基于智能配变终端的台区典型应用研究与设计

卢 丹，刘 洋，张琳娟，许长清，李俊刚，毋炳鑫

（1．国网河南省电力公司经济技术研究院，河南 郑州450052；2．许继电气股份有限公司技术中心，河南 许昌461000）

近年来，物联网的边缘计算理念逐渐在配电网融合并开展应用，为解决配电台区问题提供了思路：构建智能配电台区，将其中的智能配变终端作为就地数据处理中心，承载高级业务应用，实现对台区运行状态的在线监测、智能分析与决策控制。

1 配电台区架构

配电台区在配变侧、低压侧、用户侧分别部署各类低压感知设备，以智能配变终端为核心采集配电变压器、低压分支箱、低压电气数据、电能数据等信息的采集监测，再通过智能配变终端将台区数据按需分析、计算、整理后上送至配电主站[3]，如图1所示。

图1 配电台区系统构成

1.1 智能配变终端

作为配电台区数据监测及处理的中心，智能配变终端采用安全自主可控的国产工业级双核芯片，主频1 GHz；配置包括RS485总线、电力线载波、微功率无线、LTE、FE电口/光口等通信接口，同时具备交采采集能力，满足配电台区的各种信息接入需求。部署基于轻量化的Linux容器技术，支持各类App灵活配置，满足边缘计算的平台需求。

1.2 就地设备配置

1.2.1 配变及低压侧设备

主要包括配变低压侧互感器、本体智能感知元件、低压智能开关、智能监测装置等，监测配电台区电气量、开关量、非电气量等数据，并对低压智能开关进行分合闸控制。

1.2.2 低压线路侧设备

主要包括低压故障传感器等，监测低压线路电气量、开关量、非电气量，主动上报低压故障事件及位置，实现对低压配电网络的拓扑动态识别、线损阻抗分析等功能。

1.2.3 末端用户侧设备

主要包括低压智能换相开关、低压故障传感器、智能监测装置、智能电能表等，实现对低压用户的运行数据实时采集、停电事件主动上报、低压拓扑信息采集、自动换相负荷调节等功能。

1.3 通信系统

远程通信网：远程通信网主要满足物联管理平台与边缘物联代理之间高可靠、低时延、差异化的通信需求。通信方式主要包括光纤、电力无线专网、无线公网等[4]。

本地通信网：本地通信网主要满足边缘物联代理与采集终端之间的通信需求。通信方式主要包括电力线载波、微功率无线、RS485通信等。

2 配电台区典型应用

2.1 台区拓扑识别

台区拓扑识别业务是配电台区的业务基础。配电台区一般为树形结构，大多分为四级，即：低压出线柜、分支箱、配电柜和电能表箱，其中的监测装置和电能表通过有线或无线的方式，将通信地址及自身采集的电压、电流信息发送至智能配变终端，以此进行台区拓扑识别[5]。

2.1.1 拓扑初选

规定低压出线柜、分支箱、配电柜和电能表箱监测装置的通信信息地址起始信息分别为01～04，智能配变终端根据各级分支监测装置上送的设备参数信息进行拓扑初选，总体确定采集的电压、电流信息所处的层级。

表1 各级设备信息

2.1.2 各级节点拓扑识别

识别原理：在配电台区中，上下级进/出线电流存在两个特点：同一个分支箱的进线端的电流是其出线端电流之和，且为最大。出线端与其下一级分支箱进线端电流值必定相等。基于此可以确定各级节点进/出线的拓扑位置及联接关系。

具体方案：以一/二级拓扑联接关系识别为例，说明具体方案实施流程，如图2所示。

图2 拓扑识别示意

Setp1：读取起始地址为01的电流信息，并找到其中的电流最大值i1，确定该分支为一级出线柜的进线端，并将该分支标记为B1，同时将该分支的设备参数、通信地址等信息写入XML文件；

Setp2：按照电流幅值大小，依次将i11～i1n标记为B1/1～B1/n，作为B1的出线，在XML文件写入。例如B1/2，表示出线柜的2号出线。

Setp3：读取起始地址为02的电流信息，根据幅值最大、进/出线电流相等的原则，找到分支箱的进线端，并标记序号写入XML文件。例如，表示与出线B1/2联接的1号分支箱。

Setp4：按照电流幅值大小，标记分支箱的出线序号，写入XML文件。

其他各级节点识别方法同上，智能配变终端完成台区总体拓扑的识别。

2.1.3 台区变-相-户关系识别

根据台区总表及用户电能表的电压数据，进行电压数据相关性的分析，进行台区变-相-户识别。

采用Pearson相关系数法计算电压相关性[6]。首先，在一天24 h内每隔15 min，智能配变终端依次获取各台区总表三相电压数据Uai、Ubi、Uci，以及各用户表的数据Uk。然后，计算用户表与各台区总表各相的相关性。

分析计算所得电压相关系数，若某用户表与台区中某一总表其中一相（例如A相）的相关系数最大，则认为用户表联接与该台区总表的A相。参照前述分支序号的编号方法，在台区总表序号后描述相别，作为本用户表的信息写入XML文件。

根据以上步骤，完成台区拓扑及变-相-户关系识别，智能配电终端将记录拓扑信息的XML文件上送至配自主站，供运维使用。

2.2 线路阻抗分析

结合智能电能表及用电信息采集技术的应用，台区智能终端可以获得用电数据信息，在台区进行低压配电线路阻抗分析，研判低压配电线路老化，减少系统故障，并可识别窃电嫌疑。

智能配变终端通过采集末端监测单元、分支节点监测单元等设备的实时与历史运行数据，计算和分析台区低压各节点的回路阻抗，如图3所示。

图3 用电信息采集系统

根据配电台区的系统简化模型如图4所示。依次计算各用户端的阻抗值，对于正常的低压配电线路，阻抗值以约0.039Ω/100 m的趋势增加，且不大于0.2Ω。

图4 台区配电线路简化模型

分析计算结果：若某条配电线路计算所得得阻抗大于0.2Ω，则说明该条线路存在老化现象；若某条配电线路的阻抗值突然变大，则说明该用户电能表可能被短接，导致在ΔV正常的情况下，流经电能表的ΔΙ≈0，以此可认为该用户存在窃电嫌疑。

智能配变终端根据计算结果，对每段配电线路进行状态预警并上送至配电主站，使得运维人员能够及时掌握各配电线路的工况，进行精益化运维提升。

2.3 三相不平衡治理

如图5所示，在台区单相用户的前端部署智能换相开关设备。智能配变终端通过4 G等通信方式采集各智能换相开关安装处的电流、电压信息。结合配变出线端的三相总负荷电流及电压，进行不平衡度的识别及换相开关的投切。

图5 三相不平衡治理系统

为保证智能换相开关的使用寿命，一般以最小换相次数作为控制策略进行开关的投切。

首先，根据当前各换相开关的相位进行分类，形成三相负荷原始状态表，表中记录换相开关身份标识、相位信息及其负荷情况。然后，根据Ita、Itb、Itc的正/负情况确定负荷的转出/入。其中，正值表示转出负荷、负值表示转入负荷。

为实现三相负荷不平衡，实际有一相负荷向两相转移、两相负荷向一相转移两类负荷转移方式。假定A相负荷需向B、C两相转移，简要说明负荷转移方法。

将当前A相负荷按照幅值依次排序，并标记各负荷对应的换相开关。

从最大负荷Iamax开始判别，若该负荷是否在B/C相待转负荷范围内，则预判该负荷转移至B/C相后的三相负荷值，并计算三相的不平衡度。

比较此时的三相不平衡度，若三相不平衡度均减小，则将该换相开关加入B/C相的执行队列。

按照同样的方法继续下一负荷判别，直至各相不平衡度小于预设的不平衡度定值Iumb，完成判别。

根据各开关的执行队列，控制待执行的换相开关操作。

两相负荷向一相转移同上述方法类似，最终使得三相不平衡达到预设值范围，完成不平衡调节。

2.4 低压故障研判

当前台区智能配变终端及就地智能设备的部署，为低压系统故障研判提供了实施基础，如图6所示。

图6 台区故障研判系统

智能配变台区的分支箱、用户表箱等位置部署带有后备电源的低压智能监测装置，该装置具备停电检测功能，当智能监测装置监测到用户表、低压漏保等设备停电时，主动将设备停电信息，通过无线（LoRa/载波）的方式实时上传至智能配变终端。根据各级监测装置的停电信息，智能配变终端对台区故障进行研判、定位故障点，并主动上报停电事件。

故障研判及定位：采集并判别各个智能监测装置的停电遥信状态和电压电流遥测数据：当某个智能监测装置及其下游设备的停电遥信状态为1，且该分支的电流小于无流门槛、电压失压，则该分支停电。结合前文方案确定的一次拓扑关系，查询该分支所处的位置，并上报故障信息。例如F1故障时，K2处低压保护断开，K2处总表及该分支末端的用户表停电遥信状态为1，且各节点失压、无流，此时认为电能表箱K2分支发生故障，上报主站并通知运维人员处理电能表箱K2分支的故障。

停电事件主动上报：对于配电箱及分支箱，采集并检测各进/出线的开关状态及遥测值，识别并上报各进/出线的停电事件。对于用户表，周期性采集各电能表的拉闸状态字，若连续3次通信不成功，则识别为该电能表故障停电并上报；若采集到某电能表为“拉闸”状态时，识别为欠费停电并上报。除上述典型应用外，在台区智能化的总体架构下，智能配变终端还可以开展低压用电负荷感知、配变运行智能监测、台区负荷预测、电动汽车有序充电控制等诸多业务功能，在台区全面感知的基础上，提升台区的管理水平。

3 试点应用

根据当前智能化台区的建设思路，本文设计的典型业务方案以智能配变终端为承载完成了功能模块App化，并选择在河南郑州及鹤壁两市对低压供电可靠性、服务水平要求高多个台区进行试点建设工作。

实现台区运行状态监测。采集进出线运行数据，实时掌握低压线路电压，电流等数据，并完成对低压开关的分/合状态、剩余电流值和告警等信息的监测。

实现台区的运行状态诊断及管控。对设备轻重载、低电压、三相不平衡等问题进行智能诊断、定位。

提供台区数据展示。提供配电网线变关系、台户关系等拓扑数据和停电异常事件等运行数据，提供拓扑路径、停电范围等可视化展示服务。后续将按照配电物联网技术路线，在智能配变终端与配电自动化主站系统的就地决策、“云-边”协同管理机制方面加强研究，支撑低压配网的便捷运维服务能力的建设。

4 结束语

在配电台区智能化、物联网化的发展趋势下，本文以智能配变终端为中心，同时基于台区智能采集、感知设备的接入，构建智能配电台区系统，并结合边缘计算的理念，研究并设计了台区拓扑识别、线路阻抗分析、三相不平衡治理等典型业务方案，开展试点应用后，效果显著，可为智能配电台区的建设提供支撑。方案推广后，不但能够使台区数据得到有效处理及利用，而且可助力运维提升，提高配电台区的精益化化管理水平。