新型电力系统下配电物联网关键技术研究

摘  要：未来以新能源为主体的新型电力系统大背景下，能源互联网建设逐步推进，配电网市场化改革日益深入。我国能源体系，尤其是配电网物联网的形态结构和运行特点发生着显著的变化。本文对配电物联网的新技术进行研究，并提出促进配电物联网智慧台区建设发展的策略。

关键词：新型电力系统;配电物联网;能源互联网;优化调度;源荷协同

为适应新型电力系统的建设，电网系统各领域必然要通过装备技术和体制机制创新，其中配电网领域又是极为关键且能快速见效的重要组成。在配电阶段推动多种能源方式互联互济、源网荷储深度融合，各环节协调互动，最终将实现清洁低碳、安全可控、智慧灵活、经济高效等目标。

在电力配电网建设中，研究基于物联网、云计算、大数据、人工智能、移动4G/5G等新兴技术的智能配电物联网技术;以及为了应对分布式电源、微网、储能装置等电网新兴元素的灵活消纳与协同调控[2]而出现的主动配电网技术，赋予了配电网设备灵敏、准确的感知能力及设备间互联、互通、互操作功能，构建基于软件定义的高度灵活和分布式智能协作的配电网络体系，实现对配电网的全面感知、实时传输、高效处理和智能应用。

1配电物联网介绍

1.1配电物联网建设现状

配电物联网是传统工业技术与以物联网为代表的新一代信息通信技术深度融合而产生的一种新型电力网络运行形态。在配电物联网概念提出前，国网公司为适应配电网的建设需要，相继推出了《配电自动化主站系统功能》、《配变终端/子站功能规范》、《配电自动化远方终端标准》等一系列技术标准，同时在多个城市开展了较大范围的城市配电自动化试点工程，并取得了许多成果，为智能配电网建设提供了大量的技术支撑和理论依据。

“国网芯”是电力物联网建设的重要组成部分，国家电网围绕电力核心芯片应用，大力推动安全芯片、主控芯片等核心产品研发，在加强边缘计算、区块链、人工智能、容器隔离、微服务、能源路由器等技术落地的同时，大力推广基于“国网芯”的智能配变终端以及低压配电物联网方案，助力电力物联网的建设。鉴于配电台区是营销和生产专业的数据源，营销领域和配电领域双方基于各自业务需求在台区侧分别安装了集中器和配变终端，带来了数据不共享、功能重复等问题，并增加了运维工作量，随之基于容器技术的营配融合终端得到广泛应用。新型用配融合终端为用电信息采集、设备运行状态监测、智能控制与通信等功能于一体的低压配电二次设备，满足台区基础运行信息监测分析、电能质量监控、台区需求侧管理、低压配网运维管控、信息模型标准化、多主站终端协同控制、信息安全和运维等要求。智能配电台区以新型用配融合终端为核心网关设备，配套智能低压设备，为支撑低压配电的新业务起到了关键作用。

1.2配电物联网发展的新业态

配电网从“无源”网变为“有源”网。在分布式光伏整县推进和风电下乡的背景下，具有随机性、波动性、间歇性等特点的分布式电源大量接入配电网，节点电压、线路潮流、可靠性等都不同程度的受到影响。为提高配电网对分布式电源的承载力，增容或新建配电变压器刻不容缓，用户侧储能以及微电网将有效促进分布式电源就地消纳，调容调压变压器等新型电力电子设备也可缓解配电网电压波动、功率平衡等问题。

柔性负荷与配网互动加深。用电负荷快速增长加大配网投资和供电压力，因此充分利用和挖掘电动汽车、智能家居等柔性负荷资源的调控能力为重点方向。以电动汽车充电负荷为例，智能化的充电设施和协调有序的车网互动平台有助于缓解高峰负荷压力，长期来看，能量互动的V2G模式将发挥电动汽车作为分布式储能资源的优势。此外，交直流混合配电网、能源路由器也有望为多元负荷创造更加灵活、便捷的接入条件。主动配电网技术运用，实现分布式电源与多元化负荷的主动控制、主动管理。

配网运维与客户服务要求提升。为满足分布式新能源灵活消纳与智能控制的目标，对当前配电网的全局态势感知、统一优化决策和源网荷储互动能力提出了新需求，相关的并网服务、交易结算、运维调控等管理模式也有待优化。

1.3配变物联网系统架构

以物联网与配电网深度融合为目标，提出配电物联网“云-管-边-端”总体架构和整体解决方案，实现配电网全面感知、数据融合与智能应用，助力配电网建设、运维、管理与服务变革，引领配电网转型。

其中，云：物联网平台（云化主站），实现与配电自动化DMS主站和虚拟电厂的业务交互。对台区内光伏、储能、可控负荷及充电桩的工况进行展示和监测，并分配台区的负荷边界。

管：配电物联网云、端、边的数据传输通道。

边：边缘计算网关设备，实现数据采集和展示，完成数据监控和分析;负责控制策略，实现源网荷储协同优化管控[1];上传配自主站或虚拟电厂。

端：感知层终端，是安装在配电网系统中的各类远方监测、控制单元的总称，为配电网运行和设备状态信息提供实时数据，可完成遥测、遥信、遥控等功能。根据设备装设位置的不同，主要可划分为FTU（馈线终端）、DTU（开闭所终端）和TTU（配变终端）、RTU（远程终端单元）等。充电桩、光伏逆变器、储能系统、柔性负荷等都属于端设备。

2.配電物联网关键技术

2.1微应用APP技术

微应用技术打破原有的单体式架构，将客户业务需求分接为多个相互独立的、可以相连接的微应用APP。每个微应用APP完成特定的功能。

配电物管平台通过微应用的架构技术，将原有业务系统中的功能模块解耦，形成高内聚、低耦合的微应用，提升了每个服务板块的独立维护能力和系统容错能力，同时也使每个APP能独立部署安装，易于开发。

边缘计算网关设备对下连接着数据源、终端源，实现数据采集、管控和分析;对上连接着物管平台或配电主站，需要实时交换关键运行数据。利用Linux操作系统、分布式边缘计算技术架构、多容器等关键技术，将实现的功能进行软件APP化。需要采样统一架构设计、接口规范及管理，适用于统一的操作系统环境，系统部署包含多种协议的协议库及数据中心，为APP提供统一接入平台，解决协议使用不统一及业务数据不共享等问题。

操作系统层和应用层，操作系统层包括操作系统内核、硬件驱动框架、启动程序、系统接口、硬件抽象层和系统组件，操作系统通过系统接口为APP提供系统调用接口，通过硬件抽象层提供硬件设备访问接口，系统组件与应用层通过消息总线通信;应用层包括基础APP和业务APP以及相应的容器，APP之间通过消息总线进行数据交互。

2.2微电网自我调节技术

微电网电压等级一般在35kV以下，系统容量原则上不大于20MW。通过微网并网接口装置和并网断路器与公共配电网互联。与外部电网的年交换电量，一般不超过年用电量的50%。

微电网自我调节技术，需满足与外部电网的交换功率和交换时段具有可控性，可与并入电网实现备用、调峰、需求侧响应等双向服务。能够保障负荷用电与电气设备独立运行，具备电力供需自我平衡运行和启动能力。当配电网出现任何扰动，微电网可以孤岛运行，保障重要负荷连续供电。微电网自我调节技术的运用，能提高电网接纳分布式电源的能力。

2.3分布式新能源就地消纳技术

通过配建或购买调峰与储能设备，促进就地消纳，平抑电网波动。通常采用调容调压配变或动态无功补偿、换相开关、同步相量测量装置等设备，结合边缘计算网关的处理分析能力，来提升配电网电压调节能力、平衡功率、抵消分布式光伏谐波、提升动态监测及快速协调控制能力。

边缘计算网关设备实时监测电网运行状态，自适应调整运行容量和电压输出，有效解决变压器容量最大空载损耗高、容量小过程风险高的问题，同时提升电压质量，并具有配电监测与“四遥”功能。当电网正常时，负载的供电由开关完成。当发生电压暂降或升高问题时，控制配电网同步向量测量装（DRV）在2毫秒内产生补偿电压，使负载电压保持稳定。

3配电物联网智慧台区场景建设

3.1总体方案

基于“云、管、边、端”的配电物联网技术架构来开展配电室中低压物联网化智能改造[3]。部署一二次融合智能断路器、感知终端、智能电容、环境监测等物联网端设备实现台区运行状态全感知;部署物联网站所终端与台区智能融合终端作为边缘计算节点实现站端信息汇聚与本地智能决策，并经无线通信接入云主站系统。实现中低压全景感知、故障就地快速研判、电能质量优化提升、台区营配融合贯通、台区线损精益管控、低压精准运维支撑等功能，并结合供电服务指挥平台与抢修站，实现故障快速抢修与供电快速恢复。

3.2实现业务功能

融合终端通过配电主站通讯APP实现与配电主站通讯，通过营配交互APP实现融合终端与营销主站的通信。另外安装如智能开关APP、低压拓扑应用APP、分路分段线损计算APP、三相不平衡监测与治理APP、低压故障就地研判APP、可开放式容量监测APP、站房环境监测APP、分布式电源灵活消纳和智能运行控制APP等，可实现与低压智能开关通信连接、台区拓扑识别、线损计算、故障研判、低压可靠性分析、可开放容量分析及分布式电源控制和电动汽车有序充电等功能。

（1）设备运行状态监测

智能融合终端通过与台区内智能物联断路器、用户电表、智能电容器、智能站房、巡检机器人、光伏逆变器、充电桩等设备进行数据交互，实现低压配电台区全景状态感知，实现配电室及表箱内高低压设备的运行状态监视、并提供设备状态信息变化及异常信息告警提示。

实时采集配变低压侧总的三相电压、电流、功率等电气参数及刀闸位置、出线开关位置、门锁状态等开入状态;实现基本配变数据分析功能;电压偏差、频率偏差;台区越限、缺相、失压、断电等异常告警。

（2）低压拓扑应用

形成以低压智能开关为节点的拓扑关系，并结合主站下发拓扑相互校核的方式，实现台区拓扑关系维护，包括台区设备资产编号、开关层级关系、从属关系、户变关系、户表档案等信息比对，为台区形成可靠拓扑关系提供保障。

（3）低压故障研判

基于台区拓扑图，结合融合终端、开关、电表停复电状态。综合研判台区故障的最上游节点，如果是智能开关故障，上送开关跳闸原因（如手动，短路过流，剩余电流越限等）。

（4）电能质量监测与分析

通过计算台区三相不平衡度，当不平衡度偏差较大，调节出线开关相位可做到粗调;当偏差值已被调节较小时，可以调节表箱开关和户表的相位来细调。

（5）线损分析

以台区低压智能开关为节点，根据拓扑关系实时监测电压、电流、有功、冻结电量等关键数据，就地分析计算，实现线路分时、分路、分段线损计算，有效支撑线损治理、窃电核查等工作开展。

（6）无功补偿

通过终端与智能电容器/SVG通信，具备三相电压、电流、功率因数、谐波、开关状态等功能，实现无功补偿调节装置调节状态、补偿方式、功率因数、投入容量等数据实时采集。

（7）供电可靠性分析

终端根据用户停复电时间统计用户月/年/总停电时间，并计算台区停电总时户数和台区供电可靠率。

（8）综合能源接入监测

光伏电源接入监测：在光伏并网近端加装通信采集单元，光伏并网处加装电压感知设备，并接入智能融合终端。融合终端分析运行工况、谐波、电压、频率等，实现光伏并网控制。

分布式电源管理：本地化监控分布式电源接入，初期实现分布式电源运行数据实时本地化监测，继而分析分布式电源对低压台区供电质量、供电能力的影响并提炼影响规律，最终实现智能融合终端对分布式电源接入的本地化管控，降低分布式电源的人力管理成本。

4结语

针对新型电力系统建设的现状和预期目标，本文介绍了当前配电网的建设现状，分析了在以新能源为主体的能源前景下，配电物联网建设所要面臨的的业务形势及要解决的问题。在新兴技术的不断引进下，研究在多源数据融合与协同优化的总体目标下，对微电网自我调节技术、分布式储能能源就地灵活消纳技术、柔性负荷互动调控技术和交直流混合配电网等关键技术的分析与运用。最后提出了一种智能配电台区主动运维的典型方案，对低压配电台区智慧物联网的应用场景进行了探讨。

参考文献：

[1]许志成，彭志超，杨怡等 基于边缘计算+区块链技术的源网荷储系统架构。电力信息与通信技术，2020年第18卷第9期

[2]莆天骄，陈乃仕，王晓辉等 主动配电网多源协同优化调度架构分析及应用设计 电力系统自动化

[3]陈艳，宋英华 新型配电物联网后台系统架构设计与关键技术研究 DOI： 10.19421/j.cnki.1006-6357.2020.02.007

作者简介：

薛媛，女，维吾尔，新疆，1985.02，本科，工程师，

湖北省水利水电规划勘测设计院430070 研究方向：电气设计