基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的配電自動化系統(tǒng)設(shè)計方案

引 言

物聯(lián)網(wǎng)最早成為“傳感網(wǎng)”是美國于 1999 年提出的。主要是指各種標的物通過互聯(lián)網(wǎng)連接在一起，通過信息交換實現(xiàn)對標的物的監(jiān)測、控制與管理。2009 年，物聯(lián)網(wǎng)在國內(nèi)得到了充分關(guān)注，成為國家新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一。配電自動化集計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸、控制技術(shù)、現(xiàn)代化設(shè)備及管理應(yīng)用于一體，其主要功能是提高供電可靠性，改善電能質(zhì)量，降低網(wǎng)損。配電系統(tǒng)自動化受到了廣泛的重視，20 世紀 50 年代， 日本、美國、法國等國家開始重視配電自動化，使其逐步得到了廣泛應(yīng)用；20 世紀 90 年代，我國配電自動化開始起步，在經(jīng)歷了終端產(chǎn)品研制、試點項目應(yīng)用與全面推廣這三個階段后， 目前正處于實用化階段。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架是指通過傳感器等技術(shù)手段采集、感知、識別和獲取標的物自身屬性及相關(guān)信息等，通過各種數(shù)據(jù)傳輸方式實現(xiàn)信息傳輸，再利用相關(guān)算法、工具來分析、挖掘數(shù)據(jù)應(yīng)用，實現(xiàn)人對標的物的高度認知[1,2]。配電自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架一樣，分為信息采集、傳輸、處理及應(yīng)用三個層次。采集數(shù)據(jù)包括模擬量值、開關(guān)量值等，傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)采用光纖通信 [3]、電力線載波[4]、無線公網(wǎng)[5] 等。最終實現(xiàn)配電網(wǎng)各個環(huán)節(jié)的運行及設(shè)備狀態(tài)參數(shù)的實時信息采集、監(jiān)控和應(yīng)用。因此，配電自動化系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力系統(tǒng)典型的行業(yè)應(yīng)用。本文基于這一認知，闡述了物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)架體系及配電自動化系統(tǒng)組成，設(shè)計了區(qū)域配網(wǎng)配電自動化系統(tǒng)的方案。

1 物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架體系

物聯(lián)網(wǎng)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三層。其中，感知層由各類傳感器組成，包括溫度、濕度和攝像頭等，關(guān)鍵技術(shù)是傳感器技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)層由各種通信方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)組成，包括有線網(wǎng)、無線網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)等 ；應(yīng)用層由滿足各種客戶需求的接口、界面組成，包括各類信息經(jīng)分析處理后的基礎(chǔ)應(yīng)用和定制化的高級應(yīng)用，其關(guān)鍵技術(shù)是基于各種數(shù)學(xué)建模與分析技術(shù)的應(yīng)用軟件平臺。物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架體系如圖 1 所示。

物聯(lián)網(wǎng)覆蓋九個重點領(lǐng)域。重點行業(yè)包括工業(yè)、農(nóng)業(yè)、物流等 ；重點領(lǐng)域包括環(huán)保、交通、電力等 ；民生服務(wù)領(lǐng)域包括智能家居、公共安全、醫(yī)療衛(wèi)生等。

物聯(lián)網(wǎng)基本功能包括在線監(jiān)測、定位溯源、聯(lián)動報警、調(diào)度指揮、應(yīng)急預(yù)案管理、遠程維修、在線維護、統(tǒng)計決策、系統(tǒng)展示。

2 配電自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

配電自動化系統(tǒng)一般分為終端設(shè)備層、通信傳輸層、配電自動化子應(yīng)用層三層。第一層為終端設(shè)備層。終端設(shè)備層主要包括饋線終端單元（FTU）、配變終端單元（TTU）、配電終端單元（DTU）及電量集抄器等信息采集裝置 ；第二層為通信傳輸層。該層由光纖通信、公網(wǎng)無線通信、配電線載波通信等多種通信方及接口裝置組成 ；第三層為配電自動化子應(yīng)用層。該層由數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器及通信管理機等硬件、支撐軟件、應(yīng)用軟件、通信管理軟件等構(gòu)成。配電自動化系統(tǒng)構(gòu)架體系如圖 2 所示。

配電自動化系統(tǒng)可以實現(xiàn)如下功能：

(1) 系統(tǒng)運行監(jiān)視和控制，即監(jiān)視電力監(jiān)控系統(tǒng)運行參數(shù)，

(2) 支持終端設(shè)備的遠程控制功能；

電能質(zhì)量監(jiān)視和分析，即監(jiān)視系統(tǒng)的實時電能質(zhì)量，包括電壓偏差、頻率偏差、不平衡度、功率因數(shù)、諧波含量、電壓閃變等電能質(zhì)量問題，分析評估系統(tǒng)電能質(zhì)量狀況；

(3) 功率因數(shù)監(jiān)視和控制，即實時監(jiān)測電網(wǎng)功率因數(shù)，控制調(diào)整的實時投退；

(4) 電能計量與分析，即分時、雙向測量用戶電能消耗， 提供電能量統(tǒng)計報表并分析不同用電設(shè)備在不同費率時段的電量消耗；

(5) 報警和事件管理，即對系統(tǒng)在電網(wǎng)擾動、電氣故障時觸發(fā)并記錄報警；

(6) 歷史數(shù)據(jù)管理即保存所有實時采樣數(shù)據(jù)、事件順序記錄（SOE）等，查詢歷史事件記錄，繪制成曲線圖 ；

(7) 報表管理，即按一定的模板生成各類報表；

(8) 用戶權(quán)限管理，即定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)維護管理提供可靠的安全保障；

(9) 支持Web客戶端，即通過IE瀏覽器查看系統(tǒng)監(jiān)控現(xiàn)場畫面、查閱各類統(tǒng)計報表等。

3 區(qū)域配電自動化系統(tǒng)設(shè)計方案

基于物聯(lián)網(wǎng)的理念，結(jié)合實際功能需要，以安康地區(qū)的平利縣為例，設(shè)計了區(qū)域配電自動化系統(tǒng)設(shè)計方案，踐行了物聯(lián)網(wǎng)的典型行業(yè)應(yīng)用案例。

3.1 區(qū)域配電網(wǎng)的基本情況

平利縣位于陜西東南部，地處陜鄂渝三省交界處，東接湖北竹溪，南鄰重慶城口和本市鎮(zhèn)坪縣，西北分別與嵐皋、漢濱和旬陽接壤。全縣國土面積為 2647平方公里，轄 11鎮(zhèn) 190個村 6個城市社區(qū)，總?cè)丝?23萬人。平利縣電網(wǎng)內(nèi)現(xiàn)有 35kV變電站 10座，其中國家電網(wǎng)安康供電局所轄 110kV變電站兩座，分別為 110kV平利變、110kV太山變，合計主變?nèi)萘繛?103MVA/4臺；35kV變電站 1座為老縣變，主變?nèi)萘?6.3MVA/1臺。平利供電分公司所轄 35kV變電站 7座，主變14臺， 容量 91.65MVA。35kV線路 109.225km/10條 ；除用戶專線外，10kV線路 36 條 833.16km，配電變壓器 143.99MVA/884 臺，0.4kV及以下線路 1496.2km。當前配網(wǎng)線路各項運行指標包括中壓用戶供電可靠率（RS-3）、電壓合格率、線損率與功率因數(shù)。其中，中壓用戶供電可靠率（RS-3）：城網(wǎng) 99.95%， 農(nóng)網(wǎng) 99.77%，綜合 99.78% ；電壓合格率 ：城網(wǎng) 98.1%，農(nóng)網(wǎng)97.2% ；線損率 ：城網(wǎng) 6.8%，農(nóng)網(wǎng)12% ；功率因數(shù) ：城網(wǎng) 0.9，農(nóng)網(wǎng) 0.87。平利配電網(wǎng)地理接線圖如圖 3 所示。

3.2 配電自動化系統(tǒng)方案

配電自動化系統(tǒng)采用分布式網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器及各類工作站等分布于網(wǎng)絡(luò)中，支持和管理網(wǎng)絡(luò)中各自獨立的處理節(jié)點，使數(shù)據(jù)共享。自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)采用三層體系結(jié)構(gòu)，分別為數(shù)據(jù)庫和分布式應(yīng)用的支撐平臺層、操作系統(tǒng)層和應(yīng)用系統(tǒng)三層，各層還可根據(jù)具體功能再細分。其中支撐平臺采用分布式結(jié)構(gòu)并符合相關(guān)標準的開放式體系，以便廣泛融合未來需求。縱向通過光纖、公網(wǎng)、載波等多種通信方式連接主站、子站、終端和故障指示器。

該系統(tǒng)可實現(xiàn)配電網(wǎng)集調(diào)度、測量、控制和保護一體化及相應(yīng)的高級應(yīng)用功能。具體如下：

(1) 本網(wǎng)調(diào)度管理，組織執(zhí)行上級調(diào)度機構(gòu)發(fā)布的調(diào)度指令；

(2) 組織實施上級調(diào)度機構(gòu)及上級有關(guān)部門制定的有關(guān)標準和規(guī)定；

(3) 按上級調(diào)度要求上報電網(wǎng)運行信息，按計劃或合同調(diào)度管轄電網(wǎng)的安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟運行；

(4) 制定本級配電網(wǎng)的運行方式，參與上級電網(wǎng)運行方式的分析計算；

(5) 制定、下達和調(diào)整本地區(qū)電網(wǎng)日供電調(diào)度計劃，審批范圍內(nèi)的設(shè)備檢修計劃；

(6) 集中控制和操作管理所轄配電網(wǎng)；

(7) 指揮配電網(wǎng)的事故處理，協(xié)助分析事故原因，提出整改的安全措施；

(8) 開展本地區(qū)電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)、繼電保護和自動化系統(tǒng)的規(guī)劃，提出相應(yīng)的運維策略。

現(xiàn)將該系統(tǒng)的高級應(yīng)用功能分述如下：

(1) 網(wǎng)絡(luò)建模。網(wǎng)絡(luò)建模軟件按照 IEC61970/61968的標準進行網(wǎng)絡(luò)建模，支持對于配網(wǎng)自動化系統(tǒng)所轄 EMS 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模型進行拼接，支持實時電網(wǎng)模型和未來電網(wǎng)模型的一體化維護以及在線 EMS 模型和離線 BPA 模型（或綜合程序） 整合等功能。要求整個系統(tǒng)使用同一電網(wǎng)模型，并有統(tǒng)一的管理與維護。網(wǎng)絡(luò)建模用于建立和修改網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，為其他應(yīng)用定義電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)應(yīng)采用圖庫模一體化的建模方式，整個系統(tǒng)模型的創(chuàng)建和維護支持實時態(tài)、研究態(tài)、規(guī)劃態(tài)以及測試態(tài)的應(yīng)用需求；

(2) 網(wǎng)絡(luò)拓撲分析。按照配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)和設(shè)備的運行狀態(tài)進行動態(tài)分析，實現(xiàn)監(jiān)測控制、防誤操作閉鎖、饋線自動化等應(yīng)用功能；

(3) 負荷及電能質(zhì)量監(jiān)測。系統(tǒng)采用標準的通信協(xié)議， 與智能計量系統(tǒng)共享智能電能表的電能量、實時量、告警記錄等數(shù)據(jù)；

(4) 負荷轉(zhuǎn)供。在電網(wǎng)故障或計劃停電檢修時，為盡量減小事故或檢修的停電范圍，實施有針對性的負荷轉(zhuǎn)移，指定轉(zhuǎn)供的電源、電網(wǎng)路徑及轉(zhuǎn)供容量范圍的具體操作方案；

(5) 故障定位。系統(tǒng)應(yīng)能滿足通過安裝“一遙”和“二遙”設(shè)備進行故障定位的需要，實時監(jiān)測“一遙”和“二遙”設(shè)備上傳信息，收到故障信息進行綜合分析和判斷，實現(xiàn)故障定位；

(6) 故障隔離與恢復(fù)供電。基于各種拓撲結(jié)構(gòu)的故障分析，制定電網(wǎng)運行方式預(yù)案，支撐配電自動化實現(xiàn)。根據(jù)故障信號快速自動定位故障區(qū)段，并調(diào)出相應(yīng)圖形以醒目方式顯示。支持多變電站、多饋線和多重故障下的故障定位、故障隔離及非故障區(qū)域的恢復(fù)供電；

(7) 故障處理信息查詢。通過歷史數(shù)據(jù)庫檢索查詢故障處理的全部過程信息，包括故障發(fā)生時間、發(fā)生區(qū)域等。還可實現(xiàn)故障的統(tǒng)計與分析功能。配電自動化系統(tǒng)圖如圖 4所示。

3.3 通信系統(tǒng)方案

平利配電自動化工程通信方式選擇 GPRS/CDMA 無線公網(wǎng)方式，后臺系統(tǒng)采用雙以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)。配電自動化主站設(shè)置數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器和通信前置機通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)與無線終端進行數(shù)據(jù)通信。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，采用APN 專網(wǎng)服務(wù)，無線終端數(shù)據(jù)傳輸過程全部在移動GPRS 的APN 專網(wǎng)內(nèi)完成，與外界完全隔離。

通信系統(tǒng)支持TCP/IP 等通信協(xié)議，通過電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)與遠方計算機系統(tǒng)（上、下級）交換信息 ；提供通信監(jiān)視及支持冗余配置的通信前置機的切換功能 ；支持雙以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)， 可以自動平衡兩個以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)負荷。當一個以太網(wǎng)發(fā)生故障時，系統(tǒng)可以實時自動地將負載轉(zhuǎn)移到正常的網(wǎng)絡(luò)上，切換過程中不會產(chǎn)生任何信息丟失。當主備冗余配置的一臺交換機發(fā)生故障時，可以自動切換到另一臺正常的交換機進行通信，切換過程不會產(chǎn)生信息丟失 ；提供對通信端口、節(jié)點、TCP/IP 端口、C/S方式和安全認證的配置功能；每一個通信鏈路具有可觀測性、可控制性。用戶可在界面上對任一鏈路實施起動、停止和禁止操作，可獲取鏈路的運行統(tǒng)計信息；能夠監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)連接質(zhì)量，當延時超過限值時給出報警信息并記入事件記錄； 對通信網(wǎng)絡(luò)的連接狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)通信延時、網(wǎng)絡(luò)路由情況進行監(jiān)視 ；可提供標準的應(yīng)用程序接口，實現(xiàn)應(yīng)用軟件和用戶定制化的無縫通信。通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 5 所示。

4 結(jié) 語

基于物聯(lián)網(wǎng)的思路，設(shè)計的區(qū)域配電自動化系統(tǒng)，有針對性地采用了無線公網(wǎng)的通信方式，實現(xiàn)了配電自動化的基本功能和一些基礎(chǔ)應(yīng)用，展望配電自動化系統(tǒng)的高級應(yīng)用。拓展物聯(lián)網(wǎng)在電力系統(tǒng)的典型行業(yè)應(yīng)用，為配電自動化建設(shè)提供了一個新的視角與技術(shù)路徑。