智能网关在配网供电可靠性评估与策略优选算法中的应用

陈观寿

（广东顺畅科技有限公司，广东 江门 529000）

配电智能网关是一种具备快速接入、运维便捷以及本地智能特点的融合网关，从数据采集源头解决多源异构数据的融合问题，基于融合后的多源数据实现更精确的状态监测、 更高效的智能运维管控，从而实现配电房的自动巡检与预测性检修功能，减少人工运维成本， 提升供电质量、用电客户满意度以及配网精益化管理水平。

1 智能网关的特点与基本技术

智能网关架构的基本组成如图1所示。核心硬件层主控制器采用32位或64位RISC CPU的基于ARM系列的处理器，该处理器具有低功耗、高运算能力、高集成度、支持睡眠模式以及主动省电模式等特点。该处理器具有多个处理核心且片内集成高速缓存（I/D）/MMU、多级流水线（VFP）、DDR内存控制器、高速USB控制器/PCIE控制器、高速千兆网卡控制器以及485/232串口控制器等硬件逻辑控制器。软件平台层主要包括Linux操作系统、容器引擎等。

智能网关中智能应用处理器内部集成了丰富的外围接口（包括RS232、RS485、RJ45以及DI/DO），智能网关内置的智能协议栈，通过调用相应的硬件驱动接口获取与外界相连的各类传感器，通过协议栈来对接外部传感器的通信协议，以获取传感器的设备信息（包括传感器设备的名称、设备类型以及传感器数据等信息），应用服务程序对从外界获取的物联网设备信息进行统一化管理、存储，并以标准的MQTT协议来与外部进行通信，通过内置硬件安全加密引擎实现对数据的安全传输和安全智能化管理[1]。

2 网供电系统中智能网关的应用实践

利用智能网关强大的硬件资源实现可靠性评估计算与策略优选算法等边缘智能计算高级功能。主要包括低压台区拓扑识别、线损管理、停电故障精准定位、三相不平衡以及台区重过载等。

2.1 智能网关在低压台区拓扑识别优选算法的应用研究

该方案利用智能网关强大的硬件资源，通过策略优选算法等边缘智能计算方法实现低压拓扑识别。利用通信技术特性、实时强耦合电气通信特性构造100%准确低压电气拓扑，并且自动实时更新。

软件程序预先设置好闭合开关的顺序以及记录好所有开关的ID，所有拓扑开关节点均安装在电源侧，且所有开关处于断开状态。

按预设顺序进行合闸操作。智能网关收到由集中器转发的台区的所有电表复电信息。根据复电信息查询电表的上电时间。

根据上电时间区分变户关系。户变关系策略优选算法是在载波模块上电后，模块内的计数器开始运行（直至下次断电再重置，中间重启计数不停止）。以智能网关的时间为基准，网关统一下发广播指令，并冻结当前计数值，查询每个载波模块计数器的当前计数值，模块上电时间等于智能网关当前时间减去模块计数器计数时间，模块上电时间即是电表复电时间，电表与网关之间的通信传输时间可忽略不计。智能网关程序设计流程如图2所示。

图2 程序设计流程图

2.2 智能网关在线损计算方面的应用研究

在计算台区同期线损的过程中，供售电能量使用的同一时刻电能量的计算方法是目前电网企业广泛采用的线损计算方法。利用数据分析等智能手段，加强线损管理，切实提升企业的经济效益。在智能网关中主要算法如公式（1）～公式（4）所示。

2.3 智能网关在停电故障精准定位算法中的应用研究

2.3.1 台区停电告警

台区停电告警能通过智能网关自行研判台区停电，时间小于3 min，只需要主动上报台区停电告警，不需要上报分支和电表停电告警，具体步骤如下：1）实时监测台区电压。2） 当电压低于额定电压的60%时，网关即可产生台区停电上报事件，并记录停电时间。3） 台区复电后，网关通过透传下行表计的上电记录对表计的上电时间和网关记录的停上电记录进行研判，误差小于5 min，将其标记为有效的上电记录，并上报主站。

2.3.2 分支停电告警

分支停电告警能通过智能网关自行研判某分支停电，时间小于3 min，只需要主动上报某分支停电告警，不需要上报分支后电表的停电告警，具体步骤如下：1）分支发生停电后，故指载波模块上报停电事件。2） 网关接收到故指停电事件上报后对该分支电表节点进行透传采集电压，采集失败或者采集电压低于额定电压的60%时，则产生分支停电上报事件，同时过滤分支下表计停电信息且不上报该信息。3）分支发生复电后，故指、表计载波模块上报复电事件；网关接收到故指/表计复电事件上报后对该分支电表节点进行透传采集电压，采集成功或者采集电压高于额定电压的60%时，则产生分支复电上报事件，同时过滤分支下表计复电信息且不上报该信息。

2.3.3 电表停/复电告警

电表停/复电告警能实现停电告警主动上送，时间小于1.5 min，具体步骤如下：1）电表停电后，载波模块上报停电事件。2）网关接收到停电事件上报后存储相关信息，并上报主站。3）电表发生复电后，载波模块上报复电事件，网关接收到复电事件上报后存储相关信息并上报主站。

2.4 智能网关在三相不平衡监测方面算法的应用研究

台区电流三相不平衡，通过智能网关RS232/485接口直接读取智能配变终端数据。

2.4.1 日三相不平衡台区

Yyn0接线的配变每T min断面值的三相不平衡度在15%以上，Dyn11接线的配变每T min断面值的三相不平衡度在25%以上，当日出现次数不小于4次（1 h）时，则判断该配变当日三相负荷不平衡（例如台账无法区分Yyn0接线和Dyn11接线，则都按15%来判断）如公式（5）所示。

2.4.2 月平均三相不平衡台区定义

1个自然月内累计出现5 d及以上三相不平衡且该配变月平均负载率在20%以上。

求解月平均三相不平衡度，即对当月的日平均三相不平衡度求均值，如公式（6）所示。

2.4.3 年平均三相不平衡台区

求解年平均三相不平衡度，即对当年的月平均三相不平衡度求均值，如公式（7）所示。

分支电流三相不平衡度如公式（8）所示。

2.4.4 三相不平衡换相

如图3所示，假设所在台区具备换相功能的智能开关。在DM5Z智能开关下的A相、B相和C相分别安装不同功率的用电设备，DZ3智能换相开关下装有一定功率的负荷，DN-600多功能智能边缘计算网关通过485读取DM5Z提供的三相电流量信息，判别DM5Z智能开关下的负荷不平衡状况以及最小矢量的相别，形成三相不平衡矢量信息图（电流的幅值和相位），同时对最佳负载匹配进行计算，即对DM5Z智能开关所带的DZ3智能换相开关进行换相负荷平衡调节，实现三相平衡，并呈现相关结果[2]。边缘计算网关根据DM5Z提供的三相电流量信息计算最佳换相方案并给DZ3智能换相开关下发换相指令，自动调节负载供电相位，达到三相负荷平衡。同时，网关记录换相事件，将其保存在告警信息列表中以供查询。

图3 台区换相测试架构图

2.5 智能网关在台区重过载方面算法分析的应用研究

配变重过载主要是由配变容量小、负荷发展迅速而引起的。负载率如公式（9）所示。

通过有功和无功功率计算，负载率如公式（10）所示。

2.5.1 台区重载（直接读取配变终端遥测数据，遥测信息持续1 h输出告警信息（遥信））

日重载判断规则如下：配变每T min断面值的负载率不小于80%，干变当日出现次数不小于4次（1 h）、油变出现次数不小于8次（2 h）且不满足过载的判断条件。

月重载判断规则如下：如果1个自然月内重载天数加过载天数等于10 d及以上且当月不属于过载或长时间过载，就可以判定该配电变压器当月重载。

2.5.2 台区过载（直接读取配变终端遥测数据，遥测信息持续1 h输出告警信息（遥信））

日过载判断规则如下：配变每T min断面值的负载率在 100%以上，干变当日出现次数不小于4次（1 h），油变出现次数不小于8次（2 h），就可以判断该配变当日过载。

月过载判断规则如下：如果1个自然月内累计出现10 d及以上且小于20 d过载，就可以判定该配电变压器当月过载，如果1个自然月内累计出现20 d及以上过载，就可以判定该配电变压器当月长时间过载[3]。

3 智能网关系统优化思考

新型的智能网关采用硬件平台化、软件容器化的技术架构，基于边缘计算、云计算等先进技术，支持就地数据存储与决策分析，可实现配电网的智能管理，具备可靠性、经济性、扩展性、通用性以及智能化等特性。利用这类新型智能网关系统可以达成在配网供电多异构终端快速接入的目标，从而提升配网供电的可靠性。新型智能网关应与下一代智能电表、集中器相结合，兼容各类外设智能电子设备的通信规约，利用硬件资源优势满足电力行业实时业务、低时延、数字化以及安全加密等需求，且智能网关硬件功耗低、结构简单、使用成本低以及维护少，能够有效提升配电网智能化水平及效率。

4 结语

通过拓展智能网关高级算法应用，紧密结合低压建设、运维痛点和盲点，选取低压电气拓扑自动更新功能作为突破点，利用新一代低压宽带载波技术、近距离无线定位集群技术特性，通过构造智能低压载波通信物理网络将智能开关电气状态监测量同步推送至调度低压可视化平台，同时整合计量自动化系统、营销管理系统数据，实现低压电气拓扑自动更新、低压定值自动下发、低压故障自动隔离以及班组远程监控等功能，切实解决低压运维效率低、人手不足问题。同时，也为未来低压资产智能电子化移交提供技术解决思路。