智能配电房态势觉察平台的开发与应用

白洋，洪海生，陈博，伍国林，李俊林，柯庆军，张惠堂

(广州供电局有限公司，广东，广州 510620)

配电网直接向用户传输分配电能[1-2]，是电力系统的关键环节。然而由于结构及环境的复杂性，配电网智能化水平长期低于输电网。配电房作为配电网中的重要供电节点，缺少智能化的监测平台，限制了电网企业配电管理水平提升。运维人员工作中通常采用外观检查加仪器测量的方式，无法对配电柜内部设备的运行状态(如电缆头温度、绝缘受潮、老化情况等)做出准确评估，巡视效果有限。此外，由于无法实时监控设备状态，导致不能及时发现并主动处理设备隐患。在发生突发事件时，后台应急指挥人员对现场态势掌控不足，影响抢修复电时间。可见，搭建智能配电房态势觉察平台，提高配电网态势感知能力[3-4]，对提高电网运维水平至关重要。

近年来，随着智能配电网的发展，提升态势感知能力成为智能配电房建设的重点[5-16]。态势感知是在特定的时间和空间下，对环境中各元素或对象的觉察、理解及对未来状态的预测。对电力系统而言，其重点是实现对自身运行态势的感知[3-4]。态势觉察是态势感知的基础，其本质是数据信息的收集，即根据配电系统分析和控制的需求合理配置量测，以获取所需要的数据。智能配电系统信息的量测优化配置、量测采集、双向传输和管理处理是智能配电网区别于常规配电的显著特征[17-19]。文献[20-23]以优化配置为目标，探讨了量测装置的优化规划问题。文献[24-26]介绍了高级量测体系在用户用电信息采集方面配置方案。在智能配电房态势觉察能力建设方面，文献[27]介绍了一种变电设备智能监测传感网络及基于云平台的变电设备物联网一体化智能监测装置方案，实现分布式计算、故障诊断与预警功能。文献[28]针对智能配电网智能小区建设，介绍了融合集成通信、互动服务、小区配电自动化、分布式电源运行控制、智能家居等技术的智能小区系统架构。文献[29]介绍了居住区配电房的智能信息终端及配电房分布式智能运行平台。文献[30]提出配电物联网建设背景下的配电房智能终端设计概念，将其从单一业务功能终端向数据终端以及通信网关等多功能终端扩展，并进行了试点应用。文献[31]介绍了一种智能配电房监控系统，实现环境、安防、视频、设备状态、电气运行参量、设备物联网标签管理等态势觉察功能。文献[32]对智能配电房功能及其经济效益进行介绍。以上文献表明，智能配电房整体态势觉察平台方案有待完善。

针对上述问题，本文提出了一套智能配电房态势觉察平台方案。该方案通过智能配电房开关设备状态、电能传输状态、综合环境等遥信、遥测实时数据监测及上送，实现态势觉察；通过智能配电房监控系统、配电自动化系统等多源数据的信息融合共享，实现量测装置优化配置；通过配电房现场显示屏、远程监控中心指挥屏幕、值班人员电脑，实现态势感知可视化。该平台具有信息融合和多维度态势觉察功能，有利于工作人员分析数据发现设备早期故障，降低人工巡检成本；有助于深化配电网精益化管理实践，提高运维水平，保障电网的安全运行。

1 智能配电房态势觉察平台构成

1.1 智能配电房功能结构

智能配电房可以实现配电房环境、安防、设备运行状态的所有监测数据的采集、分析、故障诊断和报警，其基本功能架构如图1所示。

图1 智能配电房功能架构

智能配电房态势觉察平台由传感器、主控终端、配电终端单元(distribution terminal unit，DTU)、配电房显示屏、后台监控机、监控中心大屏幕、通信系统组成，如图2所示。

图2 系统结构

1.2 智能主控终端

主控终端采用模块化设计如图3所示，可扩展，维护方便，可靠性高，集成度高，实时性好，运行稳定。主控终端的通信采集模块可支持配电房环境、配电房安防、电缆及通道监测、10 kV设备监测、0.4 kV设备监测、导轨机器人等多种设备的接入。

图3 智能主控终端软件架构

核心单元组件负责数据的处理、分析、储存、与主站数据传输并实现智能联动功能。传感主站接入类组件具有丰富的接口，支持多种通信规约，满足房内传感器装置的直接接入。

1.2.1 软件架构说明

a)通信处理功能模块。主站互动模块负责主控终端与主站的信息交互，实现“三遥”功能。支持标准协议(包含IEC 60870-5-101和IEC 60870-5-104)、网管协议等。通信子模块负责主控终端与传感器、主站之间的数据通信。通信规约支持多种标准协议，包含Modbus、IEC 60870-5-101和IEC 60870-5-104等。

b)数据分析处理功能模块。对数据进行处理分析，对接近阀值和超越阀值的检测量进行预警和告警，并且实现与风机控制器、摄像头、水泵的智能联动。

c)数据存储功能模块。对相关的测量数据、告警数据、及文件数据进行本地存储。

1.2.2 主控终端主要功能

a)通信功能。具备RS-485、RS-232、RJ45等接口，通信规约支持多种标准协议，包含Modbus、IEC 60870-5-101和IEC 60870-5-104等。

b)告警功能。主控终端根据信息类别进行分析，异常时分类告警，告警信号见表1。

表1 分类告警信号说明

c)智能联动功能。主控终端根据遥信、遥测数据分析以及告警信息实现与视频、风机控制器、水泵控制器之间的智能联动，智能联动功能见表2。

d)数据本地记录功能。具备动态数据本地可靠

表2 智能联动功能说明

存储、数据循环存储，满足装置(服务器)停电数据不丢失、数据存储过程只循环改写不支持外部改写及删除功能。

e)数据处理功能。配电房监测数据量大，全部转发到主站将会给主站带来极大的压力。智能终端将采集到的数据进行分类处理和计算分析，将分析结果上传到主站。数据处理主要包括有效性检验、定值、极值统计、视频图像识别、局部放电分析等。

2 态势觉察平台的数据量测

配置量测装置，实现“三遥”功能。量测数据中遥信数据为离散的数字信号，包括开关分合状态、接地刀闸分合状态、智能配电房主辅设备状态信号等。遥测数据为模拟信号，包括电能(电压、电流、功率、负荷等)实时数值信号，也包括电缆头温度、环境温湿度、水浸、烟感、噪声、气体泄漏、消防等智能配电房监测信号。遥控实现远程操作开关及配电房安防、门禁、视频监控等设备。

2.1 配电自动化量测装置配置

配电自动化系统是智能配电网的重要组成部分，其通过站所DTU采集测量装置信号，实现“三遥”功能。配电自动化测量装置配置如图4所示。遥信量(开关、接地刀闸实时状态)通过采集开关辅助触点信号实现；遥测量(电能实时数据)通过采集开关柜内的相电流互感器、零序电流互感器、电压互感器等装置二次信号实现。DTU通过采集模块接收测量回路遥信、遥测量，存储并上传至配电自动化系统主站。主控终端从DTU中读取遥信、遥测数据，通过与配电自动化系统的数据共享实现设备运行状态关键数据监控。

图4 配电自动化二次设备示意图

2.2 智能配电房监测传感器配置

2.2.1 配电房综合环境监测

综合环境监控实现对配电房内环境温湿度、水浸、烟感、噪声、气体泄漏、消防设备等遥测量的实时监测，并联动控制照明、风机、防汛设备、驱鼠器、站内除湿器工作，系统如图5所示。本地允许保存监测数据，进而对现场监测数据进行分析，根据预设报警判据，产生报警事件。

图5 配电房综合环境监测系统

2.2.2 设备温度监测

SF6充气环网柜是智能配电房的主要中压设备。实际运行经验表明，电缆接头或堵头等部位的虚接、材料老化、磨损、过载等易造成接触电阻过大、运行中过热，最后导致绝缘烧损，形成线间或相间短路，瞬间引发火灾事故；因此，对环网柜电缆温度监测至关重要。针对环网柜温度监测的需要，采用无线测温传感器监测电缆头温度，系统如图6所示。

图6 电缆头温度监测系统

低压设备在运行中，相对高压线路更容易出现线路过载；同时回路电气接点接触不良、绝缘受损、积尘、受潮、元件本身质量不良等诸多原因，造成过热温升问题发生。因而在低压柜母线、电缆接头等易发温升部位配置温度传感器，实时监测设备温度。

2.3 主控终端与DTU及后台的数据通信

目前配电自动化系统广泛采用IEC 61870-5-104标准。建立主控终端与DTU的通信回路，其通信架构如图7所示。主控终端采集接收DTU传送的报文，对其进行解密和数据编码处理。通过RS-485串口采集工具将需显示的数据传送至显示屏相应地址的数码管上，完成数据通信。

图7 DTU与主控终端数据通信架构

主控终端与各类传感器数据通信采用无线网络、RS-485线、光纤等方式。数据汇集后，通过光纤传输至后台管理平台。

3 态势觉察平台可视化

态势觉察平台的可视化通过配电房显示屏、后台监控屏幕、后台值班电脑实现。

3.1 智能配电房显示屏主要功能

智能配电房显示屏读取主控终端内的实时数据，在本地集中显示。显示屏如图8所示，显示数据见表3。

图8 配电房一次系统显示屏示意图

功能显示内容显示方式站房一次设备连接关系主接线图静态喷涂开关分合闸状态显示灯接地刀闸状态显示灯防误闭锁功能(预留)防误闭锁防误闭锁接口设备运行状况A、C相电流数码显示管A、B、C三相电缆头实时温度数码显示管运行环境信息环境温湿度LED屏显示日期及历史数据安全运行天数LED屏显示电气设备告警类湿度、烟感、水浸报警信息LED屏显示安防报警声音运行报警如过载、温升异常声光报警

3.2 智能配电房显示屏元件

在本方案中，显示屏配置选择了数码显示管与LED屏组合的马赛克屏[33]，其具有造价较低、对运行环境适应性强的特点，可在设计时按照配电房远期最大扩建规模预留间隔，保证可扩展性。但显示屏配置并不唯一，亦可选择基于组态软件驱动的数字显示屏等，应综合考虑配电房级别、配电房类型、运行环境、设备造价进行差异化配置。

本方案采用数码显示管与LED屏组合显示屏。运行数据显示元件对应关系见表3。模拟屏采用镶嵌式高弹度绝缘阻燃模块结构，每个模块大小为25 mm×25 mm，颜色为浅灰。显示屏尺寸为2 000 mm×1 300 mm，一次主接线图以雕刻填漆工艺加工绘制于屏上。当需要进行配电房改造时，可对改动的子模块进行拆除更换，完成重新拼接。马赛克屏预留数码显示管和显示灯位置，对每个显示元件以相应地址编码。以用于显示电流值的7位数码管为例，该元件需要直流稳压电源提供工作电压，数据通信线提供数据传输通道，如图9所示。

图9 数码管显示元件

3.3 显示屏供电及通信系统

主控终端作为数据中心，向显示屏传送信号状态数据。输出端口为RS-232，经过转换器转换为RS-485接口，传输至显示屏的数据转接通信控制器。

系统供电电压包括2个部分。如图10所示，第1部分为5 V直流工作电源，由电源模块1提供，其经过8引线排线(占用4根)依次连接所供的7位数码显示管。第2部分为12 V直流工作电源，由电源模块2提供，对控制器系统板1、2和LED显示屏供电。每个控制器系统板供3回线路9盏状态灯。

图10 显示屏供电通信示意图

采用RS-485通信，通信回路经过8引线排线(占用4根，双回路)依次连通数码显示管。每个显示元件设定特定IP地址，对应显示遥测、遥信、告警信号等数据。

模拟屏上部布置LED滚动屏，准确显示年、月、日、时、分、秒、安全运行天数以及当前故障状态，具有停电保护功能，停电时不会丢失现行数据。LED屏供电数据通信网络经过网线与电脑连接，可程序设置显示内容。

3.4 后台远程监控

智能配电房态势觉察平台的后台主站系统采用云平台配置模式，如图11所示。配电房与主站的通信采用光纤通信和无线通信方式，优先选用电力光纤承载智能配电房业务，不具备光纤条件的配电房可采用公网有线、无线通信通道。配置独立的工业以太网交换机，接入配电通信网络，通信网络通过防火墙接入云平台，实现配电房端与主站之间的通信。监控中心后台从云端读取设备状态数据，在中心大屏幕上显示，配电值班人员可通过计算机、手机APP了解智能配电房设备运行状况。

图11 态势觉察平台数据远程监控系统

4 应用场景及应用案例

4.1 应用场景

智能配电房态势觉察平台已应用于某供电局智能配电房试点工程中。实际运维中，运行人员可通过远程监控了解配电房内设备运行状态，减少现场巡视次数，节约了人力成本，尤其在保供电期间可减少保供电人员的被占用。在进行现场操作时，操作人员能从配电房显示屏内直观了解设备运行状态和开关、刀闸位置，对操作风险作出判断，当设备状态较差时及时上报问题，采取相应措施。执行操作后，显示屏实时显示开关分合位置、刀闸位置信息，操作人员得以对现场操作效果进行有效验证，减少设备未分合到位造成的安全隐患。预留“五防”闭锁接口，也将兼容防误闭锁功能，进一步减少操作风险。故障抢修时，现场抢修人员可以同后台指挥人员一起研判故障类型，采取有效处理措施。

4.2 应用案例

如图12所示为某实际运行馈线地理信息系统(geographic information system，GIS)图部分，A开关房、B综合房均为智能配电房。

图12 使用案例对应的现场GIS图

4.2.1 日常巡视案例

现场巡视时，针对一次设备，巡视人员从配电房内显示屏检查记录环境参数、开关状态、电流值等是否正常；针对二次，巡视人员从显示屏检查记录线路电流值、遥信状态与主站是否一致。除现场巡视外，非重要时段可采用远程监控巡视。

4.2.2 停电转电案例

B综合房为A开关房的下一级联络配电房。对A开关房进行转电时，接到配电网调度命令后，现场操作人员除了核对开关柜名牌外，亦需要通过显示屏核对开关状态、刀闸状态和负荷电流值是否正常，再次确认是否满足转电条件。确认无误后，方可执行转电操作。操作完成后通过显示屏对开关状态、负荷电流进行核对。转电前A开关房605开关电流为其他所有出线开关电流之和；转电后A开关房602开关电流为其他所有出线开关电流之和。通过站内显示屏验证操作结果，避免误操作。

4.2.3 故障处理案例

A开关房与B综合房之间电缆发生接地短路故障，导致甲变电站的站出线甲F22开关跳闸，A开关房母线全停。故障发生后，监控中心调取运行数据，立刻派出抢修人员到达现场。配电网调度根据自动化指示信息，断开A开关房到B综合房的602开关，对站出线甲F22试送电。此时，抢修人员通过站内显示屏及开关柜，核对操作结果，记录甲变电站至A开关房站出线甲F22电缆的电流值，核对602开关馈出电流值为零。检修人员检查故障电缆两侧开关状态，确认无误后，结合显示屏状态，合上故障开关两侧接地刀闸，将故障电缆转为检修状态。

5 结论

本文开发了一种智能配电房态势觉察平台，可实时反映智能配电房设备运行状况及环境信息，实现了配电房多维度态势觉察和态势可视化功能。该系统提升了配电运维人员操作、运维、抢修的效率和安全性，同时实现了多源数据信息融合，深化了配电网精益化管理实践，有助于提高供电效率，提升电网运维水平。