鄭 杰，溫啟良，孫 俊，王 濤，馬天恒

（南方電網(wǎng)深圳數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司，廣東深圳 518000）

引言

在國(guó)家經(jīng)濟(jì)騰飛的情況下，配用電領(lǐng)域取得了很大的發(fā)展。但隨著科技的發(fā)展以及用戶對(duì)用電質(zhì)量的要求不斷提高，過(guò)去配電網(wǎng)絡(luò)中的運(yùn)行方式與維護(hù)方式已經(jīng)不能對(duì)國(guó)家電網(wǎng)的發(fā)展產(chǎn)生促進(jìn)作用。而供電與配電的設(shè)備作為整個(gè)配電網(wǎng)中的基礎(chǔ)設(shè)施，傳統(tǒng)的安全檢測(cè)手段對(duì)于事故后的維修和定期檢修都不能保證現(xiàn)代化的用電安全和電能質(zhì)量，因此目前變配電行業(yè)的發(fā)展呈現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化、保護(hù)、控制、測(cè)量和數(shù)據(jù)通信相統(tǒng)一的趨勢(shì)。作為電能傳輸中“最后一公里”的低壓配電領(lǐng)域，傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)已經(jīng)成為瓶頸及短板。對(duì)配電系統(tǒng)的創(chuàng)新已經(jīng)成為當(dāng)下的重要課題。

1 智慧配電系統(tǒng)的組成和工作原理

智能化低壓配電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了低壓配電系統(tǒng)一次二次設(shè)備深度融合，根于傳統(tǒng)、打破傳統(tǒng)、并超越傳統(tǒng)，完美融合傳統(tǒng)常規(guī)塑殼/框架斷路器、微機(jī)保護(hù)監(jiān)控裝置、全電量電力儀表、計(jì)量電度表、電流/電壓互感器、電氣火災(zāi)/溫度探測(cè)器、環(huán)境監(jiān)測(cè)器、無(wú)功補(bǔ)償控制器、工業(yè)變送器、通訊線纜等設(shè)備與功能于一體，使低壓配電柜無(wú)需安裝各類儀表、無(wú)需電路復(fù)雜接線、無(wú)需敷設(shè)通訊回路，同時(shí)精準(zhǔn)主動(dòng)瞬時(shí)無(wú)功補(bǔ)償提高能效、智能測(cè)控用電過(guò)程、為智能生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)，真正意義上做到了電能的可視、可控、自動(dòng)調(diào)度、按需分配、隨時(shí)隨地盡在掌握。借用智能斷路器得到的各種數(shù)據(jù)量，例如模擬量、信號(hào)量、故障信息等等，基于互聯(lián)網(wǎng)中的wifi通信，將信息傳輸?shù)浇⒌脑破脚_(tái)系統(tǒng)中構(gòu)成無(wú)線的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，系統(tǒng)再根據(jù)信息處理響應(yīng)用戶的需求變化，為用戶提供更加全面的服務(wù)。

1.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

智能化低壓配電系統(tǒng)由感知層、傳輸層、控制管理層和應(yīng)用分析層組成，底層硬件傳感器負(fù)責(zé)采集信號(hào)，傳輸層將數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳到云平臺(tái)器，通過(guò)統(tǒng)一的管理控制，實(shí)現(xiàn)上層應(yīng)用、分析和服務(wù)。通過(guò)一二次設(shè)備融合技術(shù)，將數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、微機(jī)保護(hù)、通信等設(shè)備融合于開(kāi)關(guān)本體。在離線狀態(tài)下，設(shè)備可就地實(shí)現(xiàn)微機(jī)保護(hù)等功能，也可通過(guò)光纖與同一系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行通信，自動(dòng)協(xié)同實(shí)現(xiàn)故障自愈功能。基于物聯(lián)網(wǎng)斷路器和云平臺(tái)的智能化低壓配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)斷路器和云平臺(tái)的智能化低壓配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 智能化低壓配電系統(tǒng)的工作原理

1.2.1 一二次設(shè)備融合技術(shù)

目前電力系統(tǒng)中的一次設(shè)備和二次設(shè)備是分開(kāi)安裝的，電能輸送跟測(cè)量保護(hù)裝置處于分離狀態(tài)，智能化水平較低。本研究提出的一二次融合是將部分二次設(shè)備智能單元安裝在一次設(shè)備中，這樣一次設(shè)備內(nèi)同時(shí)具備測(cè)量、計(jì)量、繼保、監(jiān)測(cè)、控制等功能。通過(guò)系統(tǒng)重構(gòu)設(shè)計(jì)，將傳統(tǒng)斷路器與智能電子設(shè)備結(jié)合，構(gòu)成智能低壓斷路器。該智能低壓斷路器同時(shí)具備斷路器的分合功能和分?jǐn)喙δ?，控制器的可編程遠(yuǎn)程操作功能，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)功能，電能測(cè)量計(jì)算功能，微機(jī)綜合保護(hù)裝置、測(cè)控和信號(hào)狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能，節(jié)能補(bǔ)償裝置的無(wú)功投切功能等。各類電量變送器的4～20 mA信號(hào)輸出，溫度控制設(shè)備的4～20 mA采樣，使用RS‐485、WiFi、5G（NB‐IoT）等無(wú)線通信方式，實(shí)現(xiàn)了低壓電氣一二次設(shè)備的完全融合。

1.2.2 工作原理

現(xiàn)場(chǎng)硬件設(shè)備的智能化元件是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與電力終端設(shè)備的創(chuàng)新融合，低壓智能一體化開(kāi)關(guān)采用WiFi、5G（NB‐IoT）通信，將開(kāi)關(guān)本體的電量數(shù)據(jù)上傳到系統(tǒng)中，設(shè)備信息完全開(kāi)放，不需要任何特定的協(xié)議，便可以向綠色智能化配電系統(tǒng)提供可靠、豐富的數(shù)據(jù)；用戶通過(guò)掃描設(shè)備上的二維碼或者進(jìn)入特定的網(wǎng)站，即可獲得各種直觀信息（如：智能化元件運(yùn)行時(shí)的波形圖、功率圖、開(kāi)關(guān)狀態(tài)等等）。還可以通過(guò)自己設(shè)定實(shí)現(xiàn)保護(hù)、維護(hù)、超額報(bào)警等信息交互。這些智能化元件將采集到的各類數(shù)據(jù)信息、開(kāi)關(guān)動(dòng)作情況通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)上傳至云端并存儲(chǔ)。

云端接受從智能終端傳來(lái)的各種數(shù)據(jù)，對(duì)信息進(jìn)行解析并記錄，使用遠(yuǎn)程界面為工作人員提供便利條件，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、調(diào)整、事件記錄和告警的功能，完成保存歷史數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)修改定值，設(shè)備在線組態(tài)等工作，實(shí)現(xiàn)低壓配電系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，故障預(yù)警、保護(hù)跳閘，節(jié)能管控和智能運(yùn)維等功能。系統(tǒng)結(jié)合了云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析及儲(chǔ)存等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)系統(tǒng)如能源管理系統(tǒng)、能源預(yù)測(cè)系統(tǒng)、優(yōu)化系統(tǒng)等的云端處理。

1.3 視頻輔助監(jiān)控系統(tǒng)

上述監(jiān)控系統(tǒng)將設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和告警信息集中上傳到后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)智能終端的遠(yuǎn)程控制。通過(guò)加裝傳感器監(jiān)測(cè)配電室的外部環(huán)境狀況，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)多種保護(hù)功能，例如防火、防水浸、防爆、臭氧報(bào)警以及防入侵等。視頻監(jiān)控輔助系統(tǒng)由高清攝像頭、存儲(chǔ)設(shè)備、光纖交換機(jī)、視頻矩陣、監(jiān)控屏幕等組成，典型的視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。該視頻輔助監(jiān)控系統(tǒng)使用了自動(dòng)跟蹤和移動(dòng)偵測(cè)技術(shù)，完成設(shè)備的監(jiān)控功能，補(bǔ)充完善了對(duì)低壓配電設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控作用。通過(guò)錄制視頻記錄變電站的設(shè)備運(yùn)行狀況和實(shí)際外部環(huán)境，能及時(shí)監(jiān)測(cè)到電力設(shè)備異常情況，使設(shè)備運(yùn)行更加安全可靠，同時(shí)可以及時(shí)記錄下設(shè)備故障事故的影像資料，有助于工作人員及時(shí)準(zhǔn)確地了解到低壓配電系統(tǒng)的各種現(xiàn)場(chǎng)信息，提高智能綜合管理水平。

圖2 視頻輔助監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 基于云平臺(tái)的智能用電大數(shù)據(jù)分析

通過(guò)收集用戶的用電信息，分析出用戶的用電狀態(tài)，未來(lái)電力系統(tǒng)和設(shè)施的完善可以參考這些狀態(tài)信息，有效推動(dòng)電力設(shè)施的發(fā)展。而使用泛在感知終端則有利于日后的電力設(shè)備操作和運(yùn)行。泛在感知終端將直接收集必要的用電信息，并且對(duì)比和綜合分析其中的數(shù)據(jù)之間所存在的不同，進(jìn)而通過(guò)分析判斷得出每一個(gè)家庭的實(shí)際用電情況和習(xí)慣。在對(duì)用戶提供電力服務(wù)的時(shí)候，就可以通過(guò)對(duì)用戶的用電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，促使電力部門制定出更加符合用戶用電習(xí)慣的電力政策，進(jìn)而提升用戶日常用電的便捷性，保障了居民的生活和用電安全。并且這些數(shù)據(jù)還可以推動(dòng)我國(guó)電網(wǎng)未來(lái)采取更加有效的措施提供針對(duì)性較強(qiáng)的服務(wù)，滿足用戶的具體需求。因?yàn)閷?duì)于我國(guó)電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，電力部門所制定的的電力政策基本上是以大數(shù)據(jù)分析為支撐的，大數(shù)據(jù)分析得出的各種結(jié)論是促使政策落實(shí)的一個(gè)重要的參考。

（1）建立在數(shù)據(jù)挖掘上的用戶畫像分析。云平臺(tái)通過(guò)采集用電客戶的大量用電數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘與分析，分析出客戶的用電特性，同時(shí)構(gòu)建用戶畫像，達(dá)到為客戶提供精確細(xì)致的優(yōu)秀用電體驗(yàn)。這樣可幫助電網(wǎng)對(duì)用戶的特定需求及時(shí)地給出解決方案并且實(shí)施，同時(shí)根據(jù)智能用電的使用效果提出相關(guān)的新的服務(wù)模式，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的，并能對(duì)負(fù)荷曲線進(jìn)行優(yōu)化。

（2）建立在大數(shù)據(jù)分析上的數(shù)據(jù)增值服務(wù)。依靠大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，為居民提供數(shù)據(jù)增值服務(wù)，通過(guò)對(duì)用戶電表的電能數(shù)據(jù)和位置信息、操作復(fù)雜度與設(shè)備故障概率、品牌電器的市場(chǎng)銷量等綜合數(shù)據(jù)的采集，運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，把居民側(cè)的用電數(shù)據(jù)按照使用類型時(shí)間進(jìn)行分類，構(gòu)建出居民側(cè)用電畫像，以此來(lái)幫助居民有效錯(cuò)開(kāi)高峰用電期，提供高效的電能使用服務(wù)。另外通過(guò)分析海量數(shù)據(jù)，能夠幫助居民顯著降低用電支出，提高居民用電設(shè)備的智能化水平。同時(shí)這種數(shù)據(jù)增值服務(wù)可以隨時(shí)監(jiān)測(cè)用戶用電需求的變化，提升用電客戶的服務(wù)體驗(yàn)，進(jìn)而吸引更多的智能用電用戶。

云平臺(tái)用電分析功能可展示能耗報(bào)表、同比分析、環(huán)比分析、電能集中抄表等，分析和統(tǒng)計(jì)規(guī)則可根據(jù)實(shí)際情況在后臺(tái)進(jìn)行配置，Excel報(bào)表可導(dǎo)出。

3 應(yīng)用案例分析

以宜昌市昌耀電業(yè)集團(tuán)有限公司所處臺(tái)區(qū)為研究對(duì)象，建立起基于物聯(lián)網(wǎng)斷路器和云平臺(tái)的智能化低壓配電系統(tǒng)。智能化低壓配電系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為居民側(cè)用戶提供多元化服務(wù)。

（1）智能互動(dòng)服務(wù)?？蛻敉ㄟ^(guò)APP，公眾號(hào)，網(wǎng)頁(yè)，郵件等了解關(guān)注相應(yīng)的設(shè)備的相關(guān)信息，并且能夠做到快速、準(zhǔn)確且有效傳達(dá)電力設(shè)備異常、異動(dòng)的相關(guān)信息及線路搶修等通知。

（2）能效管理服務(wù)。通過(guò)手機(jī)軟件就可以查看各個(gè)電器工作時(shí)所產(chǎn)生的用電數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確了解電能的使用去向，在手機(jī)APP上還可以收到節(jié)約用電的消息提醒，隨時(shí)隨地了解用電賬單。在能效管理中，通過(guò)挖掘和分析用戶側(cè)電能使用數(shù)據(jù)，分析出可以提升家庭使用能效的策略。

（3）用電安全以及精確搶修服務(wù)。當(dāng)家庭電力線路發(fā)生異常時(shí)，可通過(guò)手機(jī)軟件或各種信息平臺(tái)通知用戶，同時(shí)能夠根據(jù)設(shè)定的異常管理策略自動(dòng)斷電，對(duì)電力設(shè)備以及線路進(jìn)行保護(hù)，避免發(fā)生安全事故。當(dāng)用戶側(cè)出現(xiàn)跳閘時(shí)，管理中心將精確分析出用戶側(cè)電器故障所在線路，方便用戶及時(shí)定位并排除故障，減少經(jīng)濟(jì)損失。然后系統(tǒng)根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)，及時(shí)安排運(yùn)維人員上門提供搶修服務(wù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能低壓配電系統(tǒng)展現(xiàn)出高效、科學(xué)、合理、自動(dòng)管控電力系統(tǒng)的特點(diǎn)；隨著用戶用電要求的不斷提高，將智能化低壓配電系統(tǒng)逐步應(yīng)用于現(xiàn)代電網(wǎng)已然成為一種趨勢(shì)。智能低壓配電系統(tǒng)可以推動(dòng)發(fā)展新興信息服務(wù)業(yè)態(tài)，推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)與電力服務(wù)模式結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展。