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10kV配电物联网智慧台区关键技术与实践

珠海许继电气有限公司的研究人员赵凯、孙豪文,在2020年第7期《电气技术》杂志上撰文指出,传统配电网管理模式不满足新时期发展需求,迫切需要深入应用“云大物移智”等先进技术,从本质上深化标准化建设、加强精益化运维、提升智能化水平,实现跨越式发展。

2019年,国家电网公司提出了建设“三型两网”世界一流能源互联网企业的战略目标,配电物联网是国网公司实现“三型两网”战略目标的重要建设内容,基于“云管边端”的配电物联网体系架构,融合“云大物移智”等先进信息技术来开展中低压配电网的物联网化建设,能显著提升运维管理水平和供电服务水平。

智能配电网与电力物联网结合就是配电物联网,以优质的供电质量、高效的运营效率和优良的用户体验为目标,建设物联网智能配电示范台区,采用基于智能配变终端、物联网站所终端、云平台等多种先进的信息化、智能化技术、设备及运维管理手段,充分融合不同系统、不同设备数据,支撑配网主动运维、全寿命周期管理、多元负荷消纳等应用功能,通过中低压故障预判、停电事件感知和低压故障定位,提高主动检修、故障抢修工作效率,实现供电质量、运营效率和用户体验的全面提升。

1 总体方案

1.1 技术方案

基于“云、管、边、端”的配电物联网技术架构来开展配电室中低压物联网化智能改造。项目融入“云大物移智”等先进技术,部署一二次融合智能断路器、感知终端、智能电容、环境监测等物联网端设备实现台区运行状态全感知,部署物联网站所终端与智能配变终端作为边缘计算节点,实现站端信息汇聚与本地智能决策,并经无线通信接入云主站系统,实现中低压全景感知、故障就地快速研判、电能质量优化提升、台区营配融合贯通、台区线损精益管控、低压精准运维支撑等功能,并结合供电服务指挥平台与抢修站,实现故障快速抢修与供电快速恢复。

1.2 云平台方案

物联网配电室数据直接接入配电物联网云平台,通过远程工作站方式进行管理和应用。物联网云主站主要包括智能台区运维管控应用功能。

1)设备运行状态监测

通过采集配电室高低压设备信息,实现对配电室高低压设备电压、电流、电量、开关位置、变压器负荷、功率因数等信息的实时监视,从而实时监视配电室高低压设备的运行状态,并提供设备状态信息变化及异常信息告警提示。监控范围覆盖配电室、表箱。

系统根据现场设备运行状态提供拓扑着色功能:①用不同颜色表示电网元件运行状态(带电、停电等);②用不同颜色表示低压配电线路运行状态(带电、停电等)。

系统结合历史数据,支持对配电变压器等设备的一定历史时间区段的重载分析、过载分析、空载分析及轻载分析等;支持基于短期负荷预测结果,预测当天台区负荷重载、过载情况。

2)智能告警分析

(1)用电负荷异常告警。某个时间段内,当发生用户用电负荷异常(越限)时,系统通过画面或语音进行告警提示。

(2)停电影响用户自动分析。选择故障发生区域,支持通过列表的形式对停电影响配变及配变所带用户情况进行显示,内容包括影响用户名称、所属配变名称、配变停电时间、配变所属配电线路、所属变电站等。

(3)实现对低压台区停电事件、电压越限、配电变压器过载等遥信告警事件的监视与管理,支持告警信息主动推送及历史数据查询。

3)低压故障研判

通过在表箱侧增加智能监测单元,实时对用电线路的电压周期信号(即有无有效交流周期过零)和电压幅值进行监测,并上传停电事件信息至智能配变终端。智能配变终端依据低压配电网运行信息,研判配变停电、多户停电、单户停电等停电类型并上送。

系统依据智能配变终端上送的研判结果信息进行故障定位、低压配电网拓扑着色并自动推图告警,生成停电事件记录。系统结合低压拓扑关系,实现停电后快速定位用户范围,支撑低压故障的快速抢修和低压供电可靠性分析。

4)电能质量监测与分析

(1)配变出口低电压分析。根据智能配变终端上送的配变遥测数据,主站定周期(15min)计算配变的出口低电压情况并进行告警,同时进行配变出口低电压原因分析。

(2)末端低/过电压分析。根据智能配变终端收集的表箱或户表遥测数据,末端低/过电压分析应用程序(application, APP)通过计算判断是否存在末端低/过电压情况并及时上送主站,由主站进行告警,并进行末端低/过电压原因分析。

(3)末端电压合格率。根据智能配变终端上送的表箱或户表遥测数据,主站定周期(1天)计算前一天的末端电压合格率,并对于电压合格率不达标的表箱或户表进行原因分析。

(4)低压谐波污染定位分析。谐波污染定位分析APP把采集并分析出来的谐波异常数据发送给系统,系统通过列表和曲线的方式进行展示,并能够在台区接线图上可视化展示谐波异常的设备定位。

(5)供电可靠率分析。根据智能配变终端上送的停送电信息,主站定周期(1天)计算前一天的供电可靠率,并对影响供电可靠率的原因进行分析。

(6)配变三相不平衡分析。根据智能配变终端上送的配变遥测数据,主站定周期(15min)进行三相不平衡率计算,展示配变每相所带表箱或户表明细及电流值;基于配变负载监测结果,对三相不平衡度进行分类统计。

5)运行预测分析

(1)配变重载、过载预测。根据智能配变终端收集的配变遥测数据,台区负荷预测手机客户端结合历史数据进行计算,判断该配变是否存在未来24h内重载或过载的可能,并及时上送主站,由主站进行告警。

6)线损分析

基于台区拓扑结构及其监测数据,分析出台区侧任意相、任意区段的小时级线损和总线损占比,线损异常主动上报,解决无法对线损精准定位和分析的难题,支撑线损治理、窃电核查等工作。

7)可接入容量分析

基于台区拓扑结构及其监测数据,分析出各节点可扩负荷容量,按配变、开关节点和相别输出安全可扩容量,解决新增负荷报装接入选点选相难的问题,提高配变新增布点和扩容项目储备及立项的合理性、经济性。

8)无功补偿

综合电源侧总补电容器、末端终端分补电容器信息,基于台区拓扑关系,自动决策,实现就近、最优补偿,实现无功和电压协调控制及辅助降低线损,提升供电质量,减少无功传送线损,支撑低电压治理。

9)供电可靠性分析

系统通过大数据分析技术,对台区内发生的故障停电、计划停电、重大缺陷、重过载等数据进行供电可靠性综合分析评价。

10)台区综合状态评价

系统采用大数据分析技术,通过对各个配变的历史负荷信息、故障信息和电能质量异常信息进行综合分析,并对配变的健康状态进行评估,为配变的改造提供辅助决策依据。

11)配变经济运行分析

智能配变终端通过实时采集配变的负荷数据并上送到系统,系统结合配变的历史负荷信息进行未来24h的负荷预测,并根据每个配变的负荷预测情况,给出配变合并运行或转带负荷的经济运行方式调整建议。

12)综合能源接入监测

(1)光伏电源接入监测

在光伏并网近端加装通信采集单元,光伏并网处加装电压感知设备,通过可编程逻辑控制器(programmable logic controller, PLC)与智能配变终端接入,分析运行工况、谐波、电压、频率等,实现光伏并网控制。

(2)分布式电源管理

本地化监控分布式电源接入,初期实现分布式电源运行数据实时本地化监测,继而分析分布式电源对低压台区供电质量、供电能力的影响并提炼影响规律,最终实现配变终端对分布式电源接入的本地化管控,降低分布式电源的人力管理成本。

(3)电动汽车有序充电管理

智能配变终端实时采集电动车充电桩运行状态数据、电量数据、告警事件等信息,同时结合台区获取的区域用电负荷、充电负荷和用户充电行为,应用大数据分析算法研究电动汽车充电负荷动态特性,建立电动汽车充电负荷模型,建立充电负荷数据库,根据时间、空间、使用率、充电量、用户等多维度的数据统计,形成用电、充电负荷规律和用户行为规律,为用户需求侧响应,制定台区内电动汽车充电管理策略,根据用电习惯减少电网与充电负荷冲突,也为充电选址规划等提供依据和解决方案。

1.3 通信建设方案

按照“云、管、边、端”的整体架构,配电通信网络建设整体上分成两个主要部分:①远程通信网,即边缘计算终端与新一代配电自动化主站系统之间的通信网;②感知设备与边缘计算终端之间的本地通信网。

远程通信网主要为边缘计算节点与云平台的通信组网,智能配变终端单元(distribution transformer supervisory terminal unit, TTU)与物联网配电终端单元(distribution terminal unit, DTU)采用4G通信方式(具备条件可试点5G通信)接入省公司云主站系统,通信协议采用消息队列遥测传输(message queuing telemetry transport, MQTT);本地通信网主要为配电室内中低压端侧设备与边缘计算节点的通信组网,主要包括宽带电力线载波(high-speed power line carrier, HPLC)、RS485、微功率无线等通信方式。

2 配电物联网关键技术

2.1 台区拓扑自动成图

2.2 基于HPLC智能电表的停电快速告警

2.3 中低压分段分相线损计算

基于物联网DTU、智能配变终端、分布式台区智能终端的实时监测、边缘计算与云边协同功能,可实现台区的中低压各区段线损精准化分析计算。

分段线损=拓扑父节点电量此父节点下所有子节点的电量和。

3 配电物联网智慧台区建设实践

现场台区建设范围主要包括配电室中压侧、配变侧、低压线路侧和用户侧,按照上述方案开展建设,逐步实现了局部智慧配电网的目标。

各模块实施以下建设:

1)中压侧部分

配电室为双电源供电,配置中压开关柜,采用全断路器方式,采用真空灭弧、六氟化硫气体绝缘的全绝缘、全密封开关柜,可切断相间短路电流、负荷电流和零序电流。配置电压互感器、电流互感器、零序电流互感器、电动操动机构等自动化组件。

开关柜一体化集成物联网DTU,具备进线柜、出线柜及联络柜的实时监测和控制等三遥功能,并满足云平台接入要求,采用物联网MQTT协议。

开关柜配置局放监测模块及电缆接头测温模块,并接入物联网DTU,经本地汇聚后将数据上送云主站系统。

2)配变侧部分

配变侧建设范围为配电室1#和2#变压器、低压开关柜及站室监测。

(1)配电室配置低压进/出线开关柜、联络柜和智能电容柜;进线柜、联络柜配置电子控制的框架式断路器,配置电动操作机构。进/出线断路器应具备通信功能。

(2)配电室配置2台智能配变终端,分别监测1#、2#配变低压电气量,并作为1#和2#台区的数据汇聚与边缘计算中心。

(3)低压出线柜配置分布式台区智能终端及开启式电流互感器,安装于下侧电缆出线室内,分布式台区终端与智能配变终端采用HPLC通信方式。

(4)配电室墙上配置温湿度传感器,天花板上配置烟雾传感器,电缆沟内配置水位传感器,具备站室内环境及安防监测功能,经汇聚单元接入智能配变终端。

(5)配电室内智能电容通过控制装置接入智能配变终端。

(6)进/出线柜配置电缆接头无线测温装置,并接入智能配变终端。

(7)配电室配置门禁系统,开门告警信息可通过智能配变终端上送云平台。

3)线路侧部分

4)用户侧部分

用户总进线配置物联网型智能断路器,表后开关配置智能型微断,实现表箱进/出线电压、电流监测和开关位置监测功能,智能断路器通过无线或RS485通信方式将信息上送给物联网通信单元,并经HPLC通信模块接入智能配变终端。

电动汽车充电桩配置物联网通信单元,实现充电桩电压电流及运行工况监测,配置HPLC通信模块接入智能配变终端。

5)营配数据贯通部分

智能配变终端通过与I型集中器做数据交互,实现电表信息的读取,原有用采系统架构不变。建议电表加装HPLC模块或更换为智能电表,具备停电信息主动上送功能。

6)高级APP应用部署

通过上述建设,实现了中低压数据的实时采集、三相不平衡调节装置、各类非电气量(温度、湿度、门禁、安防)等智能设备的接入,为实时监控、运行优化和大数据应用提供了基础,提升了配电网营配调贯通及精益管理水平。

4 结论

2019年可以说是电力物联网和数字透明电网的建设元年,一方面是电网公司“两网融合”“数字电网”升级转型的迫切内在需求,另一方面有“云大物移智”创新技术的快速发展,“万物互联”将是趋势。

总而言之,配电物联网智慧台区建设作为电力物联网非常有益的探索,研发及选型了云主站平台、物联网化配电终端、智能感知设备等先进装备,进一步实实在在落地和丰富了电力物联网的内涵,未来的电力物联网将依托越来越扁平化的架构,信息传输一步上云端,进一步发掘数据价值和应用效率,达到配电网状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活和运维主动精准,为提高供电质量和服务水平打下坚实基础。

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