基于分钟级采集的配电台区拓展应用研究

魏训虎

（南京南瑞信息通信科技有限公司，江苏 南京211500）

随着国家电网公司提出“三型两网、世界一流”的战略目标，政府工作报告提出碳中和碳达峰目标，全国范围以电力物联网建设与能源互联网建设为核心，开启了新一轮的电网升级。长期以来，我国在中高压输电侧与变电侧的建设成就举世瞩目。但在低压侧，配电网的运维管理长期处于较低水平，台区拓扑档案等存在较多错误；配网感知能力与感知深度严重不足，智能电表长期只采集日冻结功率数据上报，采集频率过低，仅用于支持营销部门的电费核算，不足以支撑电力物联网与能源互联网相关应用。

因此提高低压配电网数据感知能力，加深数据感知深度，提高数据采集频率成为电网基础设施建设的关键点。与此同时，随着数据感知能力的加强，为使数据流支撑电力物联网与能源互联网的建设、支撑配电网智能化与自动化，还需要积极追踪用户需求，开发数据流驱动的配电台区应用，真正实现“三型两网、世界一流”。

1 配电台区分钟级采集方案

目前营销专业、设备专业分别建设用电信息采集系统、配电自动化系统，并部署低压故障、监测单元、智能电表等采集设备实现台区状态的感知，由智能配变终端TTU、集中器等设备汇聚数据，传送至内网系统。两套系统采集数据内容的重合度极高，主要差别在采集频率上，配电自动化系统对数据的实时性要求高于用电信息采集系统。因此，完全可以部署一套较高性能的现场数据采集子系统，实现源数据的统一采集、统一处理。为解决上述问题并进行技术升级，通过在台区部署边缘物联代理/TTU/融合终端，统一接入各类感知数据，实现分钟级数据采集，避免过度传感建设。基于智能电表分钟级采集数据可实现台区状态实时感知、故障定位、能效分析、线损精益化管理等功能。针对集中器分钟级采集改造的总体思路是充分利用现有硬件设备，在软件协议、抄表策略等方面进行扩展和优化。

当前的台区用电信息采集系统的部署有II 型采集器+485 表、I 型集中器+载波表、I 型集中器+I 型采集器+485 表、I 型集中器+II 型采集器+485 表4 种，集中器与采集器的组网采用HPLC+1376.2 协议，集中器与用电信息采集系统主站组网采用无线专网或无线公网+1376.1 协议，采集器与智能电表间通信采用RS485+DL/T645 协议。图1 为目前台区用电信息采集系统示意图。

图1 用电信息采集系统示意图

分钟级数据采集与传统小时级乃至于15 分钟级数据采集在表面上看只是采集频率的提高，实质上涉及到从软件到硬件的整体升级。随着采集频率的提高，对硬件稳定性、采集成功率、数据上报延时、采集数据存储都提出了更高的要求。特别是数据上报延时和采集数据存储方面，以往的低频度采集中一个台区所有电表都能在上报时间跨度中完成，但采用分钟级采集后将不能保证这一点，又同时带来了采集同步性的问题；在采集数据存储上，更高频率的采集意味着更高的数据量，因此还需要对集中器、采集器与电表升级硬件设备。为适应分钟级采集任务，采取了I 型集中器与II 型采集器两种升级方案分别对集中器与采集器的数据采集策略进行了改进。II 型集中器在协议上的升级方案与I 型集中器升级方案基本是相同的，差别主要在于集中器与采集器的采集策略上。

首先为集中器及采集器配置基于DL/T645 和Q/GDW 1376.2 协议扩展的分钟级通讯协议，并对应地扩大采集器存储空间；开发拓展通信接口以支持DL/T645 协议，扩展报文数据标识，将分相电压、电流和功率在内的多个数据项汇集于一个字段；对于涉及集中器通信的1376.2 协议，对其通信报文格式进行扩展，在645 报文格式中加入时标并封装入1376.2 协议报文的上下文中。在下行报文里所有645 报文的应答被全部收集完成后，统一组成一帧回复给集中器。I 型与II 型集中器对被监测电压采用有效值采样，采样周期至少每秒1 次，并作为预处理值贮存。1 分钟作为一个统计单元，取1 分钟内电压预处理值的平均值，作为被监测系统即时的实际运行电压；终端上行通信方式设置为混合模式，支持双通道、双主站（用采主站、智能边设备）；II 型采集器增加存储容量（128k），将采集到的电表当前数据进行存储后再打包上传。同时在用电信息采集系统中加入智能边设备，部署分钟级数据同频采集APP，实现对集中器数据采集汇聚、边缘计算。

与此同时，修改抄表策略以适应分钟级采集任务。在添加了分钟级任务后，由于集中器一般都会连接数十块电表，由于传输延迟等因素的影响，可能导致集中器连接的电表在1 分钟内无法将所有分钟级采集数据全部上传的问题出现。为解决这一问题，在645 报文中加入时标用于识别数据采集时间，但在实时循环采集机制中，可能因为延迟等在同一秒内采集到时标相同的本是两次采集得到的数据，这将导致数据丢失，具体如图2 所示。为解决这一问题，采用整分采集机制而弃用循环采集。虽然这会导致不能完全实现1 小时采集60 个数据上报，但保证了采集成功率和数据良率。

图2 循环采集时标重复示意图

2 配电台区拓展应用

在以往的配电台区，由于数据采集频度低，感知能力差，很难利用用电信息采集系统采集的数据对配电台区开发针对性的功能应用，诸如线损分析、拓扑识别、线路隐患排查等，往往都依赖于人工进行，费时费力。在分钟级数据采集成功实现后，充足的数据量足以支撑诸多配电台区自动化应用，同时还可以应用于新能源光伏台区，服务于碳中和、碳达峰目标。可开发应用有相位识别、户变纠错、分相线损分析、光伏反窃电、光伏出力预测、负荷预测、电能质量分析等。

2.1 相位识别

通过用户电表、光伏电表及台区关口表分钟级采集数据，开发相别自动识别算法，实现低压台区电表和户变相别识别。从关口表、用户电表与光伏电表采集的分钟级数据，包括电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数等。算法有基于相关性分析、多元线性回归、曲线聚类、频谱聚类等机器学习算法，以往最多基于15 分钟频度的采集数据，相位识别精度不能达到100%。在引入分钟级采集后，升级的相位识别算法能将相位识别准确度提高到100%。同时若将光伏出力导致的功率倒送考虑在内，将用户时序电压、电流、功率等与关口表采集的电压电流功率等进行综合计算，还可以对光伏台区电表相位等拓扑关系进行识别。

2.2 光伏出力拟合与预测

光伏台区的出力影响配电网的潮流分配与无功分配，降低系统惯性，对配电网稳定性有着较大影响。配调部门需要较为精确的光伏出力曲线来辅助调度工作，往往将低频度的出力数据拟合出高频数据。在实现分钟级数据后，光伏出力的拟合工作将大大简化，分钟级的频度已满足绝大部分要求，若有更精确的要求，利用分钟级数据再进行拟合的精度也更高。另一方面，为确保调度部门合理安排系统无功补偿、切除光伏倒送等应对措施，需要对配电网分布式光伏出力进行短期与长期预测。基于神经网络、支持向量机等机器学习算法，结合光照、云层等气象数据进行光伏出力短期与长期预测，为调度部门提供参考。

2.3 光伏反窃电

传统的台区反窃电往往都依赖于线损异常甄别和人工排查。而在光伏台区，由于用户自购自接光伏电池板与逆变器，在光伏出力大于家庭负荷时，将会有功率反送上网并依据功率上网量获取补贴。为了保证光伏上网量不至于对配电网稳定性产生冲击，会限制用户自接光伏电池板的容量。但有用户会超额接入电池板，甚至还会有光伏计量表升压、市电整流逆变、市电改接法等窃电手段，即将配电网送入用户的交流电经过逆变或不逆变直接返送上网，以此骗取补贴。相对于传统台区，光伏台区窃电数据样本少，窃电逻辑不同，窃电行为隐蔽，传统的线损异常甄别、人工排查等手段难以精准识别。

在实现分钟级采集后，数据驱动的反窃电方法可以实现，通过比较正常用户电压、电流、功率曲线和不同情况下窃电样本的电压、电流、功率分钟级数据曲线，可有效甄别光伏窃电用户。而对于窃电数据样本少的问题，有文献指出，可以利用基于NICE 的数据增强算法扩充窃电数据样本库，提高窃电识别准确率。同时通过光伏电表计量的返送功率数据，甄别违约加增光伏板用户，实现光伏反窃电功能。

3 结束语

本文提出了用电信息采集系统的分钟级采集方案，在硬件上升级I 型和II 型集中器、采集器与智能电表，在软件上升级DL/T645 和1376.2 通信协议，优化数据采集策略，统一物模型，采用边缘计算技术，大大提高了用电信息采集系统的采集频率，满足了电力物联网和能源互联网建设背景下配电网智能化与自动化建设的数据需求。

在实现分钟级采集方案的基础上，提出了相位识别与户变纠错、光伏出力预测、反窃电、反向线损分析等配电台区数据驱动业务应用，满足配电台区不同的业务需求，实现配电台区的智能化建设，为配电台区进一步升级改造、业务应用进一步开发提供了思路。

需要指出的是，分钟级采集在带来数据频度提高的同时，给采集成功率等带来了很多挑战。上文提及为保证采集良率而采用了整分采集策略，如果台区下带电表数量过多，需要很长的周期才能完成一轮采集，这样会大大降低实际采集频率，从而使后续应用开发出现问题。可考虑对于分钟级数据采集策略和数据通信协议进行进一步改造，如对数据报文进行压缩处理等，这是后续研究的方向之一。