基于泛在电力物联网的低压末端智能感知设备技术研究

王迟， 倪光捷， 徐琼， 黄子杰

(国网信通亿力科技有限责任公司， 福建 福州 350003)

0 引言

随着我国经济以及科技的迅速发展，人们的生活总体水平正在不断提升，生活水平的提升促使人们对用电的情况要求十分严格，本文将通过用电信息采集系统针对电力用户的用电信息进行采集，通过采集可以详细掌握用户的用电状况，并根据相关数据进行处理，除此之外，针对该系统将附加实时监控的功能，通过实时监控的方法实现对用户的用电信息进行多种功能的实现，比如自动采集、计量异常监测、电能质量监测、用电分析和管理、相关信息发布、分布式能源监控、智能用电设备的信息交互等功能。但是，该系统具有多种优势的同时，仍存在多种弊端，为保证该系统的正常运转，将通过开展配用电物联网的总体架构设计、技术实现方向、支撑配网可视化功能完善场景和支撑现代营销体系建设和项目实施计划，寻求电力公司配用电物联网建设的合理化解决方案，积累经验，推动国网泛在电力物联网建设向更合理、更智能、更高效、更安全转变。

1 基于泛在电力物联网低压末端智能感知设备建设目标

针对泛在电力物联网中的建设目标，本文将充分应用“大云物移智”等现代信息技术以及先进通信技术，通过多种技术的应用可以实现电力系统各个环节万物互联、人机交互，并且通过应用能力的提升可以使人们的生活向更加便利化发展，本文将建设目标定为全程透明化发展，将电力物联网低压末端智能感知设备打造成能源互联网生态圈，支撑“三型两网”世界一流能源互联网企业建设。围绕“三型两网”战略目标，主动适应国家和公司关于物联网建设的工作部署，推动物联网技术与营销、计量、配电运检管理工作深度融合，实现设备状态全面感知、数据信息高效处理、业务应用便捷灵活[1]。

2 低压末端智能感知设备可视化技术研究

2.1 集中器+多功能智能扩展模块实现继承发展

为解决低压设备数量多，类型复杂，通信协议不一致，低压配网自动化台区监控管理手段缺乏等问题，提出了用电信息采集系统支撑基于泛在电力物联网建设方案。通过集中器增加多功能智能扩展模块，满足低压侧配变台区配网信息采集和控制。智能扩展模块实现示例,如图1所示。

图1 集中器+多功能智能扩展模块实现示例图

多功能智能扩展模块分两种类型，一是针对距离集中器较近的分路开关等智能设备，采用I型多功能智能扩展模块，支持低压全网设备以近距离通信，支持多路遥信、遥控、遥测方式接入。二是针对距离集中器较远的表箱总开等设备，采用II型多功能智能扩展，支持设备以HPLC、蓝牙等小无线多模方式接入。针对泛在物联网的接入设备层，将应用各层级带通信的智能开关(剩余电流保护器)，表后智能微型断路器，支持各类设备“即接即用”。

2.2 新型多模通信智能开关提升客户服务能力

为提升台区配网精益管理水平，满足主动服务、设备状态管理需要，建设由智能漏保开关为主导的低压智能台区建设方案，对低压配网触电技术进步有质的飞跃。新型高性能智能低压开关(智能漏保)集HPLC、蓝牙、数据监测采集、数据接入网关于一身，同时还可以作为HPLC的中继节点，解决HPLC通信组网抗衰减能力弱，信号覆盖程度低的问题[2]。

2.2.1 线路侧智能开关

线路侧智能开关具备剩余电流保护以及过负荷保护等多种保护功能，通过该功能的使用有利于工作人员及时发现电力物联网的故障问题，而通过该系统的报警功能以及剩余电流数值及故障相位显示、监控、记录功能可以使工作人员及时发现故障问题源于何处，除此之外剩余动作电流值、动作时间可调；通信方面上行具有载波通讯功能，下行具有微功率无线通讯功能，并与表下智能漏电监测微型断路器实现自组网功能，除此之外，该系统还具有显示、监测线路运行电流、电压的功能；具有软件升级和可通讯功能，可本地和远程读取设备基础信息和用电信息；具有1路继电器或辅助输出开关接点可向终端管理设备提供设备的分合状态信号；带有单相电能表双模通信模块，且可热插拨，内嵌的微功率无线模块(蓝牙模块)，支持分簇自组网，网络规模支持16个从节点，支持将从上行信道(高速电力线载波HPLC)发来的报文进行重新封装发送至蓝牙信道，支持蓝牙信道接收到的报文进行重新封装发送给上行信道。

2.2.2 用户侧微型断路器

用户侧微型断路器具有多种功能，比如通过该断路器可以实现漏电流保护、过载保护、短路保护功能；能实时监测漏电流功能，漏电电流测量范围为1—1 000 mA，测量精度不低于2 mA及2%；具备漏电保护功能智能投切功能；具备跳闸事件记录和跳闸原因监控功能；具备温度测量功能；能测量开关腔体内温度，测量误差不超过5度；具有微功率无线通信接口，能通过无线通信采集表后开关相关状态和信息；采用微功率无线通信时能支持即插即用，并支持与表前开关实现自组网、具备开关状态监测功能、漏电试跳、电压测量、远程升级功能。

2.2.3 基于居民负荷多面数据采集的互动需求响应

通过更换具备非侵入式用电行为感知技术的电能表，扩展相应的数据项，通过HPLC实现电能表与集中器的交互。通过负荷数据的采集、负荷特征的提取、负荷特征的匹配、识别结果的输出四个步骤，对用户各类负载情况进行实时监测与分析，其原理框架图及算法框图，如图2、图3所示。

图2 非侵入式用电行为感知技术原理框架图

图3 非侵入式用电行为感知技术算法框图

借助电能表MCU芯片，集成非侵入式检测软件，采用用电行为双芯片设计方案电能表，包含MCU芯片、负荷开关控制芯片、计量芯片、485通信芯片、开关电源芯片，具备计量、存储、用户负荷监测和通讯功能。通过电能表进行电压、电流数据采样，不需额外增加互感器等设备[3]。

非侵入式负荷监测的本质是模式识别，核心是模式分类，其实现方式是通过利用机器学习解决模式的方法针对漏洞进行分类解决问题。通过数据采集，记录负荷变化过程，然后进行特征提取，就是检测用电设备对电流、谐波参数的影响形成什么样的相量，根据提取到的相量进行特征库比对，通过机器学习算法进行模式分类，确定该特征是属于哪种电器。

2.2.4 无线传感实现配电室环境采集监测

配电房环境监测系统以通信网关作为核心设备，通过智能传感器和无线(ZigBee)本地自组网通信技术，实现门禁监控子系统等环境传感数据形成统一数据交互平台及联动响应，后续可依托大数据及云服务技术，将通信网关的数据交互能力与监控平台分析能力相结合，强化数据的采集和共享、分析服务，以“终端+平台”的模式打造“互联网+物联网”的环境监控管理系统，推进环境智能监测采集技术在配变台区的深度融合，构建配用电物联网台区智能化。配电房环境采集应用架构如图4所示。

图4 配电房环境采集应用架构

2.2.5 无源无线传感实现变压器状态采集

依据变压器的机械和电气特性，通过加装无源无线变压器传感器实时采集相关的非电气量和电气量数据，分析变压器运行的数据，对变压器可能发生的故障及时准确地做出预测，如果有异常信息会在配电自动化系统上进行告警提示，有效提升配电网运行的安全、稳定、经济[4]。

变压器监测系统主要由SF6监测传感器、变压器进出线、油温、本体温度监测传感器等智能传感器组成。

(1) 变压器进出线接头监测

变压器进出线接头因接触不良、腐蚀等原因，容易发生热故障，可采用无线测温传感器绑扎在电缆接头进、出线处进行监测。

(2) 油浸变压器本体监测

油浸变压器本体发热时，顶部温度一般高于底部温度，因此变压器本体温度的监测点选择在变压器顶部，安装在变压器顶部或测温孔，监测顶部温度或顶层油温。

(3) SF6 监测传感器

SF6 监测传感器将通过采用多组新型高灵敏度红外SF6传感器的方法实现检测功能，SF6 监测传感器的使用具有多种优势，比如当室内SF6及O2的浓度发生微小变化时，SF6 监测传感器可以迅速发现并反馈给工作人员进行检查，具有一定的研究价值。

2.2.6 智能三相平衡调节装置提高用能质量

三相不平衡装置治理功能通过实时监测装置源侧电流和负载侧电流，根据电流值决策是否投用装置，并对装置投运效果评估，为保证提升电力物联网的输配电运行效率和电力能源价值，将通过基于物联网技术的ASVG为用户提供安全且稳定的持续供电。现低压台区的全相计算、指标监控、优化方案输出、治理效果评价等功能，与PMS、GIS、用采系统贯通、互动，该方法的使用可以实现台区的三相负荷监测、预警、分析、治理、评价等闭环管控机制，并且实现实时动态平衡。通该装置应用，提高电能质量、改善低电压、提高电动机效率、延长变压器寿命；降低线损、降低变损。

2.3 通信能力扩展提升

2.3.1 基于采集规约扩展实现营配采集一体化

为支撑基于用电信息采集系统的泛在电力物联网建设，需要对用采系统的通信规约进行扩展，在满足用电信息采集基础上扩展以满足泛在配用电物联网建设，实现营配采集一体化[5]。

对698规约和1 376.1/645规约进行扩展，规约中添加设备类型标志用于区分各类感知设备的类型，扩展其他相应采集数据项，制定各类设备的地址规则，确保同一台区下所有设备地址无重复，满足智能开关、智能漏保、动环监控装置等各类感知设备数据采集。

各类感知设备与采集系统的通信有以下两种实现方式。

(1) 使用4G模块实现

多功能扩展模块支持4G SIM卡插槽，模块通过采集专网通信链路实现数据采集。

优点：采集终端无需升级；模块可以直接与采集主站进行通信，可以有效突破老旧终端并发处理瓶颈。

缺点：4G网络信号未覆盖区域影响数据传输。

(2) 利用终端透明转发功能实现

优点：无需加装其他通讯设备，节约成本。

缺点：所有终端都需进行版本升级，以满足扩展规约的通信。

2.3.2 SF6 监测传感器提升智能感知接入安全

低压台区智能感知升级，通过复用基于用电信息采集系统“国网安全芯”密钥方案实现安全通信。目前SF6 监测传感器为提升智能感知设备的接入安全，将通过ESAM 进行实现，ESAM全称为Embedded Secure Access Module，实际上指的是嵌入式安全控制模块，通过该模块的应用可以实现数据的存储安全，嵌入式安全控制模块的实质为DIP或者SOP芯片封装的CPU卡芯片，通过将数据进行加解密以及终端身份的识别与认证，该模块的使用最终可以提升智能感知设备的安全性能。为满足低压台区智能感知升级，满足台区侧类型终端、传感器、智联单元、智能开关等产品的安全接入需求，需要在相关智能感知层构建“国网芯”的低压配电物联网产品生态树，建立安全、稳定、运行可靠的低压台区配电物联网,如图5所示。

图5 国网安全芯产品系列

2.3.3 外置北斗位置定位模块提供位置信息

随着我国的不断发展，最终可以确定当今世界在全球卫星定位领域上只有四套系统，在这四套系统中，随中国北斗全球组网步伐的加速，其应用市场得到很大拓展。多功能智能扩展模块带外置北斗多模定位天线，实现终端的经纬度位置采集，可拓展了更多的应用场景。

3 基于泛在电力物联网的配网可视化应用

3.1 精确到户的分钟级停电监测及数据可视化

依托现有的HPLC智能表配置电流监控任务，实现表后电流的分钟级监控，依托大数据分析支撑表后停电研判。依靠智能开关和表后智能微型断路器，结合各级开关跳合闸和停上电事件，实现全台区从分路开关到用户户内开关各级停电故障的分钟级研判，精准定位故障位置并确定跳闸原因，为低压故障抢修效率和主动服务能力提升提供有力支撑。

基于用户停电监测数据、台区停电监测数据和定位信息，与GIS系统数据相结合，对停电用户、台区在GIS地图中进行展示。以停电计划数据为基准，通过对停电数据的比较分析，在用户停电分布密集的区域，可以进一步研判是否配变异常停电并支撑配变供电抢修工作。在台区停电相对密集区域，可以通过对周边台区运行状态召测，来分析线路是否异常停电，并支撑线路供电抢修工作的开展。

3.2 低压台区多层拓扑建模与综合分析

基于多功能智能扩展模块的北斗定位信息，结合HPLC网络节点数据、GIS系统数据、3D地图数据，可对各类感知设备进行拓扑网络图进行绘制，分别绘制电气设备拓扑图、通信设备网络拓扑图、3D地图台区拓扑图、基于GIS的台区拓扑图，拓扑结构从配变到低压用户(台区配变→分支箱→表箱→户表),实时显示开关状态、线路状态及户表档案信息。实现台区下所有感知设备物理位置拓扑关系展示[6]。

3.3 业扩报装与供电指挥服务集成可视化建设

业扩报装与供电指挥服务集成可视化建设将通过系统的集成应用，将其进行融合，从而实现客户对于电力物联网的诉求，完善业扩流程规范，使供电服务质量监督与管控等跨专业协同环环相扣、无缝对接、全过程实时预警和评价，打造电力企业核心力，进一步提升客户满意度。通过统一化地对数据进行实时采集，并利用其高效的分析计算能力为供电服务指挥中心提供各项业务分析计算组件，供电服务指挥系统通过其数据接口服务获取数据用于事件研判和高级分析；一体化“国网云”平台包含对集中式架构和分布式架构的完整支撑，可以实现微应用的实现。

3.4 供电可靠性分析

对不同电压等级的供电电压超出偏差限值的情况进行统计，综合计算各单位电压合格率，按照单位、区域、时间、变电站、线路、台区等维度，统计电压异常的时长、次数，按照单位、区域、时间、变电站、线路、台区等维度，统计电压异常的时长、次数。 通过停电计划优化、精细化停送电监测管理两方面措施，降低户均停电次数、停电时长，降低重大/敏感停电事件引发服务风险概率，提升供电可靠性[7]。

4 总结

随着国家的迅速发展，我国的物联网将基于泛的基础上实现通信网与互联网的拓展应用和网络延伸。除此之外，为了促进我国电力物联网可以顺应能源革命和数字革命融合发展趋势，我国电力物联网应将打造“三型两网，世界一流”企业视为重中之重，为保证基于泛在电力物联网可以为电网安全经济运行、提高经营绩效、改善服务质量，本文将通过泛在物联网的建设思路进行文章的开端，针对提升泛在电力物联网中的感知技术的目的，将采用对低压末端智能感知设备技术进行研究的方法，具有重要研究价值。