高平 陈晓军

摘 要：文中提出一种基于智能元件感知、站端控制以及云端管理三个层级构建的低压智能配用电系统架构，深入分析了低压智能配用电系统无线通信技术，包括蓝牙通信技术应用和MQTT物联网云端通信技术应用，研究了低压智能配电系统高精度测量和健康状态在线检测的关键技术。

关键词：低压智能配电;通信技术;组网;云端

中图分类号：TP39文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）01-00-05

0 引 言

随着物联网、大数据、云计算技术的快速发展，虚拟化技术和标准、网络化共享服务基础架构的出现，低压配用电系统面向智能化组网通信的发展变得十分迫切。

传统的低压配用电管理系统已经不能满足云时代智能配用电系统的数字化需求。基于物联网和云计算的智能配用电系统可全方位提高配用电系统对于智能元件信息感知的广度和深度，提升配用电环节故障分析、预警、自愈以及防范灾害的能力，提升电网安全运行水平，实现“电力流，信息流，业务流”的高度融合，以及电能耗的精细化管理，达到节能降耗、降本增效的目的。

本文研究提出一种遵循配用电标准规范，具有自动化程度高、兼容性广、使用方便等特点的智能化低压配用电管理系统。该低压配用电系统通过智能传感技术和监控软件可实现远程精确遥测和可靠遥控，而且具有负荷控制调度技术实现配用电系统的负荷检测和负荷调配，从而优化配用电系统的能效。智能化低压配用电管理系统具有如下特征[1-2]：

（1）全面信息采集，实现电力配用电各个环节信息的全面采集，实现全过程、资产全寿命、客户全方位的感知。

（2）数据互联互通，采集装置、传感器、传感器与应用系统通过物联网标准化通信协议与通信网络，实现信息的有效传递与交互。

（3）数据链路可靠，利用总线技术、无线通信技术以及互联网通信技术等，实现智能组网系统间数据链路的可靠、安全及高速传输。

（4）云平台大数据处理，建立配用电能源运行大数据收集、存储和运算的云系统，综合运用AI算法、分布式数据库等技术，进行数据挖掘、数据储存、智能分析，支撑应用服务、信息呈现、客户交互等业务功能。

（5）IT数字化技术融合，成为企业IT架构的延伸，完善补充企业IT架构，同时作为企业IT架构最重要的组成部分之一。

1 系统架构概述

本文低压智能配用电网系统架构基于智能元件感知、站端控制以及云端管理自下向上的三个层级方式构建。低压智能配用电系统架构如图1所示。

由图1可知，底层的智能元件感知层由低压配电元件构成的智能元件柜、通过数据转换网关设备连接的第三方设备以及新能源微网系统等组成。智能元件感知层的主要功能是实现系统元件的互联互通，将采集到的设备数据通过工业以太网总线技术向站端控制层传送，最终通过无线通信技术将数据传送到云端平台。

2 系统通信技术

本文有线通信部分采用傳统的Modbus-RTU以及Modbus-TCP技术，此处不再赘述。本文对系统架构智能元件感知层的本地化运维系统采用蓝牙通信技术和云端管理层的物联网MQTT通信技术设计应用进行详细分析。

2.1 蓝牙通信技术

低压智能配电数字化系统元件通过增加蓝牙无线数据传输功能和对应的手机APP软件可实现设备的四遥功能，即“遥测、遥调、遥控、遥信”。当使用具有四遥功能的智能元件进行本地化现场运维巡检时，运维巡检人员只需通过手机APP读取现场设备的运行状况，无需用手碰触设备调取运行数据，很大程度上确保了运维巡检人员的人身安全，而且能够在很大程度上降低运维巡检的人力投入，提高运维巡检的效率。

本文设计方案采用基于智能元件Modbus-RTU数据总线的透传协议。数据透传模式的最大优点是简化了智能控制器的通信设计，对控制器内部的RS 485通信硬件电路设计无需进行较大更改。透传协议最长数据帧为56 b，传输速率为1.5 kb/s，通信广播间隔为100 ms。具体设计方案架构和数据透传调试图如图2所示[3]。

2.2 MQTT通信技术

向云端上传数据，其数据传输规约采用IBM开发的即时通信MQTT协议[4]，该协议支持所有平台，因此可作为物联网的关键通信协议。MQTT协议是轻量级基于代理发布/订阅的消息传输协议，可以通过较少的代码、带宽与远程设备连接。本文系统MQTT通信技术设计将DTU采集数据接入云端，数据流模型如图3所示。

3 关键技术研究

3.1 高精度测量技术研究

传统的低压配电系统仍采用比较粗放的运维管理，测量精度要求不高，无需进行系统的能量管理和能耗分析，而智能低压配电数字化系统的应用、分析和服务都需要高精度的运行数据实现实时监控、高效应用、精确分析和完善服务。目前低压配电系统的关键元件特别是断路器的电流采样精度普遍较低，导致后续数据分析、应用与服务的效果大打折扣，因此提高断路器电流采样精度的研究十分重要。

智能配电数字化系统中需要实现更加精准的能效分析和能源管理，要求电流采样精度在1.5级以上。由于断路器的电流测量范围较宽，在大电流情况下铁芯互感器容易出现磁饱和而不能正常工作，测量互感器只能选用无磁饱、测量范围宽的Rogowski线圈互感器[5]。空心线圈的输出电压信号与被测电流满足微分关系，因此要得到被测电流必须通过积分器还原被测电流信号，积分器的性能优劣不仅会影响电流测量的精度，还会影响到滤波抗扰性和长期工作稳定性，其电路原理如图5所示。

根据图5的电路结构图可知，i1（t）为被测一次侧电流，R0为线圈绕组和引线的电阻之和，L0为线圈感量，C0为线圈的等效杂散电容，杂散电容的值非常小，在等效电路计算推导中可忽略不计，Ra为取样电阻，得到电流互感器的等效电路如图6所示。

由式（8）可知，为常系数，H（s）的输入输出相当于一个惯性环节。由于一阶惯性环节的低频特性差导致非周期分量的衰减能力减弱，而积分常数τi的取值大小对非周期分量信号的衰减非常重要，因此可对断路器电流采样电路积分器进行优化设计，从而实现断路器电流采样精度的提高。

本文所述智能配电方案中选用的大电流智能配电元件的电流检测精度达到了1.5级以上，符合智能配电对电流参数采样的精度要求，具体数据如图7所示。

3.2 健康状态在线检测技术研究

低压智能配电数字化系统要求将传统被动式运维模式向主动式运维模式转变，主动式运维模式要求智能元件必须满足健康状态的在线实时检测功能，其健康状态指数信息通过工业总线通信向上传输到站端总控服务器和云端服务器，相关运维人员和用户都能及时收到相关设备的健康状态信息，继而实现主动的运维模式，提高配电系统的可靠性运行。

断路器的电触头在通电状态下进行通断操作，由于电弧灼烧严重影响触头损耗，而作为断路器的关键部件之一，其磨损的情况直接关系到断路器的电性能，可见对触头磨损率进行在线检测对于系统故障诊断和系统维修具有重要意义。目前，国内外对触头磨损的检测方法主要有表面粗糙度法、有效接触距离法、接觸电阻法、燃弧参数统计分析法等[6]。但是上述方法都只是理论研究，实行起来尚有较多困难，其与产品化应用还相差较大距离。目前在产品中所宣称的触头磨损率算法忽略了重要的影响因子，其检测的触头磨损率精度低，无法满足智能配电系统智能运维对设备健康状态在线检测的要求。

本文提出的触头磨损率在线预测方法，考虑了通断操作对电流值的燃弧影响，均衡了简化电气燃弧影响的算法。通过检测不同通流状态下的电气操作寿命n，即认为每操作一次的触头磨损率为，可得到触头磨损率在线检测计算公式：

4 结 语

本文基于智能化配电项目，研究提出了一种基于智能元件感知、站端控制以及云端管理三个层级方式构建的低压智能配用电系统架构，深入研究了蓝牙通信技术和MQTT物联网云端通信技术在低压智能配用电系统的应用，最后研究分析了低压智能配电系统高精度测量和健康状态在线检测的相关关键技术。项目正按计划进行研究，将逐步推进产业化

应用。

参 考 文 献

[1]巫飞新.国内外智能电网技术发展现状[J].电气开关，2012（2）：3-6.

[2]刘文，杨慧霞，祝斌.智能电网技术标准体系研究综述[J].电力系统自动化，2012（22）：1-6.

[3]陈可伟，张金成，王钰，等.基于Modbus协议的无线传感器网络网关设计[J].测控技术，2016，35（2）：99-103.

[4]于金刚，耿云飞，杨海波，等.基于MQTT协议的消息引擎服务器的设计与实现[J].小型微型计算机系统，2016，37（10）：2238-2243.

[5]金丹，徐春营，岳鑫桂，等.输电线路雷电流测量用Rogowski线圈低频失真校正技术[J].电力系统自动化，2013，37（22）：96-100.

[6]狄美华，李震华，吴细秀.开关电器触头电寿命诊断方法综述[J].高压电器，2004，40（3）：201-204.

[7]王成，王跃.基于MQTT协议与Android技术的跨平台访客管理系统[J].物联网技术，2017，7（3）：50-52.

[8]解蕾，刘晨怡，徐刚.多种低压智能配电设备协调运行控制系统[J].电器与能效管理技术，2018（7）：63-67.