低压配电网透明化及智能化运维关键技术与实践

2022-04-08南方电网电力科技股份有限公司胡春潮宋旭东韩博文

电力设备管理 2022年6期

南方电网电力科技股份有限公司陈文尤毅胡春潮宋旭东韩博文

1 介绍

目前，人类经济社会的快速发展面临以传统化石能源滥用所带来的环境问题以及可再生能源消纳能力不足所面临的能源问题[1]。以数字化信息网络系统将电能发、输、配、变、用、储等各个环节设施连接在一起，通过智能化控制实现电源侧、电网侧与用户侧等资源效益最大化，实现多方共赢的目的，这就是智能电网的思想[2]。

当前，大数据、云计算、物联网、移动互联、人工智能为智能电网注入新的内涵，国内外众多研究机构及众多电网公司纷纷开始进行“云大物移智”等新技术的应用。南方电网提出了“透明电网”概念，即为利用信息技术、计算机技术、数据通信技术、传感器技术、电子控制技术、自动控制理论、运筹学、人工智能、互联网等有效的综合运用于电力系统，从而实现电网的可见、可知、可控[2]。

2017年南方电网广东电网公司全面启动智能电网示范建设，智能电网是将现代先进的传感测量、通讯、信息、计算机和控制技术与物理电网高度集成而形成的新型电网。广东电网公司将在佛山、珠海、东莞、中山、韶关、云浮和汕头建设7个智能电网示范区，涵盖城市、农村和海岛等不同类型区域，为智能电网建设探索路径[3]。

目前而言，对于电网中的主网架结构的智能化改造已经基本完成，而对于400V的智能化改造仍显不足，主要表现为低压电力抢修不及时、低压电能质量较差、低压线损较高、电力设备资产台账混乱等诸多问题。该部分电网的建设成效将直接影响到客户服务水平和客户满意程度。另外由于低压电网网架结构复杂，点多面广等多种问题而导致低压问题尚未得到良好的解决。近期，随着国家电网“泛在电力物联网”、南方电网“透明电网”概念的提出，众多研究机构均提出了相应的解决方案。以“云管边端”作为基本架构的物联网技术路线，即以底层感知物理层作为最底层感知终端，以微功率无线或者电力载波作为台区管理的“通讯管道”，以台架智能终端作为低压台区的管理终端，以高速无线网络或者光纤作为台架边与云端的连接管道的技术路线，在实现低压台区的智能化、透明化改造，解决低压台区面临的低电压、三相不平衡、线损过高、低压网架结构复杂、抢修不及时等问题具有显著的优势。笔者所在的单位承接了国内某智能电网项目，其中低压配电泛在物联作为该项目中重点打造的项目，笔者所在的公司在前期策划、设备研发和集成、中期工程实施、以及后期消缺等工作中发挥了积极的作用，较好地实现了低压拓扑识别、故障主动告警、电能质量就地解决等功能，达到了低压配电智能化的改造目的。

图1 基于物联网架构的低压台区智能化架构体系

2 本公司提出的技术路线及关键设备

下面根据文中所提出的技术路线，对相关技术进行了讨论。

底层电表模块主要实现电表数据采集、故障主动告警、相位识别等功能，在本次工程应用中创新性地运用拓扑自动识别技术。目前在低压配电网领域实现拓扑识别的方法主要有：特征电流法、分支电流分析法以及特征信号法。

特征电流法即为在台区边缘计算终端指令下拓扑识别模块产生一种具有特征的电流如畸变电流、短路电流等，在分支上安装相应的检测装置对特征电流进行检测，然后将检测到的信号传递至台区边缘计算终端，从而实现对末端的拓扑识别。该方法实现较简单，然而畸变电流一方面其能耗较高，势必增加配电网络线损；另一方面，由于低压配电设备复杂，电力电子原件、光伏等新能源日趋增多，其所产生的电力谐波对如畸变电流等特征电流进行检测并正确识别在技术上提出了一定的挑战。

分支电流分析法在分支处加装一套CT对分支电流进行监测，同时借助高级量测体系对户表电流进行监测，对分支处以及户表处进行大数据分析，提取相应的特征量，然后对低压拓扑信息进行分析。该方法依赖于户表电流，实现方法较简单，然而目前基于轮询的量测体系无法保证分支电流以及电表电流在同一时间断面，所得到的拓扑分析结果准确性有待提升。

特征信号法是采用先进的通信技术，在进行拓扑识别时台区边缘计算终端下发广播信号，终端拓扑装置在接收边缘终端信号后产生包含自身信息的特征信号，并向上传输，并在分支处加装相应的检测装置，在分支处监测到相关信号后向台区边缘计算终端传输，由此进行层层解析得到整个拓扑分析结果。该方法实现较简单，拓扑分析结果准确率较高。

分支智能感知设备主要检测底层拓扑识别模块所产生的拓扑信号并将该信号传送至TTU，另一方面，检测所装处的电气量信号，为分段线损、故障精准定位、电能质量精细化治理等高级应用提供技术基础。

台区边缘计算终端负责整个台区的数据采集、数据分析以及数据上送，具备对配变主站和下层终端设备的即插即用功能。具体而言如下：具备上行和下行数据通道，支持与集中器通信，支持远程升级和系统设置功能、上送设备异常信息、停电信息主动告警、发起并管理低压拓扑自动识别任务、接收拓扑识别模块的拓扑识别信号反馈确认信息，生成低压台区CIM模型并与主站交互等功能。

3 工程示范及其效果

在本次智能电网示范区中采用以上配置进行台区透明化智能化改造，实现的效果如下。

3.1 变—线—户拓扑关系识别

台区智能终端发起拓扑识别开始流程，从户表处拓扑识别模块开始到分支箱，逐个产生定向电力载波信号，其它拓扑识别模块开始检测定向电力载波信号，记录并报告给台区智能终端，台区智能终端通过收集到的信息，根据前后逻辑关系，生成台区物理拓扑关系，并生成拓扑关系描述文件上传给主站，主站根据拓扑关系描述文件，生成拓扑展示SVG图。

图2 拓扑识别流程及结果

图3 主动停电上报

3.2 精细线损分析

通过在分支处加装智能分支监测装置，对分支处电气量数据进行监测并通过DLT 645规约将采集到的数据上传至台区智能终端。台区智能终端通过集中器集抄统计分支下所接电表数据并与分支电气量数据进行计算即可统计分支线损，可将台区线损进行精细化线损分析。

3.3 故障定位

本次采用的电表载波模块内置超级电容器，具有停电主动上报的功能，可辅助判断用户停电是表前故障还是表后故障，若为表前故障则载波模块会发送停电告警信息，若为表后故障则载波模块无停电告警信号产生。配电箱处各支路安装拓扑识别模块，可以主动上送停电信息给台区智能终端，结合拓扑关系，精准判断低压停电事件及准确定位停电范围，并在GIS沿布图上展示，变被动投诉告警为停电主动上报，提高了低压台区运维的便利性。

在该方法中由于超级电容的容量大小限制，只能上报30块表的停电信息至集中器处，若发生告警的户数超过30户，则由于载波信道的拥堵无法接收所有停电告警信息。一般而言，在此情况下台区智能终端对电表带电状态进行轮询，然而轮询的速度较慢，无法满足台区快速抢修的要求。而作为另一种故障定位的方法，可将低压户表分段安装含超级电容器的载波模块，从而将台区分成若干段。在某一段低压线路出线故障时，台区侧则能收到停电告警信息，这样避免了台区侧超过30块表停电时所造成的通信拥堵同时也解决了轮询所带来的告警延时。

3.4 三相不平衡治理

本次电表载波模块具有相序识别的功能，结合拓扑识别装置和电气量采集装置即可对台区和分支三相负荷是否平衡进行判断。在三相负荷不平衡的情况下通过电力电子换相开关即可实现三相不平衡治理。

3.5 漏电监测

在分支处加装低压分支开关对低压线路的故障进行保护，在线路出现漏电情况下即可实现开关的自动分闸，这样既保护了用电者安全，也能减少故障影响的范围。在分支侧所配置的低压智能分支监测箱以及低压智能分支控制箱均具有漏电监测的功能，所不同之处在于低压智能分支监测箱只能对漏电事故进行监测，无法对漏电线路进行分断；而低压智能分支控制箱则具有漏电保护功能，在发生漏电事故后即可将开关断开，从而对触电人畜进行保护。

4 低压配电物联网未来发展展望

智能电网可以通过一个数字化信息网络系统将发电、输电、配电、变电、供电、售电、蓄能与能源终端用户的各种电气设备贺其他用能设施连接在一起，通过智能化控制实现精确供能、对应供能、互助供能和互补供能，将能源利用效率和能源供应安全提高到全新的水平，将污染与温室气体排放降低到环境可以接受的程度，使用户成本和投资效益达到一种合理的状态[4]。智能电网利用先进的技术提高电力系统在能源转换效率、电能利用率、供电质量和可靠性方面的性能，是经济和技术发展的必然[2]。随着我国特高压电网的建设和电力体制改革的不断深化，智能电网已成为最近十来年我国电网发展的一个新方向。

随着特高压电网建设的逐步完成以及电力体制改革，配用电网改造日趋紧迫。目前中国电网在配网自动化、配网状态监测检修、现场作业、智能巡检等方面亟待升级。在泛在电力物联网方面，智能传感是泛在电力物联网感知层的核心基础技术[5]。泛在电力物联网是以数据为中心，需要智能物联网终端全面采集电力系统静态和动态数据[6]。

在本次示范工程中，底层传感器的投入占总设备投入的约一半左右，拓扑识别装置的设备投入达到了约1/3。拓扑识别原本在电力施工环节和电力用户迁改环节做好电子化移交之后即可仅需少量外加投入即可达到良好的效果。然而现实中电子化移交及拓扑维护工作未能得到充分的重视，大部分的施工及电力用户迁改未进行电子化移交等工作，从而导致低压台区设备管理混乱、户线变关系梳理不清直接导致线损无法精益化分析、故障定位难以开展、电力设备台账混乱等问题。在电力市场化改革的浪潮下，国家电网公司和南方电网公司均大幅压缩了基建部分的投入，迅速降低底层传感器件的成本将决定技术路线的生命力。

此外，考虑到现实施工便利性，底层传感器件应具备即插即用、小型化、便于施工安装的要求。即插即用过程可分为主动注册，获取、发送、解析自描述文件，数据交互，设备控制，设备事件等几个步骤。