基于配电网网格边缘代理的电能质量感知技术

赵宏大，陈琛，王哲，王海勇

（1.国网江苏省电力有限公司经济技术研究院，南京 210008；2.中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，南京 211102）

0 引言

随着能源互联网的发展[1-2]，配电网终端业务交互程度增加，配电网运行更加复杂，配电网电能质量问题[3-4]日益严峻：终端设备逐渐增多，电力设备问题频发；电动汽车充放电增加了电网谐波[5]，分布式新能源[6]接入带来的电网潮流不确定性使电能质量问题更加恶化等。配电网电能质量问题已成为影响智能配电网发展的瓶颈之一，迫切需要提高配电网电能质量问题感知能力，对电能质量事件进行溯源和治理[7-8]，提高配电网供电质量，具有重要意义。

目前，在配电网电能质量事件感知上，主要存在以下问题：

1）电能质量问题是多层级分布问题，在配电网层、用户层、设备层均存在电能质量问题，现有方法大多单方面针对配电网层或用户层电能质量事件进行感知[9]，缺乏共性的电能质量感知技术，难以实现对各层级电能质量事件的协同感知。

2）现有电能质量监测方法一方面难以对电能质量数据进行全自动、在线采集；另一方面，缺乏电能质量边缘计算技术[10]，难以对海量电能质量基础数据在边缘进行分析处理；再者，通信环境复杂、缺乏电能质量数据多通信传输技术，难以对短时接入量大、并发比例高业务的通信进行通信资源动态调整，造成接入层和汇聚层设备短时通信阻塞，影响数据传输。

3）在电能质量问题分析上，配电网规模大、配电网终端设备多，目前主要利用电能质量监测设备、人工对用户或设备进行抽查[11]，缺乏电能质量事件快速溯源技术，难以快速定位电能质量事件发生的地点和原因，影响电能质量事件治理效率。

配电网网格边缘代理技术将配电网划分为多个网格[12-13]，可有效提高配电网运维水平。针对上述问题，本文提出基于配电网网格边缘代理的电能质量分级感知技术，构建了涵盖网格级-用户级-设备级的配电网网格电能质量感知技术架构，基于互联网思维、研制了智能采集终端，实现对电能质量数据的全自动在线采集；提出了电能质量多通信技术，根据业务状态对通信资源进行动态调整，解决数据短时接入量大带来的通信阻塞问题；提出了电能质量溯源技术，实现对电能质量事件的快速定位和原因的快速查找；研发了配电网网格边缘代理的电能质量感知平台，实现对配电网网格-用户-设备电能质量事件的全自动在线感知，提高配电网电能质量感知能力，具有重要意义。

1 配电网网格电能质量感知技术框架

配电网网格电能质量感知系统架构见图1，主要实现配电网中电能质量数据的精细化采集，电能质量数据的有效传输、电能质量事件的精准溯源以及电能质量事件的分级感知。

图1 配电网网格电能质量感知系统架构Fig.1 Structure of grid power quality perception system of distribution network

配电网网格边缘代理系统[14]向下对接DTU/FTU（中压边缘设备）、TTU（低压边缘设备）、智能采集终端等设备，向上对接电能质量感知系统，上传配电网网格电能质量感知分析结果。

在电能质量分析上基于智能采集终端，对配电网不同层级电能质量数据进行全自动在线采集；基于多通信架构，根据不同业务状态对通信资源进行动态调整，保障高并发、短时大量电能质量数据[15]的有效传输。基于电能质量溯源技术，对配电网不同层级电能质量事件进行快速溯源。

在电能质量事件分级感知上，主要对网格级-用户级-设备级电能质量的感知：在网格级，主要监测配电网所有网格电能质量事件，在网格层级发现问题，进行网格隔离和网格电能质量治理；在用户级，主要监测网格内用户电能质量事件，分析用户电能质量事件的根源，减小企业用户经济损失；在设备级，主要分析产生电能质量事件的设备，并对设备进行有效控制，减小电能质量事件发生的概率，提高供电质量。

2 配电网网格电能质量感知关键技术

2.1 网格化电能质量数据采集技术

针对电能质量数据采集颗粒度不够高、难以实现全面在线采集的问题，基于互联网架构，提出了网格化电能质量数据采集技术，可以实现对配电网网格-用户-设备的电压、电流、频率、设备运行状态等信息的全自动在线精细化采集，20 ms内采集256个电能质量数据点。该技术主要由电源模块、滤波采样模块、数据分析模块、通信模块和运行状态监测模块组成，其中通信模块包括通信协议转换、功率转换和信号收发部分，具体见图2。

图2 网格化电能质量数据采集技术Fig.2 Power quality data acquisition technology based on grid distribution network

其中，电源模块给整个系统供电。滤波采集模块主要采集网格用户和设备负荷电压、电流和频率等信息，并将其转化为低电压信号。数据分析模块是智能终端的核心，主要实现参数计算、数据通信、高级保护、发布指令等功能。通信模块基于互联网架构，支持LoRa、WiFi、4G等多种通讯方式，为智能采集终端与控制服务器提供通信信道。执行模块负责执行数据处理模块的控制指令，并反馈执行结果。

2.2 网格化电能质量通信技术

1）终端延伸技术。针对网格通信难以覆盖、或信号覆盖薄弱区域终端（如地下室、偏远地区等），提出终端通信深度覆盖技术，见图3，提升配电网网格对终端电能质量数据采集的全面性。

图3 电能质量智能终端通信深度覆盖技术Fig.3 Communication deep coverage technology of power quality intelligent terminal

网格终端通信深度覆盖技术主要包括网格有线延伸技术和无线延伸技术。网格终端有线延伸技术是指通过有线方式延伸通信模块或CPE的上联或下联接口，实现对终端通信的覆盖。终端无线延伸技术是指有线延伸难以实施时，通过微功率短距无线延伸到室外CPE，进而实现对盲区内终端通信的覆盖。

通过对网格内盲区终端通信的深度覆盖，可以实现对网格盲区内终端电能质量数据的采集，提升对终端电网质量数据采集范围的全面性和电能质量分析的精确性，提升网格电能质量的感知能力。

2）网格多通信技术。网格多通信技术主要针对不同业务在不同时间段对通信的不同需求，适配不同通信资源（带宽、时延、信道），如在业务短时大量接入时，可以动态调配其他业务通信资源，保障短时大量电能质量数据的有效传输。不同网格根据业务的差异性采用不同通信技术，同一网格内根据业务的不同采用多种通信技术，满足不同业务对通信技术的不同需求，提高配电网网格电能质量数据传输效率。网格多通信技术见图4。

图4 配电网网格多通信技术Fig.4 Multi-communication technology of distribution grid

在配电网网格1内，智能家居业务对带宽要求相对较高，可采用Wifi传输用户电能质量数据。用电设备在运行时间段会产生大量电能质量数据，可采用5G传输电能质量数据；在设备待机状态，产生的电能质量数据相对较少，可采用LPWAN进行电能质量数据的采集和传输。分布式光伏终端在白天运行时段会产生较多的电能质量数据，采用4G进行电能质量数据的传输；在晚间不发电时间段，产生的电能质量数据较少，采用通信成本较小的LPWAN电能质量数据传输。在提高电能质量数据传输效率的同时，提高网格通信的经济性。

在配电网网格2内，电动汽车充电对电能质量影响较大，在充电时间段，电动汽车充电桩会产生较多的电能质量数据，采用4G或5G进行监测；在非充电时间段，产生的电能质量数据相对较少，可采用LPWAN进行监测。智能营业厅对通信带宽、时延要求相对较高，可以采用4G通信技术。仓储管理业务包含视屏监控，对时延要求低，可以采用Wifi通信技术。

在配电网网格3内，对于电能质量监测终端设备，其电能质量监测业务对可靠性、时延、带宽有较高要求，为保障其通信传输能力，采用4G通信技术，在电能质量数据较多时间段，可动态调整采用5G通信技术。源网荷业务对通信时延要求较高，以满足快速且切负荷需求，可以采用5G通信技术。移动巡检业务对带宽有较高要求，可以采用4G通信技术。

2.3 网格化电能质量分析技术

网格化电能质量分析技术主要包括电能质量监测技术和电能质量事件溯源技术。电能质量监测技术主要根据电能质量指标，实现对配电网网格、用户以及设备的毫秒级监测。电能质量事件溯源技术一方面根据网格-用户-设备级的溯源，定位电能质量事件区域，另一方面根据电能质量事件数据与电能质量诱发因素间的关联关系，对电能质量事件进行溯源。

2.3.1 电能质量监测技术

1）功率因数指标。

网格电能质量功率因数指标公式为

式中：S为视在功率；Q为无功功率；P为有功功率；cosφ为功率因数。

2）电压谐波畸变率指标。

谐波畸变率指的是谐波的总和除以基本波。代表谐波的严重性。电压谐波畸变率以各次谐波电压的均方根值与基波电压有效值之比的百分数来表示。

式中：VTHD为电压谐波畸变率，Vn为第n次谐波电压有效值；V1为基波电压有效值。

3）电流谐波畸变率指标。

电流谐波畸变率以各次谐波电流均方根值与基波电流有效值之比百分数来表示，公式为

式中：ITHD为电流谐波畸变率；I n为第n次谐波电流有效值；I1为基波电流有效值。

4）三相电压不平衡度指标。

式中：U2为负序电压；U1为正序电压；设a=Ubc、b=Uca、c=Uab分别为3条线电压表计指示值；ε为三相电压不平衡度。

5）三相电流不平衡度指标。

式中：为IA、IB、IC三相的平均电流；θ为电流三相不平衡度；IA、IB、IC为A、B、C三相的电流。

2.3.2 电能质量事件溯源技术

网格化电能质量事件溯源技术主要对配网网格中电能质量事件进行快速定位、对原因进行溯源，见图5。

图5 网格化电能质量溯源技术Fig.5 Grid-based power quality traceability technology

首先从时间、频次及电气表征等维度对各指标进行属性分类，提炼关键电气特征量；然后对配电网网格电能质量事件静态致因、动态致因与电气特征量间的关联关系进行分析；通过剖析其电气特征建立多源致因属性—电气特征量—典型配电网网格电能质量事件关键指标的映射关系，挖掘反映多源致因属性与典型配电网网格电能质量事件关键指标的映射特性。

最后，在剖析配电网网格电能质量事件与多源致因的映射关系基础上，基于解析法提炼造成各电能质量事件的关键致因；基于配电网网格电能质量事件与电气特征量的静态解析分析结果，确定能反映预想电能质量事件的电气特征量阈值，再由影响该电气特征量的关键致因分析结果，精确定位造成配电网网格电能质量事件的扰动源，包括扰动源类型、位置及大小，形成配电网网格电能质量事件“事件-特征-溯因”的推演，实现对配电网网格电能质量事件的溯源。

3 配电网网格电能质量感知系统研发及应用

3.1 智能采集终端研发

基于网格化电能质量采集技术，研发了电能质量智能采集终端，主要包括智能插座、单相断路器、三相断路器等，可实现对网格电能质量数据的全自动在线采集，采集频次达20 ms内256个数据点，各智能采集终端技术参数见表1。

表1 电气数据采集与控制终端Table 1 Electrical data acquisition and control terminal

基于智能采集终端，通过对配电网网格内电压、电流波形等数据进行快速高频次采样，基于多通信技术，将采集的海量电能质量数据上传至网格边缘代理系统，网格边缘代理系统对采集的信息进行电能质量分析、溯源，并将结果通过上传至电能质量感知系统，进行可视化展示。同时，智能采集终端接收网格边缘代理系统的操作指令，操控执行模块实现负荷的开断功能。

现有用户信息采集终端只能实现对用户层级整体用电量的采集，不能采集用户具体设备的用电信息，采集周期为每小时，难以实现实时电能质量监测。智能采集终端能够对设备的运行状态信息进行在线精细化、定制化监测。通过通信终端深度覆盖技术，解决盲区内电能质量采集不全问题，现有终端与智能采集终端的具体对比见表2。

表2 现有终端与智能采集终端功能对比Table 2 Function comparison between existing terminals and smart collection terminals

3.2 配电网网格电能质量感知系统

基于本文所提的电能质量采集、通信、以及电能质量分析技术，研发了基于配电网网格边缘代理的电能质量感知系统，并在江苏多个地点进行了工程应用，见图6，主要包括电能质量感知、电压质量感知以及电流质量感知3大模块，实现对配电网网格级-用户级-设备级电能质量的分级感知及电能质量事件溯源。

图6 配电网网格边缘代理电能质量感知系统Fig.6 Power quality perception system based on edge agent of distribution grid

1）电能质量分级感知。该模块以树状图的形式给出了配电网网格、网格内用户、用户内设备间的连接关系，点击树状图中网格级-用户级-设备级的对应节点，即可对该层级节点电能质量情况进行查看。

2）电能质量事件溯源。在配电网电能质量监测过程中，若出现电能质量事件，该模块会给出电能质量事件类型，如功率因素不合格、谐波THD不合格、三相平衡不合格等，基于电能质量溯源技术，在配电网网格边缘代理中进行分析，定位电能质量事件发生地点，给出电能质量产生的原因。

3）功率因数分析。该模块主要对配电网不同层级功率因数进行监测。基于智能采集终端采集的有功功率数据、无功功率数据，基于公式（1）功率因数指标，在配电网网格边缘代理中对功率因数进行计算，监测功率因数不合格事件。

4）波形畸变率分析。该模块主要对配电网不同层级电压波形、电流波形进行监测。基于智能采集终端采集的电压、电流波形信息，基于公式（2）、公式（3），在配电网网格边缘代理中对电压、电流波形畸变率进行计算，监测电压、电流波形畸变事件。

5）三相不平衡分析。该模块主要对配电网不同层级电压、电流三相不平衡度和不平衡曲线进行监测。基于智能采集终端采集的三相电压、电流信息，基于公式（5）、公式（6），在配电网网格边缘代理中对三相电压、电流不平衡度进行计算，监测三相电压、电流不平衡事件。

4 结语

1）基于配电网网格边缘代理的电能质量感知技术，可实现对配电网电能质量的分级、精细化、深度协同感知，可有效提高配电对电能质量的感知能力。

2）研发的智能采集终端基于互联网架构，可实现对配电网电能质量数据的全自动、在线精细化采集，为电能质量感知分析提供基础数据。

3）提出的电能质量多通信技术，根据业务运行状态对通信资源进行动态调整，保障海量电能质量数据的有效传输。提出的电能质量通信延伸技术有效提高了电能质量数据的全面性。

4）基于配电网网格边缘代理，电能质量分析技术可以有效对电能质量事件进行监测，并对电能质量事件进行溯源。

5）本文构建的配电网网格电能质量感知系统已在南京、常州等多个示范性工程应用，在工程应用效果表面，该系统可有效提高配电网电能质量感知能力，具有较好的工程实用价值。