探索基于电力物联网的精品台区建设新模式

国网胜利（东营）供电有限公司 仲崇山 管明睿 刘 筠 山东德源电力科技股份有限公司 张洋洋 张 坤

2020年4月2日国家电网公司召开“新基建”工作领导小组第一次会议，深入贯彻总书记重要讲话和指示精神，加快新基建建设，加快建设具有中国特色国际领先的能源互联网体系，着力于提质增效，提高装备使用率，带动全社会产业链发展，履行社会责任，发挥大国重要作用。深入推进数字技术与电网技术融合发展，在电网全环节推进数字化转型是实现公司战略目标的关键所在。大力加快推进数字化配网建设，加快推进配电网智能化升级和管理数字化转型，是公司贯彻落实中央“新基建”战略部署的重要举措，也是建设能源互联网企业的内在要求。

400V 配电网络结构正在悄然改变：太阳能等分布式能源的开发利用，有源电网需要关注局部区域的潮流；电动汽车的逐步普及，大规模的充电桩投运会对台区造成冲击，需对充电桩进行约束运行管控，进一步优化资源利用效率。

1 建设必要性

电网精益管理向低压延伸。400V 低压配网长期以来属于监控盲区，400V 末端电能管理亟待整体提升，一是低压电网设备空间分布广，作业半径大，交通耗时多；二是低压电网生产作业是全天候、7×24小时、全年无休的模式，且夜晚等特殊时段工作效率低；三是专业分工细、工序分段多、工作交接频繁，协同效率不高；四是专业目标不统一、业务数据不标准、数据无法贯通共享、存在专业壁垒，影响公司整体工作效率提升。

低压运维工作标准亟待提升。近些年生产电网工作质量得到了巨大提升，但仍有潜力可挖。主要体现在五方面：安全目标对工作差错零容忍；工作质量因组织层级多、传达时间长，存在层层衰减；巡视、检测类工作弹性大，成效显现滞后，工作监管成本大，难推进；人员素质不一，工作质量差异性大，尤其零散的外包业务；生产工作大多为机械性重复工作，容易产生倦怠[1]。

低压供电可靠重要性日益凸显。在新兴的能源生产与消费模式不断出现背景下，供电公司的客户服务需要电力系统更可靠的运行：一是客户的服务预期不断提高，需不断改善服务质量，获得电力指数提升；二是客户维权意识强，需约束、规范各类运营行为；三是美丽环境的要求，需更科学地规划、建设、运维电网。

精准投资提质增效需求迫切。近两年国网主业整体效益在下滑，需通过更精益化管理实现内部节约：一是社会要求运营成本进一步压降，电价连续两年大幅度下降；二是电网建设投资需要更精准；三是电网设备需差异化地开展检修，降低全寿命周期管理的成本；四是节能降耗，需大幅降低管理线损并为技术线损提供靶向性指导依据。

2 技术方案

2.1 设计理念、整体架构、系统电气结构

以“硬件平台化、软件App 化”为理念，应用分布式边缘计算、物联网通信和设备全面感知技术，构建以常规设备加智能感知终端设备为重要边缘计算点的低压配电网全息感知系统，最终实现低压配电信息的全面感知，智能设备的灵活接入、即插即用，深度契合电力物联网终端泛在接入、平台共享开放、云雾协同计算、数据驱动业务、应用随需定制等特征。

基于电力物联网的新型智能台区建设方案是通过在低压台区内安装智能物联设备与营配数字协同微应用平台（以下简称智能平台）及协同APP 相结合，除完成传统的电力抄表功能外，还具备设备状态智能分析、线损分段精益管控、表计精度在线诊断、多道防线硬核防窃电、挂接设备智能识别及服务行为一体化管理等功能，可全方位、系统化的提升低压台区精益化管理水平，从计量管理提升、节能降耗、反窃查违、减少设备投资、减少运维工作量五方面实现经济效益的大幅提升。

以模组化感知终端为核心，采用配电台区与电气拓扑智能识别技术，实现台户档案关系精准校核、窃电分析与告警、线损分析与异常定位等功能[2]。在台区侧加装台区能源控制器，在电缆分支箱、末端计量箱侧加装模组化感知终端，实时感知分支、表箱的电流、电压量测值以及计量事件，动态计算供入售出电量，自动绘制线损态势可视化曲线，基于低压拓扑关系定位异常线损位置点。

2.2 关键设备

基于电力物联网的智能台区中关键设备为智能物联感知模组，智能物联感知模组采用导轨式安装，包含一个基础单元和两个扩展单元，形成了以感知模组为基础、可扩展控制模组和防护模组的组合模式，每个单元都进行了可插拔的模组化设计，让三个模组能进行自由搭配组合，并根据不同需求进行插拔式模组化的组装，满足不同客户的不同要求。

感知模组是综合高频CPU、计量芯片、HPLC通讯芯片、安全加密芯片、台区识别模块等于一体的管理单元，其与台区能源控制器上行通信传输选用宽带电力线载波（HPLC）；下行通信RS-485接口用于智能电表抄读，支持DL/T645、DL/T698.4通讯协议；近端配置低功耗蓝牙模块支持近距离无线及本地维护升级。通过内置电压互感器和外置电流互感器实现高精度采样，具备全量电参量采集能力，包括三相电压、三相电流、瞬时有功功率、瞬时无功功率、瞬时视在功率、功率因数、电压波形失真度、电流波形失真度、电压谐波含量、电流谐波含量等；内置拓扑识别模块，实现台区自动识别、相位识别、台区拓扑自动生成；内置高精度温湿度传感器，实时监测箱体内的环境状态。装载了国网安全芯片，对身份认证、权限控制等进行了周密防护，保障数据的安全性和完整性[3]。

控制模组内置高性能的北斗定位模块，具有高灵敏度、低功耗、小型化的特点，其极高追踪灵敏度大大扩大了其定位的覆盖面，满足设备高精度准确定位的需求，结合感知模组自动上报故障事件，实现抢修人员制定的最优路径和实时地图导航；内置的小尺寸、分辨率加速度传感器，具有低功耗、耐冲击性高及可编程的待机唤醒功能，能实现箱体的倾斜检测、振动检测、移动检测等功能；内置门锁控制模块，具备智能锁管理和控制功能，支持远程开锁和本地蓝牙认证开锁，实时反馈门锁开关状态。

防护模组内置热释电红外人体检测传感器、强磁感应模块、取证摄像装置和SD 卡存储，能检测设备前方是否有人员在操作，并与智能箱锁状态进行联动。当有非法侵入时防护模组触发摄像装置进行连续拍照存储至本地留证，并通过感知模组上传至主站触发预警；实际工作时还可根据是否存在强磁干扰计量准确度，对非法开箱、窃电等异常行为进行实时监控。

2.3 关键技术

基于工频畸变信号通信的台区归属关系识别技术。台区侧智能终端（能源控制器）与末端侧智能终端（模组化终端）均内置基于工频畸变信号通讯芯片，依托畸变信号不跨台区、不跨相位且不易受环境干扰的特征，台区侧智能终端在注册时或运行中定期通过畸变电流信号发送自身终端地址（台区标识），末端侧智能终端接收解析后即可获知实际所属台区。

基于特征电流通信的台区层级关系识别技术。末端侧智能终端中内置可在线路零火线之间产生满足一定频域规律的特征电流信号的电阻，通过台区侧智能终端交采对线路电流信号进行实时采样分析，记录信号识别到的时间标，对时间标进行对比分析，绘制线路物理拓扑[4]。

基于主动时间补偿的定时广播校时方法。其相对于点对点校时方式具有较高的执行效率和校时精度，同时具有较低的通信开销，实际使用中一般采用该方式进行校时操作。在广播校时方式下，标准Q/GDW1376.2—2013制定了TTU 可以查询通信延时相关的广播通信时长，以此来估计终端广播校时过程中的信道延时估计值。除广播通信信道延迟时间外，也要考虑在通信接口上的延迟并对其做出合理的估计。确保TTU 与LTU 和电能表之间的高精度时钟同步，满足分支线路用电信息特征量以时间片段分组。

3 实现功能

台区拓扑动态辨识。基于矢量数据精确到微秒级的同步采集，结合电气特征量分析、宽带网络通信拓扑信息、通信信道品质等参数进行识别，输出正确可信的识别结果，“边端协同”完成拓扑关系的辨识，确保低压台账准确可信，为降低管理线损，撕拉乱接以及窃电现象的迅速识别发现，提供可靠的基础依据；全息状态实时感知。通过安装在各节点、分支的智能感知终端，可进行电气量、状态量、环境量的实时感知，可实现电流、电压、矢量展示（幅值+角度），可管理周边温湿度、水浸、烟感、门节点等小微传感器，实现环境状态实时感知，可接入32路电表，实现营配数据同源。

即插即用功能。在新接入设备上电后，经由能源控制器向主站发送注册请求，主站根据入网设备基本信息判断设备是否允许入网并进行入网许可。主站进行身份识别与认证后与一次系统图进行关联，主站下发设备定值和参数。设备认证通过后将自带的铭牌信息上报至主站，主站自动完善设备档案，从而实现新接入设备即插即用；实现“四遥”功能。实现遥测、遥信、遥控、遥调功能。实现各层级节点的电气量深度感知，设备信息远程监控，断路器远程分合闸以及远程保护定值设置功能。

台区线损精细化管理。基于低压拓扑关系和各层级节点智能感知终端/物联监测单元计量芯片进行电能量采集信息，实现分段、分相、分时多维度线损自动计算，提升低压台区线损精益管理，实现对于台区更细粒度的线损感知，为线损治理提供可靠依据；低压故障定位和精准抢修。基于低压配电网络拓扑，通过低压拓扑关系及各节点智能感知终端的故障保护跳闸信息（短路、过流、失压、缺零等保护动作信息）以及漏电流越限告警，进行低压台区故障研判，故障事件秒级上报，定位故障区段，推送主动抢修工单辅助精准抢修。

台区电能质量溯源。通过台区电气量的采集和计算，实现计算台区负载率、电压合格率、三相不平衡度、功率因数、谐波等电能质量指标，并能实现问题的溯源和定位；故障预知和提前排故。基于智能感知终端的边缘计算功能和低压配电网络拓扑关系，结合能源控制器采集各节点的工况信息,通过建立低压配电网阻抗在线动态辨识模型实现低压配电网各节点回路阻抗计算，以及通过节点历史剩余电流故障特征值实现提前发现设备异常、电弧放电监测预警火灾、因设备老化造成的故障预警，实现潜在的故障预判。

4 应用效果与评价

2020～2021年在山东东营共完成1393个台区实施运行，合计安装智能感知设备46121台，在营配数据梳理、台区线损治理、故障主动抢修、负荷智能调节等方面均取得良好效果，具体分析如下：

状态全息感知与信息融合贯通。通过在配变、分支箱、户表、充电桩、分布式能源等关键节点应用智能感知终端（智能感知终端），对400V 配电网的运行工况、设备状态、环境情况等信息全面采集。实现低压电网实施运行监控（5分钟）、停电实时上报（秒级）、供电质量溯源、提高配变负荷利用率、减少光伏发电倒送比例、提高低压电网运行效率；故障快速处置与精准主动抢修。智能感知终端支持故障研判、展示故障区段，定位故障类型，边端协同实时跟踪分析，提升配电网智能处置和自愈能力，变被动抢修为主动服务。农网台区为TT 接线，漏电流越限跳闸是农网运维检修人员的难点痛点，基于带漏电流的智能感知终端漏电流趋势跟踪以及越限告警，可提前排除故障或在故障前精确定位，减少停电时间，提高客户满意度。

状态在线评价与设备预先检修。低压配网各关键节点每5分钟数据同步矢量采集以及异常指数的实时监控，实现对低压配网进行智能综合性研判分析，精确评估配电网及设备当前状态、智能预测未来趋势。智能感知终端支持基于阻抗变化的电网状态评价，支持基于电弧放电感知的电气火灾预警。本次智能化改造后可将低压台区设备、线路故障消灭在萌芽中；供电方案优化与用电可视化。通过中低压配电网全息感知，开展基于配网及设备承载能力的可开放容量综合计算，同时综合考虑客户用电需求及增长趋势、主配网规划计划、设备通道路径造价等，为客户提供最优供电方案，利用基于台区能源控制器的各类APP 微应用，实现用电客户接入的线上全景展示和交互。

停电准确定位与精准透明发布。利用各类智能终端和边缘计算，为用户提供末端配网事件处理服务，监视并主动发现用户用电异常，制定解决方案并提供处理服务；同时结合智能感知的停复电事件，云端自动识别停电影响范围及重要敏感用户，自动生成结构化停电信息并通过短信或微信等手段，点对点精准推送至用电客户，全面提升客户的用电体验；负荷特性识别与用电用能优化。以庞大海量的客户用电行为数据为基础，对家庭、企业不同客户群体的用电行为特征进行识别并画像，通过配置合理的中低压终端，为用户提供关键运行及服务信息，包括提供台区直至用户户内的用电和电能质量信息，结合用户用能特性，为客户提供包括电能质量治理、用电用能的优化策略，提升用户电力获得感。