基于智能融合終端的臺區(qū)智能化管理

林金偉，張 樂

(國網(wǎng)浙江省電力有限公司德清縣供電公司，浙江 德清 313200)

近年來配電網(wǎng)發(fā)展取得了長足進步。隨著配電網(wǎng)設備規(guī)?？偭康某掷m(xù)增大以及供電可靠性要求的不斷提升[1-2]，配電網(wǎng)固有的“設備點多面廣、發(fā)展快速變化、發(fā)展不均衡不充分、量測覆蓋程度不高、設施標準化程度偏低”等問題被持續(xù)放大，而現(xiàn)有傳統(tǒng)的配電網(wǎng)運營管理模式、有限的配電網(wǎng)運維管理資源(包括人力和物力)在這樣的配電網(wǎng)增速下降使得問題變得更加突出和嚴峻。全球范圍內(nèi)的多元化用能服務需求快速增長和變化，以新能源大規(guī)模開發(fā)利用為標志，以再電氣化為根本路徑的新一輪能源革命，正在全球范圍內(nèi)深入發(fā)展。在國家相關政策的支持下，分布式電源、分布式儲能、微電網(wǎng)、電動汽車以及各類新型交互式用能裝備開始大規(guī)模接入配電網(wǎng)[3]，使得用戶對電力、電能的依賴程度越來越高。與此同時，電力用戶開始深度參與電網(wǎng)互動，使得配電網(wǎng)突然面臨了巨大的“源-網(wǎng)-荷-儲”協(xié)同發(fā)展壓力。電力市場改革的不斷深入使得市場競爭日趨激烈，降低工商業(yè)電價的政策壓力持續(xù)存在，電力市場改革的不斷深入使得在電力市場開放后[4]，電網(wǎng)企業(yè)原有的售電客戶將被售電公司部分占有，電網(wǎng)企業(yè)售電量的下降將直接導致利潤的下滑。

為此，配電網(wǎng)迫切需要引入“大云物移智”等新技術和新理念[5]，全力打造一個以營配深度融合為導向的智能化配電生態(tài)系統(tǒng)，從本質(zhì)上提升配電網(wǎng)建設、運維、管理水平，推動業(yè)務模式、服務模式和管理模式不斷創(chuàng)新，從而充分應對當前配電網(wǎng)所面臨的諸多挑戰(zhàn)。

1 智能融合終端

智能融合終端(TTU)將“公變終端、集中器和臺區(qū)總表”這三類設備集中在一臺融合終端內(nèi)，并通過兩種向下延伸組網(wǎng)的方式(MESH組網(wǎng)與HPLC組網(wǎng))賦予配電網(wǎng)中低壓設備全域識別及設備間廣泛互聯(lián)的能力，同時可以在智能融合終端內(nèi)完成營銷抄表數(shù)據(jù)和運檢狀態(tài)量數(shù)據(jù)的就地化集成，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的“一收雙發(fā)”，可同時將數(shù)據(jù)通過4G網(wǎng)絡分別上傳至用戶用電信息、采集系統(tǒng)和自動化主站系統(tǒng)。實現(xiàn)配電網(wǎng)的全面感知、數(shù)據(jù)融合、云邊端協(xié)同及智能應用，進而推動配電網(wǎng)能源流、業(yè)務流、數(shù)據(jù)流的“三流合一”。

1.1 基于物聯(lián)網(wǎng)架構的軟、硬件設計

智能融合終端采用硬件平臺化、軟件APP化設計理念[6]，基于開放式的硬件平臺，以輕量級、高性能操作系統(tǒng)為支持，實現(xiàn)終端軟硬件的解耦，通過APP應用軟件的方式，靈活升級擴展終端業(yè)務功能。

1.2 強大的核心運算能力

智能融合終端設計標準要求配置工業(yè)級的單芯多核主CPU及1 G以上的存儲容量，具有強大的本地運算能力，可充分利用云端協(xié)同、邊緣計算架構優(yōu)勢，提升配電臺區(qū)信息處理與決策水平，有效支撐配電物聯(lián)網(wǎng)各類分布式邊緣計算業(yè)務需求。

1.3 統(tǒng)一的配用電信息模型

智能融合終端基于統(tǒng)一的配電物聯(lián)網(wǎng)信息模型體系設計，兼顧云、管、邊、端各個環(huán)節(jié)，面向現(xiàn)場需求，為設計、部署、安裝、運行、維護相應的軟件產(chǎn)品和硬件設施提供可復用、可擴展、即插即用、靈活快速的標準支撐。配電物聯(lián)網(wǎng)信息模型表征設備對象、數(shù)據(jù)對象，用于設備管理、數(shù)據(jù)存儲、應用服務。設備對象包括一次設備、二次設備、拓撲關系等，數(shù)據(jù)對象包括量測、配置參數(shù)等。為解決配電網(wǎng)設備種類多、數(shù)量大、需求多樣的問題，將信息模型抽取組合，形成交互模型。配電物聯(lián)網(wǎng)信息模型框架，是建立配電物聯(lián)網(wǎng)智能電子設備(IED)模型的基礎。

1.4 標準物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議體系

智能融合終端采用MQTT標準物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議體系，可提供訂閱/發(fā)布兩種消息模式，更為簡約、輕量，易于使用，特別適合于受限環(huán)境(帶寬低、網(wǎng)絡延遲高、網(wǎng)絡通信不穩(wěn)定)的消息分發(fā)，可有效支撐配電物聯(lián)網(wǎng)設備互聯(lián)、數(shù)據(jù)高效共享的通信網(wǎng)絡平臺構建。

1.5 智能融合終端設計定位更準確

配電臺區(qū)是智能電網(wǎng)的“最后一公里”，也是直接面對末端用戶的關鍵一環(huán)，如何有效提升配電臺區(qū)的信息化水平是配電物聯(lián)網(wǎng)的核心問題，因此配電臺區(qū)非常需要一臺基于物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展思路、融合物聯(lián)網(wǎng)先進技術、適配未來電力業(yè)務發(fā)展的“臺區(qū)數(shù)據(jù)網(wǎng)關”；智能融合終端最初設計原則就是基于物聯(lián)網(wǎng)架構、滿足未來配電網(wǎng)業(yè)務發(fā)展需求，智能融合終端具備物聯(lián)網(wǎng)的完整理念和特性，是最適合的“臺區(qū)數(shù)據(jù)網(wǎng)關”，智能融合終端在配電臺區(qū)的推廣部署，將快速、有效地推進配電物聯(lián)網(wǎng)的建設發(fā)展。

2 基于智能融合終端的臺區(qū)應用場景分析

通過智能融合終端、無功補償裝置、三相不平衡動態(tài)調(diào)節(jié)裝置、低壓電氣傳感終端(LTU)、智能電能表等智能識別和感知設備的全面覆蓋，可實現(xiàn)臺區(qū)內(nèi)各類設備電氣量、運行狀態(tài)量、環(huán)境量等信息在智能融合終端的全面采集匯聚，構建配電網(wǎng)全景感知運行體系，從而實現(xiàn)臺區(qū)的智能化管理。

2.1 電氣拓撲連接關系動態(tài)識別

通過在分支、表箱側等臺區(qū)關鍵節(jié)點部署LTU設備可主動發(fā)生脈沖式工頻小功率特征信號，基于臺區(qū)本地無線網(wǎng)絡進行觸發(fā)命令下發(fā)，利用TTU及LTU的快速高精度采樣技術同步對母線上的特征信號進行檢測，根據(jù)每個LTU檢測到對應脈沖序列信號的相似度，進行前后邏輯關系的判斷，由遍歷搜索算法確定拓撲網(wǎng)絡節(jié)點前后關系和并行關系，實現(xiàn)臺區(qū)“配變-分支-表箱”的電氣物理拓撲自動辨識[7]。通過拓撲自動辨識站端協(xié)同機制還可實現(xiàn)云主站側與PMS2.0低壓設備臺賬的精準校核和低壓線路拓撲關系的修正。電氣拓撲連接關系動態(tài)識別應用部署示意如圖1所示。

圖1 電氣拓撲連接關系動態(tài)識別應用部署示意圖

2.2 故障快速處置與精準主動搶修

通過智能融合終端就地高頻度采集線路側LTU、用戶側智能電表等節(jié)點監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用安裝在終端內(nèi)的臺區(qū)故障研判APP，結合臺區(qū)拓撲數(shù)據(jù)，就地實現(xiàn)臺區(qū)內(nèi)故障的分析，并將分析后的結果實時推送給主站，再由主站自動生成搶修工單推送給運維責任人。實現(xiàn)低壓網(wǎng)絡下關鍵節(jié)點實時信息、告警信息發(fā)送，實現(xiàn)故障區(qū)段、停電客戶的綜合自動研判和快速、準確定位，將“被動搶修”轉變?yōu)椤爸鲃訐屝蕖?，減少投訴，提升用戶滿意度。故障快速處置與精準主動搶修應用部署示意如圖2所示。

圖2 故障快速處置與精準主動搶修應用部署示意圖

2.3 臺區(qū)線損精益管理

智能融合終端可就地獲取低壓臺區(qū)包括配變側、饋線側、表箱側、用戶側的低壓臺區(qū)供電鏈路層所有電量凍結數(shù)據(jù)，結合臺區(qū)供電網(wǎng)絡拓撲關系即可準確計算分析出低壓臺區(qū)總線損、總線線損、饋線線損、表箱線損，實現(xiàn)對臺區(qū)的分級、分層線損分析，進而實現(xiàn)對臺區(qū)線損的分時、分段精益化管理[8]。臺區(qū)線損精益管理應用部署示意如圖3所示。

圖3 臺區(qū)線損精益管理應用部署示意圖

2.4 臺區(qū)能源自治與電能質(zhì)量優(yōu)化

通過在供電質(zhì)量亟需治理的重點低壓臺區(qū)部署智能電容器、動態(tài)無功補償裝置(SVG)、換相開關等電能質(zhì)量治理設備，并且通過本地RS-485有線、微功率無線等通信方式就地接入智能融合終端進行統(tǒng)一管控；然后通過智能融合終端來綜合監(jiān)測、分析臺區(qū)變線戶配電全鏈路電能質(zhì)量的運行情況，基于智能融合終端本地分布式邊緣計算能力構建低壓供電電能質(zhì)量就地化分析計算模型，利用配變側、線路側、用戶側的全數(shù)據(jù)采集、全狀態(tài)感知數(shù)據(jù)信息就地化實時分析計算得出臺區(qū)三相不平衡、無功補償、諧波治理、電壓調(diào)節(jié)等方面的電能質(zhì)量優(yōu)化治理策略，并將對應策略自動下發(fā)給對應類別的電能質(zhì)量治理設備，達到臺區(qū)電能質(zhì)量自動優(yōu)化治理的成效。同時智能融合終端存儲在本地的原始電能質(zhì)量數(shù)據(jù)還可為低壓用戶時戶數(shù)計算、低壓供電可靠性計算、電壓合格率監(jiān)測預警等方面的應用提供數(shù)據(jù)支撐。臺區(qū)能源自治與電能質(zhì)量優(yōu)化應用部署示意如圖4所示。

圖4 臺區(qū)能源自治與電能質(zhì)量優(yōu)化應用部署示意圖

2.5 供電回路阻抗智能化分析應用

利用LTU可主動控制發(fā)生特征信號的特性，通過電網(wǎng)潮流計算的主、被動綜合計算的方法來計算低壓供電回路各節(jié)點的阻抗[9]。利用智能融合終端側與低壓表箱進線側分布式LTU的末端采集終端交互，取得低壓用戶側電壓、電流、電量數(shù)據(jù)，根據(jù)低壓網(wǎng)絡阻抗測量模型，可本地實時計算出臺區(qū)內(nèi)低壓供電回路的阻抗測量數(shù)據(jù)。

通過統(tǒng)計分析，得出用戶回路阻抗閾值，根據(jù)阻抗測量數(shù)據(jù)對線路老化及故障情況及時識別，實現(xiàn)主動運維，減輕運維人員的巡視工作量，減少故障定位和維修時間，有效縮短用戶停電時長，提高供電服務質(zhì)量。根據(jù)統(tǒng)計結果，線路正常工作時的阻抗不高于0.1 Ω，如回路阻抗高于0.5 Ω，說明線路出現(xiàn)了老化或者故障，比如線路中的下戶線、電表連接點或T型分接點的老化與故障等，需要開展相關的運維工作。基于線路阻抗測量數(shù)據(jù)，還可同步開展線損異常分析、竊電分析等應用。當線路阻抗高于一定值時進行主動預警，通過對供電回路阻抗數(shù)據(jù)的長期監(jiān)測還可有效地監(jiān)測出線路老化速率或故障類型。供電回路阻抗智能化分析應用部署示意如圖5所示。

圖5 供電回路阻抗智能化分析應用部署示意圖

2.6 電動汽車充電樁運行監(jiān)測

在不影響充電樁原有業(yè)務應用的基礎上通過改造升級分布式電動汽車充電樁，在其內(nèi)部集成無線/HPLC物聯(lián)單元，實現(xiàn)臺區(qū)智能終端以RF Mesh無線的方式對充電樁的負荷數(shù)據(jù)、運行狀態(tài)進行監(jiān)測。智能融合終端匯總臺區(qū)下所有分布式電動汽車充電樁運行狀態(tài)及負荷情況，并與同期配電臺區(qū)總體負載情況進行綜合計算分析后將結果上報給供電服務指揮平臺，通過供電服務指揮平臺進行大數(shù)據(jù)挖掘分析后給出臺區(qū)下充電樁有序充電控制的最優(yōu)策略，為配電網(wǎng)規(guī)劃、充電服務運營、用戶用電行為優(yōu)化引導提供數(shù)據(jù)和策略支持。電動汽車充電樁運行監(jiān)測應用部署示意如圖6所示。

圖6 電動汽車充電樁運行監(jiān)測應用部署示意圖

3 結語

基于智能融合終端的臺區(qū)建設促進配電管理者需求的自由、靈活、快速落地，助推配電管理實現(xiàn)從“生產(chǎn)主導型”到“服務主導型”的顛覆性變革；深化了配電網(wǎng)精細化管理，提高了配電網(wǎng)運維智能化水平；提高了故障搶修的效率，促進了供電可靠性的提升；降低了新能源對配電網(wǎng)的影響，保障了可變負荷的安全接入；打破了傳統(tǒng)電力專業(yè)數(shù)據(jù)壁壘，為配電網(wǎng)運維、客戶服務的管理創(chuàng)新提供了信息基礎平臺。