智能配变终端的研发及工程应用

颜 勇 ，汪东军 ，田 晓 ，张立国 ，张 帅

（1.国网山东节能服务有限公司，山东 济南 250021；2.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003）

0 引言

传统配网中台架式配变台区的标准配置包括变压器、配电箱、计量箱、无功补偿装置等诸多设备。配电箱中安装变压器监测终端以实现对变压器的在线监测及无功补偿控制；计量箱中安装用电信息采集终端以实现对计量电表远程数据的采集；无功补偿设备通过自动投切电容实现对低压侧无功缺口的补偿。这种同种信息的多次采集、分别处理的方法缺点突出，存在台架设备众多、占地面积大、现场施工复杂、智能监测设备重复投资、运行维护成本高等问题［1-2］。

同时，配变台区无功补偿作为配网节能降损的主要技术措施，随着配网节能改造项目的大力实施，配网台架就地安装了大量无功补偿装置。这些设备位置分散，造成配网无功补偿维护和管理困难，设备健康状态无法及时准确掌握，设备的无功投入及带来的节电效果不能进行量化评估。同时，相对于配网节能降损和生产运营不断增大的压力，配网无功监控管理滞后，管理手段仍然粗放［3-4］。

为解决配网无功补偿控制与监测管理的诸多问题，研发SDJN-DU-Ⅱ型智能配变终端，并依托综合配电箱（JP柜），开发建设无功节能及运维支撑平台，即山东配电网能效管理系统。

1 智能配变终端的研发

1.1 基本功能

智能配变终端是JP柜内的核心采集和控制单元，由具有数据采集和处理功能的终端主体部分和对外通信部分组成，能够实时采集用户的用电信息、供电状况、电量信息、电表计量数据等各项用电数据；保存历史用电数据、采样脉冲量、开关量信号；处理液晶显示和键盘响应；根据预设参数进行遥控跳闸；根据电网无功需求进行电容器的投切；按主站要求上传数据或定时主动上传任务数据［5］。

一个终端集成了传统JP柜中信息采集单元、无功补偿控制器、抄表集中器3款终端的功能，大大减少了设备数量，降低了接线工作量，减少了安装空间要求，具备良好的推广价值。终端前面板如图1所示。

图1 智能配变终端

1.2 硬件架构

终端硬件主要包括处理器模块、电源模块、电能表数据采集、电参数采集与测量模块、通信模块、I/O口应用、LCD模块等。硬件架构如图2所示。

处理器模块采用基于32位的ARM7TDMISCPU的嵌入式微控制器LPC2292，包含2个UART口、1个SPI口、1个I2C口和2个CAN口等多种通信接口，非常适合于进行网络传输、协议转换和控制的智能配变终端。强大的处理功能满足嵌入式系统的网络速度和数据存储速度要求较高的需求，具有较高的可靠性、集成度，较低的功耗，并且还可提供大数据容量存储［6］。

图2 终端硬件架构

测量模块。测量模块完成无线配电监测终端实时监测遥测模拟量的功能。测量模块主要由电能计量芯片ATT7022A及3组电流互感器（TA）和电压互感器（TV）组成，如图 3 所示［7］。

图3 测量模块结构

图4 终端软件架构

互感器。配变低压用户侧电流一般为10～1000A，需通过电流互感器为配电监测终端提供5 A的输入电流信号。配变用户侧电压可以直接接入电压互感器。选用的电流互感器精度为0.1级，负载阻抗为20 Ω共3个，电压互感器规格为220 V／0.5 V，数量3个。

1.3 软件架构

终端软件系统开发调试环境是ADS1.2。软件架构如图4所示。

数据采集与处理。对遥测模拟量进行实时监测，对变压器电压、电流信号进行谐波分析，并完成数据定时存储和上传，其流程如图5所示［8］。

图5 测量模块程序流程

抄电表任务。抄电表任务负责电表通信和处理。收到消息或者到抄表时间后即向电表发送命令，把返回的电表数据根据要求存储或上传。若发生通信异常，任务会重新向电表发送数据帧，若重试次数超过设定值则表明通信失败，则存储当前错误信息并上报主站。任务流程如图6所示。

2 山东配电网能效管理系统

能效管理系统集无功补偿监测、配变监测、电能质量监测等功能于一体。系统采用省级集中部署BS建设模式，地市级通过web浏览器使用。终端采集的数据通过4G网络（VPN）的方式传输，集中到省级能效数据中心管理，实现指标计算、能效监测、能效分析、节能设备管理、供电质量分析、应用效果分析等功能［9］。系统主要包括系统层、通信层、设备层3部分，如图7所示。

图6 抄电表任务流程

图7 系统总体架构

系统采用集中部署的模式，部署在安全Ⅲ区，网络拓扑结构如图8所示。

系统主要业务功能包括能效监测、能效分析、节能设备管理、停电监测分析等。

2.1 能效监测

能效监测主要是对无功补偿的投入和节电效果的实时监视，满足管理人员对配网运行状态、节能指标的全面了解，便于进行综合管理和控制。数据通过地理信息图、仪表盘、曲线、列表等形式进行展示，导航方式包括地理拓扑和列表两种。

图8 系统部署架构

全省监测。以地理信息图的方式显示全省节能改造的总体情况，包括节能改造线路条数、节能改造台区个数；400 V节能装置数量、投入台数、当前时刻投入容量、累计投入容量、在线率。显示当年累计节约电量、当年累计节约标煤、碳排放、平均功率因数、无功补偿投入总容量和昨日配置容量利用小时数等关键指标。包括信息提示、节电量监测、平均功率因数监测、配置容量利用小时数监测等功能。如图9所示。

地市监测。以地理信息图的方式展示每个地市节能改造的总体情况，包括节能改造线路条数、节能改造台区个数；400 V节能装置数量、投入台数、当前时刻投入容量、累计投入容量、在线率。显示当年累计节约电量、当年累计节约标煤、碳排放、平均功率因数、无功补偿投入总容量和昨日配置容量利用小时数等关键指标。可监测区县节电量和设备在线率、改造台数，便于整体了解设备的投运和取得的效果。如图10所示。

10 kV线路监测。显示10 kV线路的台账信息，内容包括线路所属区县、变电站、线路名称，同时显示该线路下所安装的节能装置台数。选择某条线路，可以显示该线路下所属台区的台账信息，包括台区名称、配变型号/容量、设备号、配置电容器容量、电容器投切状态和容量。

图9 全省能效概况

图10 地市能效概况

台区监测。显示台区的基本信息，包括台区所属地市、线路，配变容量/型号、设备号等信息。包括图标分析、节电量统计、投入容量统计、数据列表等功能。

2.2 能效分析

在对全省台区无功补偿装置的自动监测基础上，实现节电量、无功投入容量和电能质量改善等统计分析工作，量化分析配电网无功补偿设备的节能降损效果，为配电网经济、高效运行提供依据。包括基础统计报表（节电量统计、投入容量统计、功率因数统计、带电时长占比统计）、电能质量分析、采集数据查询等分析功能。

2.3 节能设备管理

目前配电网无功设备管理与维护存在较多问题，通过平台进行统一管理，借助通信手段，实时掌握设备运行状态，建立异常预警机制，开展离线、未投运等设备的月度运行分析，及时发现设备的隐患，自动给出问题设备明细信息，为低压设备抢修和消缺工作提供针对性指导，支撑配电网主动运维，减轻设备运维工作量、提升设备运行可靠率、节约人力物力成本。节能设备管理分为设备台账管理、参数管理、设备日报/月报分析、设备异常数据分析、低压设备抢修和消缺记录等模块。

2.4 停电监测与分析

当配变台区某一路线路发生停电事故时，JP柜配变终端及时主动上送该线路的开关位置和停电信号到支撑平台，及时发现不正常停电，系统对停电信号进行预警，支撑故障抢修由被动到主动的转变，提升客户的满意度。

10 kV配网故障停电的原因比较复杂，通过系统记录的停电时间及停电次数，经运维人员将停电原因录入后，支撑平台能够分析对停电进行不同类型的分析，为规划设计、工程施工、设备采购及验收、运行维护和客户侧工作等方面的预防工作，提供有力的数据支撑［10］。

3 结语

近年来国家电网公司对配网改造持续投入，JP柜（含智能配变终端）已在山东电网全面推广，所研发的SDJN-DU-Ⅱ型智能配变终端成功推上市场。

采用SDJN-DU-Ⅱ型智能配变终端作为JP柜的采集和控制单元，可将所有运行数据统一上传，消除了不同业务系统间的信息壁垒，提高了各种信息的内在关联性，实现了对配变台区综合性业务的统一、完整、规范描述，降低了设备成本和通信成本，减少了安装空间的要求，减少了接线难度，降低了运行维护工作量。