山东低压配电物联网数据采集及应用分析

由新红，张志轩，李 帅，张鹏平

（国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003）

0 引言

配电网作为电力系统神经末梢，直接面向千家万户，是影响用户供电可靠性和优质服务水平的关键环节［1-2］。近年来，随着传统电网与物联网技术的相互渗透和优质服务标准的不断提高，中压配电网网架结构日益健壮、设备入网检测力度不断加大，配电自动化覆盖率持续增长［3-4］，线路故障停电率逐年下降。然而，低压配电网的发展受到多种因素制约已明显滞后于中压配电网［5-8］：一是低压配电网点多线长面广，网架结构复杂，设备质量参差不齐，难以通过远程通信方式建立自动化“三遥”系统，低压配网数据层面基本处于“黑盒”状态［9-11］；二是相关标准执行力度不足，设备标准化程度不高，各类监测设备硬件独立、软件固化，数据采集及其通信方式随制造厂家不同而各成一家，扩展性、灵活性差、业务需求响应不及时，滞缓数字化低压配网发展进程［12-13］；三是低压配电网用户性质多样，负荷波动较大，而储能、分布式光伏等新能源接入比例的不断增加，加剧了低压配网电压波动、三相不平衡等问题，同时也引发了高比例弃风弃光率问题［14-16］。因此，解决配电网数据采集及应用薄弱环节，提高配电网建设运维管理水平，提升客户优质服务水平是当前推动配电网发展的必经之路。

2018 年国家电网有限公司印发《关于做好智能配变终端应用工作的通知》（设备配电［2018］35号），明确提出了“探索实践以智能配变终端为核心的配电物联网技术”“构建低压配电网运行监测体系”“提升配电网精益管理水平”，国网山东省电力公司贯彻落实相关工作部署，以“探索建设以智能配变终端为核心的配电物联网示范区”为目标，基于“云、管、边、端”技术架构，先后建成试点配电室和省级配电物联网云主站，推广智能配变终端应用，以低压台区数据采集为基础，积极开展台区运行状态监测、营配数据交互、故障定位与主动抢修等试点应用，实现低压配电网运行状态可观可控，为配电网精益管控提供有力支撑。

深入分析山东低压配电台区融合终端数据采集现状、营销侧电能表数据采集现状，计及现阶段技术应用及建设成本，提出下一步低压台区数据采集优化方案。进而基于台区智能融合终端的采集数据，从配网设备精益运检、营销客户优质服务、新能源消纳与新负荷管理三个角度分析了当前低压台区数据应用现状，最后，深度挖掘数据价值，从提升电网企业内部建设、服务经济社会发展两个层面，提出了低压配电网数据拓展应用方向。

1 数据采集技术分析

1.1 数据采集现状分析

低压配电物联网整体拓扑架构如图1 所示，其中，RF 表示射频，RS-485 为通信接口，M-BUS 为总线通信。10 kV 母线经台区变压器降压，依次通过框架断路器—低压母线—电缆分支箱—表箱—用户电表，至低压用户负荷。分支箱子终端和表箱子终端分别采集箱内塑壳断路器的开关状态和交流采样信息，各终端以脉冲电流注入方式实现低压拓扑自动识别，表箱子终端可实时监测用户停电信息并上传至配电云主站。通过建立I型集中器与融合终端通信机制，实现电压、电流数据、日冻结、电表档案等数据就地贯通，宽带电力线载波（High Power Line Carrier，HPLC）智能电能表停电信息无延时上送至配电云主站。

图1 低压台区整体拓扑架构

融合终端作为低压配电物联网的边缘计算节点，是“边端数据自组织，边云业务自协同”的载体和关键环节［17］，实现台区智能终端硬件平台和软件功能的解耦。对下，边缘计算节点与端设备通过数据交换实现边端协同，支持端对边的即插即用接入，实现数据全采集、全感知、全掌控［18］；对上，边缘计算节点与云主站实时交互关键运行数据实现边云协同，支持边对云的自注册及新应用程序（Application，APP）虚终端方式接入云，减低云端数据处理压力，实现台区自治［19-21］。

1.1.1 融合终端数据采集现状

融合终端对下层设备一般采用RS-485 串口和HPLC 宽带载波两种通信方式，对上通过4G 通信模块与云主站进行数据交互。融合终端采集APP，采集下层多功能表、电子式塑壳断路器、剩余电流保护器、集中器、末端终端、智能电容器和浪涌保护器等设备的数据，融合终端采集APP清单如表1所示。

表1 融合终端APP

1.1.2 营销侧电能表数据采集现状

自2009 年起，全面推进用电信息采集工程建设，2015年实现了智能电能表和用电信息采集“全覆盖”，其中93%以上客户采用“Ⅱ型集中器+485 电能表”采集方案，不足7%的客户采用“Ⅰ型集中器+HPLC智能电能表”采集方案。Ⅰ型集中器安装在台区总表处，通过电力载波采集电能表信息，以GPRS等无线方式直接上送至用电信息采集主站；Ⅱ型集中器安装在台区低压侧计量箱内，通过RS485 采集电能表信息，信息上行同样采用GPRS等无线方式。

营销侧电能表数据上送至配电云主站有两种试点方案。方案1：I 型集中器+末端感知模块+II 型集中器+485 电能表；方案2：I 型集中器+HPLC 智能电能表。两种方案分别如图2、图3所示。

图2 方案1交互架构

图3 方案2交互架构

方案1：在II 型集中器处加装末端感知单元，读取电表数据，通过宽带载波（HPLC）方式将采集数据传输至I 型集中器，I 型集中器通过4GVPN 专网将电量等数据直接上传至用采主站，同时通过RS-485与融合终端进行数据交互。融合终端通过4GVPN 专网将数据上传至配电云主站。

方案2：I 型集中器与载波电表采用HPLC 通信方式进行通信，数据交互遵循面向对象DL/T 698.45规约或DL/T 645—2007 规约。I 型集中器通过4G 公网/专网将电量等数据直接上传至用采主站，同时通过以RS-485 与融合终端进行数据交互。融合终端通过4GVPN专网将数据上传至配电网云主站。

1.2 数据采集优化提升

除新建试点台区外，对已建台区的塑壳断路器等开关，均通过配置多功能表、分支箱/表箱子终端设备、加装线路电流互感器，采集开关状态、交采数据等信息，并将采集的信息上送至融合终端。而配电网点多面广、开关设备量大且分布范围广，电流互感器和开关采集子终端也随之数量庞大，是配电网投资建设中不可忽视的一项成本，另一方面，加装分支箱、表箱子终端的方式，使得融合终端下发的遥控指令无法直接到达开关设备，限制了未来对台区开关实现远程遥控操作的发展进程。数据传输信道方面，仅试点台区具备低压台区完整拓扑，采集子终端通过RS-485串口或者HPLC载波通信方式与台区融合终端进行数据通信，RS-485 通信受传输距离和设备容量限制，无法满足实际台区建设需求，HPLC 载波通信方式，因低压电力线本身的介质、结构、负荷影响，载波信号抗干扰能力较差，无法实现低压台区高可靠性数据传输建设目标。

针对目前低压台区数据采集方式和数据交互现状，考虑现阶段技术应用及建设成本，构建“HPLC电力载波+微功率无线”双模通信网络，规范配电设备标准化物联接口，降低采集装置冗余度，提高低压台区数据传输灵敏度，进一步提高低压侧设备状态、用户负荷、分布式能源等区域性的源、网、荷信息感知度，利用数据融合价值，将云主站打造为山东低压能源互联网运行决策支持中心。优化后低压台区拓扑架构如图4 所示。按照此技术方案，塑壳断路器、剩余电流保护器等采用低压智能断路器，不需要再对应加装线路电流互感器和相应的采集子终端，其运行信息可通过内嵌通信模块直接上送融合终端，用户侧HPLC 电表停复电信息可通过I 型集中器实时上送至融合终端。

图4 优化后低压台区拓扑架构

2 数据应用分析

2.1 应用现状

遵循公司配电物联网体系架构，以配用电领域应用需求为导向，开展以台区智能融合终端为基础的配电物联网应用场景建设。从配电网专业应用角度出发，将台区智能融合终端的数据应用按照场景划分配网设备精益运检、营销客户优质服务、新能源消纳与新负荷管理三大类，包括8个应用场景。

1）支撑配网设备精益运检。包括配变运行状态监控、故障精准定位与主动抢修、电能质量监测与供电可靠性分析3个应用场景。

配变运行状态监控。基于台区智能融合终端交流采集基础数据，分析配电变压器运行工况、设备状态数据、环境情况及其他信息并上传云主站。

故障精准定位与主动抢修。融合终端实时获取配变低压侧设备停电、复电事件，就地分析事件真实性、故障定位及停电范围并上传云主站，主站确认后即刻发起抢修工单并通知到户。

电能质量监测与供电可靠性分析。融合终端就地分析低压配网三相不平衡、谐波等电能质量问题，计算台区可靠性数据并上送主站，实现配网就地治理。

2）营销客户优质服务。包括台区精益线损监测、低压用户接入方案优化、反窃电实时监测3 个应用场景。

台区精益线损监测。融合终端实时监测电压、电流、有功、冻结电量等关键数据，就地开展台区分路、分相线损统计分析并送至云主站，实现低压线损实时监管。

低压用户接入方案优化。综合考虑设备和线路承载能力、负荷特性、分布式电源容量等因素，自动生成用户接入方案。

反窃电实时监测。融合终端就地计算台区、分支和用户侧的线损数据，实现台区内分时、分段精益化线损管理，就地分析、定位窃电行为，并上送到云主站。

3）新能源消纳与负荷管理。包括新能源灵活消纳与智能控制、电动汽车有序充电与充电桩布点优化2个应用场景。

新能源灵活消纳与智能控制。融合终端融合新能源接入、台区运行工况等信息，形成符合用户用能方式的新能源工作策略，调节用户弹性负荷，保障配网经济运行。

电动汽车有序充电与充电桩布点优化。融合终端根据配变负载率、充电桩群充电功率信息，最优配置配变负载资源及充电桩布点，依托不同充电策略下的分时电价、充电积分等，引导用户有序充电，实现用户经济效益和配变利用率最大化。

2.2 拓展应用

2.2.1 电网行业内部产业生态链

对于电网行业内部产业，配电网智能化感知与物联网络的大规模应用，为构建电力行业生态链提供了大数据资源库，低压配电网运行透明化、数字化的发展趋势，推动着传统电力装备智能感知、就地决策的革新，基于特征识别的台区负荷精准预测，为满足客户个性化、多元化、智能化服务需求提供了数据基础，网架结构、设施设备现状、用电规模、分布式电源等数据的深度融合，为配电网的科学规划与精准投资提供决策支持。

智能设备生态链建设。通过台区、线路、管道的物联网化改造建设，提升传统电力装备智能感知、决策能力，降低生产人员劳动强度和设备安装运维成本，促进设备制造智能化水平和配电运检自动化水平提升，建立新型配电一次设备转型升级和智能化融合的产业生态链。

客户服务水平智能化提升。基于具有非侵入式电力负荷辨识的新型智能电表等端设备，获取低压用户负荷辨识信息，上送云主站。云主站结合用户各类负荷接入时段、平均功耗以及分时电价政策，以网上国网或短信的形式将对用户用电行为调整和节约用电建议推送给用户，从服务上保障个性化、综合化、智能化服务需求。

配电网科学规划与精准投资。充分利用边端全息感知数据，结合区域网架结构、设施设备现状、配网薄弱环节、用电规模、负荷分布等信息，考虑区域内用电用户特征、经济发展状况、环境地貌、分布式电源等情况，在云端智能制定具有灵活性和经济性的配电网规划和投资方案，实现配电网的科学规划与精准投资。

2.2.2 支撑经济发展和社会服务

对于经济发展和社会服务，配电网物理网架建设和物联网络的搭建，为构建电、气、热、冷综合能源广泛互联有机融合的区域能源互联网提供了物理平台和信息通道，全面提升社会服务能力，配电网特有的对社会用电量数据的时空感知属性，为研判经济运行趋势、制订污染防控方案、分析改善民生战略成效、防控电力金融风险提供决策支撑。

能源平台构建与综合服务拓展。在供电、供气、供冷、供热等各种能源供应系统的规划、设计、建设和运行的过程中，依托设备侧泛在电力物联网在配电侧的平台和通道，对各类能源的分配、转化、存储、消费等环节进行有机协调与优化，实现负荷预测、设备管理、信息化管理、配电运维、需求响应提供有效的决策支撑服务，满足供能多元化、服务多元化、用能方式多元化的客户需求，实现能源资源最大化利用的运行模式和技术。

配用电数据价值共享。基于企业中台大数据采集、处理、分析、可视化等技术，深度挖掘社会用电量等数据价值，为经济分析、节能环保、保障民生、金融投资等方面提供丰富的数据支撑。一是研判经济运行趋势，充分利用数据价值，从行业、产业、规模用户等多角度分析经济发展趋势，优化区域产业结构，因地制宜推动区域经济良性发展。二是辅助制定污染防控方案，根据重点污染防控企业用电量变化数据，分析企业生产重污染元素改善指数，助力各行各业绿色发展新趋势。三是支撑改善民生成效分析，跟踪中小企业电量变化、小区空房率、机井通电惠民、煤改电扶贫、光伏收益等民生数据，分析新旧动能转化、扶贫成效、乡村振兴等战略的建设成效，为政府部门提供计算数据支撑。四是防控金融投资风险，根据企业的用电量波动、用电量趋势、用电差异度、行业用电量对比分析等数据，分析企业信用水平，为理财投资服务、能源保险服务、信贷服务等金融业务提供数据支撑。

3 结语

围绕配电网是影响供电服务水平的关键环节”这一定位，紧密结合国家数字新基建和山东省配电物联网建设现状，深入分析了山东低压配电台区融合终端数据采集现状、营销侧电能表数据采集现状，计及现阶段技术应用及建设成本，提出了下一步低压台区数据采集优化方案。

进而，以能源网架、信息支撑、价值创造“三大体系”的深度融合为导向，基于台区智能融合终端的采集数据，从配网设备精益运检、营销客户优质服务、新能源消纳与新负荷管理三个角度分析了当前低压配网数据应用价值。

最后，提出了低压配电网数据深度应用价值，为提升电网企业内部建设，服务整个经济社会发展奠定了基础。