基于物联网的三塘用户故障快速响应研究

国网上海市电力公司 施 勇 陆燕峰 张 昊 陆 勋 朱 涛 许风华 黄 峰 陈凯峰

引言

崇明岛在长江入海口，岛上水网发达环境优良，是不可多得的天然鱼虾蟹养殖基地，岛上三塘养殖面积分布面较广，截止2019年4月崇明共有三塘用户502户，养殖面积超万亩。电力建设方面，由于崇明农村网架结构薄弱，特别鱼虾蟹塘等用户负荷较小，位置在滩涂或偏远地带，配电设施以户外设备和架空线路为主；崇明沿海地区在台风多发季节时，受到恶劣天气的影响下容易出现故障停电，渔业养殖在高温及恶劣天气影响下极易缺氧导致养殖户面临巨大经济损失的风险。据统计，2017年崇明地区共发生渔业用户翻塘事故4起，造成直接经济损失370万元。

电网系统在运行中发生故障时，为确保供电可靠性，需对故障点进行迅速定位，明确故障类型，快速完成故障隔离工作，恢复非故障供电，使得故障范围尽可能缩小，尽量减少时户数，从而保证电网运行可靠性在较高的水平。夏季在三塘用户停电后水温逐步升高，空气中的氧在水中的溶解度大幅下降；养殖密度过大，鱼蟹虾的呼吸作用加大，耗氧量也增大；有机物不仅有生物排泄物，而且有池底残存饲料和淤积的污泥，有机物越多、细菌越活跃，而细菌活动过程要消耗大量氧才能进行，导致浮游生物种群比例失调；以上原因如果没有增氧设备极易导致水环境恶化，引起鱼蟹虾大量死亡[1]。

在推广混养密度高的情况下，需每亩配置0.75kW增氧设施就可减少因缺氧造成的损失。经查找资料，当发生停电时，标准大气压下气温35℃时、鲢鱼高密度养殖塘情况下，断电停氧15分钟后氧在水中的溶解度从13.22mg/L降低至4.47mg/L，达到鱼类重度浮头缺氧标准，如再继续缺氧鱼大量出现死亡，将造成巨大经济损失[2]。这意味着着，对三塘用户的供电要求控制在发生停电15分钟内恢复供电对用户影响最小，这对抢修队伍到达现场提出了更高的要求。

目前崇明供电公司采用网格化管理，夏季通过在片区里抢修班站驻扎，缩短停电时间；但受天气、距离、驾驶员及抢修人员经验等多方面因素影响，停电恢复时间波动很大。为减少停电对用户的影响，每年夏季前由营业站、农电专职人员前往三塘用户养殖基地，现场检查用户表计、接线是否老化、使用设备容量是否超容、用户是否自备发电机；建立三塘用户微信群，群内不定期推送相关天气预报、检修通知单等，便于用户早作准备，及时规避风险；在台风雷暴天气来临前夕，公司相关班站着重对基础设备薄弱的三塘用户提供定点上门服务，提出指导意见，从管理层面规避跳闸风险等多种辅助措施；即使供电公司做了大量的预案和措施，还是由于客观因数导致用户因停电造车损失。

本文在既有的工作的基础上推陈出新，结合用户实际情况完成以下研究：提出了一种基于物联网技术的故障判断技术；提出故障快速定位与到达现场路径规划的快速响应机制。项目基于鱼虾蟹塘专变台区的特征，通过物联网技术将各个监测点数据实时传输到监控中心，集成于地理图信息系统，通过建立模型将故障点及故障现象清晰在后台监控系统上展示，故障发生后监控系统自动利用短信、微信等方式，将故障点基本信息及位置信息精准的主动推送到抢修人员和用户，用户自查和抢修人员主动抢修机制极大的缩短了故障响应时间。

1 三塘用户用电情况分析

鱼虾蟹类养殖业夏季用电连续性对供电可靠性要求高。传统四大家鱼低密度养殖的方式向规模化高密度养殖方式转变后，高密度养殖方式下夏季对增氧装置用电连续性要求较高，停电极易造成严重损失；养殖户安全用电、用电可靠性自我保护意识不强。部分养殖户对用电设备缺乏应有保养和维护，往往依赖电网，不愿意多投入资金用于用电线路安装和改造。用户侧线路不符合要求、临时用电私拉乱接现象十分普遍，养殖用电环境潮湿，增加线路接地、跳闸故障的发生。

养殖户履行合同要求用电的意识淡薄。部分养殖户存在转包、私自过户、私自增容用电等问题。虽然《供用电合同》约定须自备足够可靠的自备电源或采取其他有效防止停电措施，对漏电保护装置与用电设施（如增氧机等）按规定使用和保养维护条款已明确，但供电企业对客户是否采取这些措施并无法律强制性，缺乏有效监管手段，用户不按合同约定配置自备电源、不按运行相关规定对用电设施保养维护的情况较为普遍，安全用电意识浅薄。

用户侧缺相保护装置配置不全或保护装置运维不当。首先用户缺相保护和报警装置配置不全，非正常运行状态下易造成鱼塘增氧机缺相烧损设备。其次养殖户客户漏电开关未正确配置或保护功能失效，故障用户未正确切断电源，越级引起供电电源侧开关跳闸，扩大停电范围，累及非故障用户所接入的其他养殖用户停电；养殖业用户对应急电源的重要性认识不足。养殖业用户缺乏生产自救和风险应对能力，在电网不能提供电力供应时，往往忽视自身的养殖业风险因数，不能采取有效应急措施，应对电网故障不可控停电因数严重不足。

2 基于GIS和物联网的用电智能监测系统研究

2.1 系统要求

用电故障抢修基于网格化管理基础上，由于三塘用户养殖基地分布地域偏僻且无规划精确的地名、路名和门牌号，给抢修人员故障点定位带来不便。搭建系统硬件要求如下：所有养殖基地均安装采集装置和集中器；所有集中器和采集器安装地点均录入精确的地理位置经纬度坐标信息；系统每分钟召测集中器在线状态；建立用电异常算法模型，通过系统自动判断功能对用电异常进行分析，系统反馈用电异常结果，系统管理界面发出声光告警提示，故障情况下自动以微信、短信、电话方式通知抢修人员和养殖户；短信包含地理位置信息和故障描述，提升抢修效率。

2.2 系统架构

系统搭建。用户侧智能电表及台区电源侧关口表通过采集装置将运行中电气参数传输到集中器，通过GPS无线网路上传至数据库，按照高压线路图形拓扑结构，集中器归属于不同线路，经过数据综合分析，故障结果在管理终端展示并告知运维人员及用户。

2.3 技术架构

根据物联网构架要求，从感知层、网络层、平台层、应用层技术上进行框架搭建。感知层即数据层，提供所有数据采集，实现电力运行参数全感知、业务全穿透；网络层即服务层，提供对外接口，包括心跳接口、停电信息上报接口、用电情况查询接口，集中器通过接口服务组件连接到平台。公共服务组件实现权限和数据服务，通过任务调度服务实现与集中器定时通信，通过消息推送服务实现短信发送。基础组件实现系统的安全功能、系统配置功能以满足业务需求。系统日志组件记录系统所有操作日志，可进行追溯和审计；平台层即表现层，调用了百度地图后，用可视化方式在地图上标示各个养殖户用电状态，通过数据综合分析判断用户电气故障属性；应用层即访问层，通过推送手机短消息、微信信息、浏览器等可视化界面展示最终结果。

2.4 异常用电识别算法

终端掉线。系统按每分钟频率间隔轮循发送召测报文，终端返回在线状态，为规避网络异常情况，当掉线次数累计达到3次时，掉线终端在系统首页地图上红色闪烁提示，并发出声音告警，提示运维人员加强监视，直至网络恢复。

断相。正常情况下系统采集三相电压，当任意一相电压低于阀值时会自动上报断相事件给系统，系统发出声音并出现告警信息，同时推送给供电运维人员及养殖户告警短信或者微信。

低压停电。当终端用户停电时，终端表计将停电事件上报给系统。低压终端用户与供电侧电源侧进行对比，如果用户侧失电但电源侧未失电，判断用户用电异常，系统接受指令后要求用户确认，确认是否需要运维人员进行抢修；如果终端用户侧与电源侧均失电，则判断高压电源点故障，运维人员直接进行干预。如果停电事件与复电事件时间间隔5分钟以上判为有效停电，系统首页提示并发出声音告警，同时推送告警短信，不足5分钟则判为无效停电，系统只记录而不发告警短信。Δt=t复电时间-t停电时间≥5。

高压停电。根据图形拓扑同一条线路下有3个以上电源侧同时停电，则判定为高压侧停电，系统首页提示并发出声音告警，同时推送告警短信运维人员。

2.5 用电异常告警模型

在传统的用电异常监测方法中，一般是通过采集实时值来判断用电是否出现异常，但这种传统的方法在网络异常、信号干扰的情况下会出现误判，容易出现抢修人力资源浪费，本文通过设置不同模型对用电异常情况下进行统计分析，判断阀值和连续次数、连续时长的进行计算，增加了异常用电判断的准确性，避免误报。

终端掉线。模型利用终端掉线算法，当连续三次或以上不在线时系统识别为掉线状态，当集中器恢复在线后将掉线次数寄存器清零；断相。模型利用断相算法，系统判断是三相还是二相或者一相低于阀值，系统识别用户故障还是电源侧故障，根据系统判断结果通知用户或者供电公司运维人员。

图1 终端掉线模型

图2 终端掉线模型

低压停电。模型利用低压停电算法，系统通过判断电源与用户侧是否同时低于阀值，根据判断结果确定高压故障还是低压故障；高压停电。模型利用同一线路下低压停电算法识别3台以上配变低压侧电压是否低于阀值，判断是否高压线路故障。

图3 低压停电模型

图4 低压停电模型

3 案例验证

为验证系统可行性和有效性，通过异常用电算法搭建系统模型，对所管辖范围内出现的故障进行了系统评估；“三塘用户故障监测系统”较为全面反应出系统在故障判断、地理位置定位、信息的推送、抢修人员辅助处理故障中发挥了较大的作用。

根据统计，系统未上线时平均抢修修复时间43分钟，在夏季容易出现翻塘事故。引入物联网的三塘用户故障快速响应技术后对故障进行快速定位、判断故障类型，平均故障抢修修复时间17分钟，极大提高了故障抢修效率，减少了养殖户由于失电而造成经济损失，通过2017年与2020年数据比对，抢修人员平均抢修修复时间提高了48.8%，为停电后快速恢复供电提供了支撑。据统计2017年崇明公司因三塘问题导致的法律纠纷4起，共计赔付金额370万元；2020项目上线后未发生法律纠纷，赔付金额零。

综上，“三塘用户故障监测系统”利用物联网技术对故障设备统一调度，系统检测到停电后通过系统自动判断功能对停电故障原因初步判断，提高事故的处理效率，同时指引抢修人员最短时间到达现场，为三塘用户的科学管理与快速处理发挥了作用；减少用户因停电导致经济损失及社会舆论影响，提升优质服务能力，助力崇明生态岛建设。