基于物联网断路器和云平台的智能化低压配电系统

2022-04-26温启良马天恒

电工材料 2022年2期

郑杰，温启良，孙俊，王涛，马天恒

（南方电网深圳数字电网研究院有限公司，广东深圳 518000）

引言

在国家经济腾飞的情况下，配用电领域取得了很大的发展。但随着科技的发展以及用户对用电质量的要求不断提高，过去配电网络中的运行方式与维护方式已经不能对国家电网的发展产生促进作用。而供电与配电的设备作为整个配电网中的基础设施，传统的安全检测手段对于事故后的维修和定期检修都不能保证现代化的用电安全和电能质量，因此目前变配电行业的发展呈现智能化、网络化、保护、控制、测量和数据通信相统一的趋势。作为电能传输中“最后一公里”的低压配电领域，传统的配电系统已经成为瓶颈及短板。对配电系统的创新已经成为当下的重要课题。

1 智慧配电系统的组成和工作原理

智能化低压配电系统实现了低压配电系统一次二次设备深度融合，根于传统、打破传统、并超越传统，完美融合传统常规塑壳/框架断路器、微机保护监控装置、全电量电力仪表、计量电度表、电流/电压互感器、电气火灾/温度探测器、环境监测器、无功补偿控制器、工业变送器、通讯线缆等设备与功能于一体，使低压配电柜无需安装各类仪表、无需电路复杂接线、无需敷设通讯回路，同时精准主动瞬时无功补偿提高能效、智能测控用电过程、为智能生产奠定基础，真正意义上做到了电能的可视、可控、自动调度、按需分配、随时随地尽在掌握。借用智能断路器得到的各种数据量，例如模拟量、信号量、故障信息等等，基于互联网中的wifi通信，将信息传输到建立的云平台系统中构成无线的物联网系统，系统再根据信息处理响应用户的需求变化，为用户提供更加全面的服务。

1.1 系统的结构组成

智能化低压配电系统由感知层、传输层、控制管理层和应用分析层组成，底层硬件传感器负责采集信号，传输层将数据统一上传到云平台器，通过统一的管理控制，实现上层应用、分析和服务。通过一二次设备融合技术，将数据监测、微机保护、通信等设备融合于开关本体。在离线状态下，设备可就地实现微机保护等功能，也可通过光纤与同一系统内的设备进行通信，自动协同实现故障自愈功能。基于物联网断路器和云平台的智能化低压配电系统结构如图1所示。

图1 基于物联网断路器和云平台的智能化低压配电系统结构

1.2 智能化低压配电系统的工作原理

1.2.1 一二次设备融合技术

目前电力系统中的一次设备和二次设备是分开安装的，电能输送跟测量保护装置处于分离状态，智能化水平较低。本研究提出的一二次融合是将部分二次设备智能单元安装在一次设备中，这样一次设备内同时具备测量、计量、继保、监测、控制等功能。通过系统重构设计，将传统断路器与智能电子设备结合，构成智能低压断路器。该智能低压断路器同时具备断路器的分合功能和分断功能，控制器的可编程远程操作功能，电能质量监测功能，电能测量计算功能，微机综合保护装置、测控和信号状态监测功能，节能补偿装置的无功投切功能等。各类电量变送器的4～20 mA信号输出，温度控制设备的4～20 mA采样，使用RS‐485、WiFi、5G（NB‐IoT）等无线通信方式，实现了低压电气一二次设备的完全融合。

1.2.2 工作原理

现场硬件设备的智能化元件是物联网技术与电力终端设备的创新融合，低压智能一体化开关采用WiFi、5G（NB‐IoT）通信，将开关本体的电量数据上传到系统中，设备信息完全开放，不需要任何特定的协议，便可以向绿色智能化配电系统提供可靠、丰富的数据；用户通过扫描设备上的二维码或者进入特定的网站，即可获得各种直观信息（如：智能化元件运行时的波形图、功率图、开关状态等等）。还可以通过自己设定实现保护、维护、超额报警等信息交互。这些智能化元件将采集到的各类数据信息、开关动作情况通过网络通信技术上传至云端并存储。

云端接受从智能终端传来的各种数据，对信息进行解析并记录，使用远程界面为工作人员提供便利条件，实现远程控制、调整、事件记录和告警的功能，完成保存历史数据，实时修改定值，设备在线组态等工作，实现低压配电系统的风险评估，故障预警、保护跳闸，节能管控和智能运维等功能。系统结合了云计算、大数据分析及储存等互联网技术，实现了多个系统如能源管理系统、能源预测系统、优化系统等的云端处理。

1.3 视频辅助监控系统

上述监控系统将设备的运行状态和告警信息集中上传到后台监控系统，实现了对智能终端的远程控制。通过加装传感器监测配电室的外部环境状况，同时可以实现多种保护功能，例如防火、防水浸、防爆、臭氧报警以及防入侵等。视频监控辅助系统由高清摄像头、存储设备、光纤交换机、视频矩阵、监控屏幕等组成，典型的视频监控系统结构如图2所示。该视频辅助监控系统使用了自动跟踪和移动侦测技术，完成设备的监控功能，补充完善了对低压配电设备的网络监控作用。通过录制视频记录变电站的设备运行状况和实际外部环境，能及时监测到电力设备异常情况，使设备运行更加安全可靠，同时可以及时记录下设备故障事故的影像资料，有助于工作人员及时准确地了解到低压配电系统的各种现场信息，提高智能综合管理水平。

图2 视频辅助监控系统结构图

2 基于云平台的智能用电大数据分析

通过收集用户的用电信息，分析出用户的用电状态，未来电力系统和设施的完善可以参考这些状态信息，有效推动电力设施的发展。而使用泛在感知终端则有利于日后的电力设备操作和运行。泛在感知终端将直接收集必要的用电信息，并且对比和综合分析其中的数据之间所存在的不同，进而通过分析判断得出每一个家庭的实际用电情况和习惯。在对用户提供电力服务的时候，就可以通过对用户的用电数据进行分析，促使电力部门制定出更加符合用户用电习惯的电力政策，进而提升用户日常用电的便捷性，保障了居民的生活和用电安全。并且这些数据还可以推动我国电网未来采取更加有效的措施提供针对性较强的服务，满足用户的具体需求。因为对于我国电网来说，电力部门所制定的的电力政策基本上是以大数据分析为支撑的，大数据分析得出的各种结论是促使政策落实的一个重要的参考。

（1）建立在数据挖掘上的用户画像分析。云平台通过采集用电客户的大量用电数据，对其进行数据挖掘与分析，分析出客户的用电特性，同时构建用户画像，达到为客户提供精确细致的优秀用电体验。这样可帮助电网对用户的特定需求及时地给出解决方案并且实施，同时根据智能用电的使用效果提出相关的新的服务模式，以此来实现节能的目的，并能对负荷曲线进行优化。

（2）建立在大数据分析上的数据增值服务。依靠大数据分析技术，为居民提供数据增值服务，通过对用户电表的电能数据和位置信息、操作复杂度与设备故障概率、品牌电器的市场销量等综合数据的采集，运用大数据分析技术，把居民侧的用电数据按照使用类型时间进行分类，构建出居民侧用电画像，以此来帮助居民有效错开高峰用电期，提供高效的电能使用服务。另外通过分析海量数据，能够帮助居民显著降低用电支出，提高居民用电设备的智能化水平。同时这种数据增值服务可以随时监测用户用电需求的变化，提升用电客户的服务体验，进而吸引更多的智能用电用户。

云平台用电分析功能可展示能耗报表、同比分析、环比分析、电能集中抄表等，分析和统计规则可根据实际情况在后台进行配置，Excel报表可导出。

3 应用案例分析

以宜昌市昌耀电业集团有限公司所处台区为研究对象，建立起基于物联网断路器和云平台的智能化低压配电系统。智能化低压配电系统采用物联网技术为居民侧用户提供多元化服务。

（1）智能互动服务。客户通过APP，公众号，网页，邮件等了解关注相应的设备的相关信息，并且能够做到快速、准确且有效传达电力设备异常、异动的相关信息及线路抢修等通知。

（2）能效管理服务。通过手机软件就可以查看各个电器工作时所产生的用电数据，准确了解电能的使用去向，在手机APP上还可以收到节约用电的消息提醒，随时随地了解用电账单。在能效管理中，通过挖掘和分析用户侧电能使用数据，分析出可以提升家庭使用能效的策略。

（3）用电安全以及精确抢修服务。当家庭电力线路发生异常时，可通过手机软件或各种信息平台通知用户，同时能够根据设定的异常管理策略自动断电，对电力设备以及线路进行保护，避免发生安全事故。当用户侧出现跳闸时，管理中心将精确分析出用户侧电器故障所在线路，方便用户及时定位并排除故障，减少经济损失。然后系统根据所采集的数据进行分析，准确定位故障点，及时安排运维人员上门提供抢修服务。