fù)電時(shí)間統(tǒng)計(jì)用戶月/年/總停電時(shí)間，并計(jì)算臺(tái)區(qū)停電總時(shí)戶數(shù)和臺(tái)區(qū)供電可靠率。

（8）綜合能源接入監(jiān)測(cè)

光伏電源接入監(jiān)測(cè)：在光伏并網(wǎng)近端加裝通信采集單元，光伏并網(wǎng)處加裝電壓感知設(shè)備，并接入智能融合終端。融合終端分析運(yùn)行工況、諧波、電壓、頻率等，實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)控制。

分布式電源管理：本地化監(jiān)控分布式電源接入，初期實(shí)現(xiàn)分布式電源運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)本地化監(jiān)測(cè)，繼而分析分布式電源對(duì)低壓臺(tái)區(qū)供電質(zhì)量、供電能力的影響并提煉影響規(guī)律，最終實(shí)現(xiàn)智能融合終端對(duì)分布式電源接入的本地化管控，降低分布式電源的人力管理成本。

4結(jié)語

針對(duì)新型電力系統(tǒng)建設(shè)的現(xiàn)狀和預(yù)期目標(biāo)，本文介紹了當(dāng)前配電網(wǎng)的建設(shè)現(xiàn)狀，分析了在以新能源為主體的能源前景下，配電物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)所要面臨的的業(yè)務(wù)形勢(shì)及要解決的問題。在新興技術(shù)的不斷引進(jìn)下，研究在多源數(shù)據(jù)融合與協(xié)同優(yōu)化的總體目標(biāo)下，對(duì)微電網(wǎng)自我調(diào)節(jié)技術(shù)、分布式儲(chǔ)能能源就地靈活消納技術(shù)、柔性負(fù)荷互動(dòng)調(diào)控技術(shù)和交直流混合配電網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)的分析與運(yùn)用。最后提出了一種智能配電臺(tái)區(qū)主動(dòng)運(yùn)維的典型方案，對(duì)低壓配電臺(tái)區(qū)智慧物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了探討。

參考文獻(xiàn)：

[1]許志成，彭志超，楊怡等 基于邊緣計(jì)算+區(qū)塊鏈技術(shù)的源網(wǎng)荷儲(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)。電力信息與通信技術(shù)，2020年第18卷第9期

[2]莆天驕，陳乃仕，王曉輝等 主動(dòng)配電網(wǎng)多源協(xié)同優(yōu)化調(diào)度架構(gòu)分析及應(yīng)用設(shè)計(jì) 電力系統(tǒng)自動(dòng)化

[3]陳艷，宋英華 新型配電物聯(lián)網(wǎng)后臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)研究 DOI： 10.19421/j.cnki.1006-6357.2020.02.007

作者簡(jiǎn)介：

薛媛，女，維吾爾，新疆，1985.02，本科，工程師，

湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院430070 研究方向：電氣設(shè)計(jì)