面向“春供”的台区需求侧智能管理系统

岳仁超, 尤文锋, 孙建东

(国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 211106)

面向“春供”的台区需求侧智能管理系统

岳仁超, 尤文锋, 孙建东

(国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 211106)

针对当前电力系统“春供”问题，提出一种从农网台区需求侧进行智能化管控的解决方案，即面向“春供”的台区需求侧智能管理系统。融合了多种先进的微功耗电力电子、自动控制、数字信号处理以及物联网无线通讯等技术，实现了台区、线路和各家庭用电户用电情况的实时监测与控制。系统的应用在一定程度上缓解了目前“春供”问题中存在的供用电矛盾。

春供;需求侧;智能配电台区;物联网;漏保开关

Abstract: In view of current “spring power supply” problem in the electric power system, this paper presents a solution: intelligent management at the demand side of the distribution area of the rural power grid, namely a distribution area demand-side intelligent management system faced with “spring power supply”. The system integrates a variety of advanced technologies such as micro-power consumption power electronics, automatic control, digital signal processing and wireless communication of the Internet of Things to realize?real-time monitoring and control over electricity consumption of distribution area, lines and family consumers. Application of this system eases the contradiction between power demand and power supply in current “spring power supply”.

Keywords: spring power supply； demand side； intelligent power distribution area； Internet of Things； leakage protection switch

0 引 言

随着我国经济的迅猛发展，国家支农惠农政策的相继出台，农村经济得到迅猛发展，农民生活逐年改善。 电视机、电冰箱、洗衣机、电磁炉、电饭煲、电暖器、空调等家用电器得到迅速普及，农村的用电量日益增大。然而这些家用电器在农民外出务工时使用率并不高，线路、配变的负载率比较低。但春节期间农民工集中返乡回家过年，这些家用电器使用率大增，致使春节期间农网台区供电负荷激增，供电设备长期处于过载状态导致供电故障频发[1]。这一现象被称为电力系统的“春供”，与交通系统的“春运”颇为相似。

1 “春供”问题现状分析

通过对河南省某县局的调研总结发现，春节期间农网负荷增长主要有以下几个特点：首先，平时留守人员用电负荷相对较小，春节期间外出务工人员返乡，家庭成员的增多，会带来用电负荷的提升；其次，经济能力的提高和消费观念的转变，务工返乡人员会“大手笔”购置取暖电器、电磁炉、电水壶等大功率家用电器。另一方面，分析了当地县局采集的春节期间部分台区的供电负荷情况。

某台区2015年整个春节期间的供电负荷情况如图1所示，由图可以看出该台区在春节期间的供电负荷大部分时间维持在90%-115%的水平，是平时的1.5-2倍，台区长时间处于重载或过载状态。

图1 某台区2015年春节期间负荷曲线

某台区2015年除夕、春节当天的负荷情况如图2所示，由图可以看出在用电高峰时段台区负载率一直在100%以上，处于长时间的过载运行状态。

图2 某台区2015年除夕、春节当天负荷曲线

某台区2015年平时某天的负荷情况如图3所示，由图可以看出平时的供电负荷一直比较平稳，用电高峰时段最高只有60%的水平，甚至还不到80%的经济运行状态。

由以上分析可以看出，春节期间农网变压器长时间处于过载状态，已经远远超出了70-80%的经济运行区间。长时间的过载运行将导致变压器内部过热、绝缘材料老化，逐步失去绝缘性能，形成绝缘击穿，导致变压器烧毁。同时通过调研还发现部分配变厂迫于市场竞争压力将配电变压器绕组材料由铜改成了铝，导致变压器的过载能力大幅下降；更是加剧了变压器高负荷过载烧毁的频率。

图3 某台区2015年某天负荷曲线

2 “春供”问题现有解决方案

2.1 做好春节期间用电负荷预测用电宣传工作并适当采取负荷管控措施

在春节来临之际，村电工对辖区内用电户的外出务工人员返乡情况进行摸底统计，对用电户的大功率电器作好统计记录。最终结合多方面因素，对每个家庭户春节期间的用电负荷作出预测。

另一方面充分利用电台、电视、报纸等媒体加强春节期间的用电宣传工作，同时制定受限变压器拉闸限电序位表，安排好监控手段、监控时间和监控人员的分工任务，对过载的变压器进行拉闸限电。

采用负荷预测及高峰时段拉闸限电的方法在一定程度上缓解了春节期间的供电压力，但同时也耗费了大量的人力、物力和财力；问题没有得到根本上的解决，是一种治标不治本的解决方案。

2.2 更换大容量变压器、增加线路线径

对台区进行基础设备改造，包括增大台区变压器容量、增大台区400 V线路线径；目前经过改造后的台区变压器容量至少为200 kVA，线径均在95 mm、120 mm以上。

通过基础设施改造后的台区虽然能够满足较长一段时间内的供电要求，但对现阶段的负荷水平而言，将会造成变压器和线路一年之中大部分时间处于轻载运行状态，达不到经济运行水平；将会大大增加台区的用电损耗。

2.3 更换高过载能力配电变压器

更换高过载能力配电变压器是指采用一种在一定时间内具有很强过载运行能力的配电变压器。国标变压器按规定应可承受1.2倍2个小时的过载运行；而经过特殊技术处理的高过载变压器可以承受2倍额定能力的长期过载运行[2]。

更换高过载能力配电变压器是目前被较多提及的一种解决方案，但过载变压器存在造价高、缺少运行经验等问题。过载变压器的现场运行稳定性、可靠性还有待检验；如果冒然投运，有可能收到适得其反的效果。同时过载变压器的更换应用还需要一定时间的普及。

针对“春供”问题现有解决手段的分析与总结，并结合现有解决方案的可行点，本文提出一种从农网台区需求侧进行智能化管控的解决方案，即面向“春供”的台区需求侧智能管理系统。

3 台区需求侧智能管理系统实现方案

面向“春供”的台区需求侧智能管理系统由统一监控平台、智能配电台区(智能台区终端、智能一级保护开关)、家用智能保护开关(二级智能漏保开关)以及物联网通信等部分组成。该系统融合多种先进的微功耗电力电子、自动控制、数字信号处理以及物联网无线通讯等技术[3]，将智能配电台区技术延伸应用至台区各400 V出线及家庭用户进线端；以台区智能型保护开关、家用智能型保护开关为主体构建的一体化台区需求侧管理系统。台区需求侧智能管理系统组网示意如图4所示。

3.1 统一监控平台

统一监控平台位于县级主站中心，采用无线GPRS方式与台区智能管理终端通信，实时监测台区及典型家庭用电户的用电负荷，并对台区内上传的数据进行汇总分析，及时发现台区内用电异常，对用电负荷进行合理调整和控制，实现台区供用电设备稳定安全运行，最大限度的减少断电所造成的损失和影响。统一监控平台软件结构如图5所示，具体实现以下功能[4]：

图5 统一监控平台软件结构图

(1)台区监测

包括实时数据监测、环境数据监测、电能质量监测、电压合格率在线监测、三相不平衡监测、状态监测及控制等。

(2)预警分析

对负载率，三相不平衡率、电压等数据进行在线实时统计，第一时间发送预警信息。

(3)故障定位抢修

通过对配变台区及线路的运行数据的实时监测，根据设备间的拓扑关系及关联规则，实时显示低压电网运行情况，在发生故障时，能够在第一时间，发出告警， 立刻定位故障发生范围，并给出故障设备的台账信息，方便维修人员及时抢修。

(4)经济运行分析

主要分析配电变压器的能效值。配电变压器的能效高低与其结构、负载的功率因数、负载率、三相不平衡度以及运行温度等有着直接的关系。

(5)负荷控制

当监测到台区容量不足时，分析台区内的用户负荷分布，对于超限用电的用户，首先进行短信告警，提醒其减少用电量，如果负荷仍持续较高达到一定时间，强制将其断电，并闭锁一段时间。从而实现整个台区安全运行。

(6)曲线查询

以表格或图形的方式，显示各种遥测量的历史值，可以按照多种时段方式进行选择显示，方便进行数据比较分析。

(7)越限管理统计

可以对各种遥测量，进行越限监视与统计，支持多级越限处理，提高对数据不正常情况的监测、分析。

3.2 智能配电台区

智能配电台区设备主要由台区智能管理终端、智能保护开关、电容器、计量电表等设备组成，如图6所示。智能配电台区主要实现配变监测、电能质量监测、负荷管理、电能计量、集中抄表、无功补偿、环境监测、谐波治理以及防窃电等功能[5]。

图6 智能配电台区主要设备示意图

台区智能管理终端主要实现配变运行数据监测并对配电变压器低压侧无功自动补偿，通过通信方式实现智能保护开关等设备信息集成处理及远方控制，同时可通过以太网、无线GPRS等方式与统一监控平台实现数据交互，并接受监控平台的遥控指令。

智能保护开关，作为本方案中的一级保护开关主要实现对配电变压器低压进出线实时监控和保护功能[6]。智能保护开关具备遥信、遥测、遥控等三遥功能以及过载、短路、缺相、欠压、过压、剩余电流(漏电)、电源侧断零线等保护及自动重合闸功能。其信息通过RS485数据通信方式上送至台区智能管理终端，通过智能管理终端上传至统一监控平台，实现远方监控功能，特别是在主站监测到配变或低压出线过载时可及时远方进行切除，避免引起配变过载烧毁等事故。

3.3 家用智能型保护开关

家用智能型保护开关是一种由双稳态永磁操作机构作为执行单元，以单片机微控制器为核心，具有漏电保护、过载短路保护、定时控制等功能的智能万能式保护开关。

本方案中将采用家用智能型保护开关组成需求侧管控系统的二级保护系统。将家用智能型保护开关配置在台区典型用电户进线端，实时监测该用电户的用电信息，包括实时负荷电流、实时漏电流，当家用智能型保护开关监测到该用电户出现过负荷用电时，开关将在设定的时间内执行脱扣跳闸，将超限用电的家庭用户及时断开，避免该用电户的过负荷影响到线路和整个台区。减少了故障的停电范围，使台区过负荷问题的处理更加具体化。

通过统一监控平台和台区两级智能保护体系共同构建了台区需求侧智能管理系统，实现了台区、线路和各家庭用电户用电情况的实时监测与控制。通过监控平台的决策分析引导用户在用电集中的高峰时段合理用电、错时用电，保证台区配变在春节期间处于过载以下状态运行。

4 结束语

本文从台区需求侧智能化管控角度对当前电力系统“春供”问题提出了一种解决方案。通过本方案的实施，将在一定程度上缓解目前“春供”问题中存在的供用电矛盾。当台区处于过负荷状态时，通过自动化手段将当前状态典型的用电大户及时切除，避免了因部分用电大户的过负荷用电引起线路和变压器的过载故障，减小了台区过负荷故障的影响范围，也缩短了台区的停电时间。减少了在春节等敏感时期的负面社会影响，更有助于供电企业塑造高效率、高科技化的企业形象。

[1] 黄光德.山区县级供电企业春节期间配变过载烧损的原因及防范[J].大科技,2012,12(11);99-100.

[2] 陈晴,吴国忠,孙翔.提高500 kV大型变压器过载能力的研究[J].机电工程,2010,27(12);94-97.

[3] 叶兴贵,缪希仁.基于ZigBee的智能家居物联网系统[J].现代建筑电气,2010,1(9):25-28.

[4] 曹培,翁慧颖,俞斌,等.低碳经济下的智能需求侧管理系统[J].电网技术,2012,36(10):11-16.

[5] 岳仁超,尤文锋,孙建东.智能配电台区在低压配电系统中的应用[J].低压电器,2013,32(13);47-49.

[6] 谷伟,刘伟.浅谈漏电保护开关在低压配电网络中的应用[J].活力,2011,18(7):75.

An Intelligent Management System at the Demand-side of the Distribution Area Faced with “Spring Power Supply”

Yue Renchao, You Wenfeng, Sun Jiandong

(State Grid NARI Technology Development Co., Ltd., Nanjing Jiangsu 211106, China)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.03.020

TM712

A

1000-3886(2017)03-0065-03

定稿日期: 2016-10-07

岳仁超(1982-)男，山东日照人，工程师，研究方向：电力电子与电力传动、配网自动化。