基于智能融合终端的台区运行状态监测系统设计

徐峥，王贵海，王思南，罗中，赵元

（1.国网北京海淀供电公司，北京 100031；2.北京电力自动化设备有限公司，北京 100044）

传统配电台区智能终端通常只具备某一特定功能需求，如用电数据采集、开关状态监测、环境状态信息采集等，且缺乏统一标准，设备接口与系统架构通常存在兼容性问题。通信网络带宽、时延、可靠性等与配电台区数据实时传输交互需求也存在一定差距[1-4]。

低压配电台区分布分散、设备众多，目前其运行管理、运维质量、控制模式距离智能化运维与服务要求尚存在一些差距[5-9]，主要体现在：1）配电变压器、开关节点、JP 柜等缺乏感知设备，分布式能源与充电桩等新能源的用电情况、台区网络拓扑与电气参数也难以有效识别[10]，导致无法主动感知重要设备运行状态和台区内用户用电情况；2）台区异常运行状态感知和故障排查依赖于人工巡检，工作量大且效率低。当前的配电台区运维管理仍停留在相对粗犷的“被动抢修”水平[11-12]，无法引导用户有序用电，进而影响低压配电网的电能质量和稳定运行。

基于此，开展了台区智能融合终端及运行状态监测系统的设计研究，以期实现低压台区运行异常状态的智能精准识别。

1 台区智能融合终端设计方案

台区智能融合终端部署在配变出线侧，处于主站与终端设备的中间，负责向主站提供低压配电台区的运行状态、设备状态、环境信息及其他基础数据。同时，具备对其所连接的终端下发上层决策或直接就地控制的功能[13]。

1）硬件架构：台区智能融合终端的系统架构，如图1 所示。其采用模块化的设计原则，硬件模块主要包括CPU、显示模块、交流采样模块、电源模块、上行通信模块和下行通信模块等。CPU 是台区智能融合终端的核心，负责所有的控制、通信功能；显示模块用于与运维人员的人机交互；交流采样模块实现交流强电信号的转换、采集和计算等功能；电源模块为台区智能融合终端提供稳定的工作电源；上行通信模块负责台区智能融合终端向上级主站传输监测数据；下行通信模块负责台区智能融合终端与下级终端设备控制指令等的信息交互。

图1 台区智能融合终端系统架构

2）软件平台方案：台区智能融合终端的软件平台设计方案，如图2 所示。该终端具备边缘计算节点特性，该文基于“硬件平台化、软件APP 化、高度标准化”的设计理念，采用开放型技术架构将数据采集、通信、控制三类接口进行封装。根据具体应用需求进行组合，既支持不同厂商的硬件产品，又避免了硬件资源的浪费。同时通过虚拟容器技术在Linux空间实现不同应用的独立封装部署，满足通信、采集、控制管理需求，具备设备运行监控、拓扑自动识别、电能质量治理、分布式能源管理、故障预警上报以及用户互动服务等功能。

图2 台区智能融合终端软件平台设计方案

3）通信网络方案：通信网络方案设计，如图3 所示。台区智能融合终端依托广泛的本地通信协议和大量设备接口，为不同种类终端设备的接入提供平台，进而实现了信息集成。其可以为配电物联网运行设备状态信息感知、用电数据抄收、配变监测、通信组网、本地化分析决策机制提供支撑。通过高速载波通信实现电能表、分布式光伏、充电桩等设备信息采集，利用RS-485 实现断路器、分支开关、补偿电容器、漏电保护断路器等设备的信息采集；通过射频技术与温度、湿度传感器通信，实现环境信息采集。

图3 台区智能融合终端通信网络方案

2 台区运行状态监测系统设计

2.1 系统整体架构

该文设计的基于智能融合终端的台区运行状态监测系统框架如图4 所示[14-16]，台区运行状态监测系统采用“云、管、边、端”四级架构。

图4 基于智能融合终端的台区运行状态监测系统框架

1）“云”：指云化的主站，将营销系统、PMS2.0 系统、供服平台、调度系统等多平台数据有机融合，实现业务应用功能的协同自治。

2）“管”：指主站与边缘设备的数据传输通道，目前常规的通道为4G 无线公网或230 Mbit/s 无线专网，具备数据加密性优、实时性强的特点。

3）“边”：指处于低压配电网台区设备侧的分布式智能终端，其采集设备运行数据，通过边缘计算等方式识别台区异常运行状态，实现台区就地智能化管理。

4）“端”：指低压配电台区中直接感知运行状态或执行控制命令的主体元素，包括一次设备、二次装置、智能传感器、通信单元等。

该文设计的智能融合终端属于“边”设备，也是低压配电台区运行状态监测的关键。

2.2 系统功能设计

基于智能融合终端的台区运行状态监测系统功能结构如图5 所示，主要包括用电数据分析、环境信息监测、变压器状态监测和其他辅助功能。

图5 台区运行状态监测系统功能结构

1）用电数据分析：台区智能融合终端通过采集电能表实时电能示值、日零点冻结电能示值、抄表日零点冻结电能示值、电能数据采集时的时标等数据，从而实现监测电压偏差、电压合格率和电压超限率统计，异常用电行为识别、告警以及故障定位。终端还可以对电能表运行状态进行监测，包括电能表参数变更、电能表时间超差、电能表故障信息、电能表示度下降、电能量超差、电能表“飞走”、电能表停走、相序异常、电能表开盖记录、电能表运行状态字变位等。

2）环境信息监测：在室外配电箱、配电房、变压器等需要监测环境状况的位置可以配置温湿度传感器，通过台区智能融合终端获取相应信息数据，实现环境信息的监测和智能控制。

3）变压器状态监测：台区智能融合终端通过采集配变低压侧的三相电流和电压，可有效监测电压、电流、功率因数、三相不平衡度、电压偏差、谐波含量、配变负载率等电气参数，实现了基本配变监测功能。终端还可以对抽头档位、绕组温度、风机启停情况等变压器状态信息进行监测。

4）其他辅助监测：台区智能融合终端可通过RS-485 等通信接口与智能电容器、智能换相开关等电能质量治理设备进行通信，实现治理设备的投切容量、共补/分补状态等信息监控。

同时终端还可与漏电保护动作保护器通信，获取其分断状态，设定保护值，对故障事件进行监测告警，并通过载波通信等通信方式实现低压台区用户侧运行状态等信息的远程采集与管理。

3 算例分析

以北京市某供电局台区的现场环境进行仿真测试，验证该文所提基于智能融合终端的台区运行状态监测系统设计方案的有效性。该台区基础信息，如表1 所示。

表1 某供电局台区基础信息

3.1 系统监测功能

基于融合终端的台区运行状态监测系统，对该台区变压器于2021 年2 月16 日-2021 年2 月17日的三相不平衡度、三相电压、功率因数、负载率进行监测分析。

1）三相不平衡度

该台区A 相负荷较大、B 相负荷较小，三相不平衡度为3%～48%，大部分时间超过了三相不平衡度限值15%。该台区的三相不平衡较严重，需调整负荷接入相序结构。

2）三相电压

该台区变压器三相电压范围为240～264 V，处于合理运行区间。

进一步计算台区末端电压，计算结果如表2 所示，其最小值为203.5 V，电压偏差小于10%，在合格运行范围内。

表2 该台区末端电压计算结果

3）功率因数

该台区变压器功率因数范围为0.75～0.99，最小功率因数远低于功率因数限值0.90，因此需要配置无功补偿装置。

4）配变负载率

该台区变压器负载率为9.8%～40.2%，监测时间内53.2%的时间处于轻载运行状态，46.8%的时间处于经济运行状态，该配变容量能够满足当前的负荷需求。

5）线损分析

应用所设计系统，对该台区2020 年12 月份的线损进行分析，结果如表3 所示。2020 年12 月份该台区实际线损率为8.35%，理论线损率为6.21%。

表3 该台区末端电压计算结果

3.2 系统应用成效

应用该文设计的台区运行状态监测系统对该台区2020 年1 月～12 月进行监测，异常运行状态监测结果如表4 所示。

表4 异常运行状态监测次数(单位：次)

由表4 可知，在应用该系统进行监测期间内，累计发现异常用电行为27 次、重过载278 次、三相不平衡323 次、低电压219 次、缺相断电32 次。在监测期间，成功处理重过载、低电压事件共116 起，平均异常运行状态处理时间由原先的35.2 min减少为18.7 min。可见，该文所提系统能够辅助运维人员开展重过载、低电压等异常运行状态筛选核实，大幅节省了人工排查时间，保障了台区的安全、稳定运行。

4 结束语

该文分析了智能融合终端的软硬件方案，开展了智能融合终端在低压台区辅助运维的应用研究，提出了基于智能融合终端的台区运行状态监测系统架构和功能设计方案。通过北京市某供电局台区进行的测试验证结果表明，文中所提系统能够智能实时监测台区变压器的三相电流、三相不平衡度、三相电压和功率因数等运行参数。通过应用所设计系统能够发现异常用电行为，监测重过载、低电压等事件，保障台区的安全、稳定运行。但文中设计运行状态监测仅适用于系统主站，为方便工作人员现场作业有必要研究设计相应APP 软件，这将在后续研究中开展。