劉捷

摘 要：文中闡述了物聯(lián)網(wǎng)及配電自動(dòng)化的基本構(gòu)架體系，并基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的理念和視角，結(jié)合配電自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)信息感知、傳輸及應(yīng)用，探討了物聯(lián)網(wǎng)的典型行業(yè)應(yīng)用——配電自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該方案對(duì)區(qū)域配電自動(dòng)化建設(shè)具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；配電自動(dòng)化；信息傳輸；設(shè)計(jì)方案

中圖分類號(hào)：F252.24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）07-00-03

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)最早成為“傳感網(wǎng)”是美國于1999年提出的。主要是指各種標(biāo)的物通過互聯(lián)網(wǎng)連接在一起，通過信息交換實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)的物的監(jiān)測、控制與管理。2009年，物聯(lián)網(wǎng)在國內(nèi)得到了充分關(guān)注，成為國家新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一。配電自動(dòng)化集計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸、控制技術(shù)、現(xiàn)代化設(shè)備及管理應(yīng)用于一體，其主要功能是提高供電可靠性，改善電能質(zhì)量，降低網(wǎng)損。配電系統(tǒng)自動(dòng)化受到了廣泛的重視，20世紀(jì)50年代，日本、美國、法國等國家開始重視配電自動(dòng)化，使其逐步得到了廣泛應(yīng)用；20世紀(jì)90年代，我國配電自動(dòng)化開始起步，在經(jīng)歷了終端產(chǎn)品研制、試點(diǎn)項(xiàng)目應(yīng)用與全面推廣這三個(gè)階段后，目前正處于實(shí)用化階段。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架是指通過傳感器等技術(shù)手段采集、感知、識(shí)別和獲取標(biāo)的物自身屬性及相關(guān)信息等，通過各種數(shù)據(jù)傳輸方式實(shí)現(xiàn)信息傳輸，再利用相關(guān)算法、工具來分析、挖掘數(shù)據(jù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)人對(duì)標(biāo)的物的高度認(rèn)知[1，2]。配電自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架一樣，分為信息采集、傳輸、處理及應(yīng)用三個(gè)層次。采集數(shù)據(jù)包括模擬量值、開關(guān)量值等，傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)采用光纖通信[3]、電力線載波[4]、無線公網(wǎng)[5]等。最終實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)各個(gè)環(huán)節(jié)的運(yùn)行及設(shè)備狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)信息采集、監(jiān)控和應(yīng)用。因此，配電自動(dòng)化系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力系統(tǒng)典型的行業(yè)應(yīng)用。本文基于這一認(rèn)知，闡述了物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)架體系及配電自動(dòng)化系統(tǒng)組成，設(shè)計(jì)了區(qū)域配網(wǎng)配電自動(dòng)化系統(tǒng)的方案。

1 物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架體系

物聯(lián)網(wǎng)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三層。其中，感知層由各類傳感器組成，包括溫度、濕度和攝像頭等，關(guān)鍵技術(shù)是傳感器技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)層由各種通信方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)組成，包括有線網(wǎng)、無線網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)等；應(yīng)用層由滿足各種客戶需求的接口、界面組成，包括各類信息經(jīng)分析處理后的基礎(chǔ)應(yīng)用和定制化的高級(jí)應(yīng)用，其關(guān)鍵技術(shù)是基于各種數(shù)學(xué)建模與分析技術(shù)的應(yīng)用軟件平臺(tái)。物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架體系如圖1所示。

物聯(lián)網(wǎng)覆蓋九個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域。重點(diǎn)行業(yè)包括工業(yè)、農(nóng)業(yè)、物流等；重點(diǎn)領(lǐng)域包括環(huán)保、交通、電力等；民生服務(wù)領(lǐng)域包括智能家居、公共安全、醫(yī)療衛(wèi)生等。

物聯(lián)網(wǎng)基本功能包括在線監(jiān)測、定位溯源、聯(lián)動(dòng)報(bào)警、調(diào)度指揮、應(yīng)急預(yù)案管理、遠(yuǎn)程維修、在線維護(hù)、統(tǒng)計(jì)決策、系統(tǒng)展示。

2 配電自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

配電自動(dòng)化系統(tǒng)一般分為終端設(shè)備層、通信傳輸層、配電自動(dòng)化子應(yīng)用層三層。第一層為終端設(shè)備層。終端設(shè)備層主要包括饋線終端單元（FTU）、配變終端單元（TTU）、配電終端單元（DTU）及電量集抄器等信息采集裝置；第二層為通信傳輸層。該層由光纖通信、公網(wǎng)無線通信、配電線載波通信等多種通信方及接口裝置組成；第三層為配電自動(dòng)化子應(yīng)用層。該層由數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器及通信管理機(jī)等硬件、支撐軟件、應(yīng)用軟件、通信管理軟件等構(gòu)成。配電自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)架體系如圖2所示。

配電自動(dòng)化系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)如下功能：

（1）系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)視和控制，即監(jiān)視電力監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，支持終端設(shè)備的遠(yuǎn)程控制功能；

（2）電能質(zhì)量監(jiān)視和分析，即監(jiān)視系統(tǒng)的實(shí)時(shí)電能質(zhì)量，包括電壓偏差、頻率偏差、不平衡度、功率因數(shù)、諧波含量、電壓閃變等電能質(zhì)量問題，分析評(píng)估系統(tǒng)電能質(zhì)量狀況；

（3）功率因數(shù)監(jiān)視和控制，即實(shí)時(shí)監(jiān)測電網(wǎng)功率因數(shù)，控制調(diào)整的實(shí)時(shí)投退；

（4）電能計(jì)量與分析，即分時(shí)、雙向測量用戶電能消耗，提供電能量統(tǒng)計(jì)報(bào)表并分析不同用電設(shè)備在不同費(fèi)率時(shí)段的電量消耗；

（5）報(bào)警和事件管理，即對(duì)系統(tǒng)在電網(wǎng)擾動(dòng)、電氣故障時(shí)觸發(fā)并記錄報(bào)警；

（6）歷史數(shù)據(jù)管理即保存所有實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)、事件順序記錄（SOE）等，查詢歷史事件記錄，繪制成曲線圖；

（7）報(bào)表管理，即按一定的模板生成各類報(bào)表；

（8）用戶權(quán)限管理，即定義不同級(jí)別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)維護(hù)管理提供可靠的安全保障；

（9）支持Web客戶端，即通過IE瀏覽器查看系統(tǒng)監(jiān)控現(xiàn)場畫面、查閱各類統(tǒng)計(jì)報(bào)表等。

3 區(qū)域配電自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

基于物聯(lián)網(wǎng)的理念，結(jié)合實(shí)際功能需要，以安康地區(qū)的平利縣為例，設(shè)計(jì)了區(qū)域配電自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，踐行了物聯(lián)網(wǎng)的典型行業(yè)應(yīng)用案例。

3.1 區(qū)域配電網(wǎng)的基本情況

平利縣位于陜西東南部，地處陜鄂渝三省交界處，東接湖北竹溪，南鄰重慶城口和本市鎮(zhèn)坪縣，西北分別與嵐皋、漢濱和旬陽接壤。全縣國土面積為2 647平方公里，轄11鎮(zhèn)190個(gè)村6個(gè)城市社區(qū)，總?cè)丝?3萬人。平利縣電網(wǎng)內(nèi)現(xiàn)有35 kV變電站10座，其中國家電網(wǎng)安康供電局所轄110 kV變電站兩座，分別為110 kV平利變、110 kV太山變，合計(jì)主變?nèi)萘繛?03 MVA/4臺(tái)；35 kV變電站1座為老縣變，主變?nèi)萘?.3 MVA/1臺(tái)。平利供電分公司所轄35 kV變電站7座，主變14臺(tái)，容量91.65 MVA。35 kV線路109.225 km /10條；除用戶專線外，10 kV線路36條833.16 km，配電變壓器143.99 MVA/884臺(tái)，0.4 kV及以下線路1 496.2km。當(dāng)前配網(wǎng)線路各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)包括中壓用戶供電可靠率（RS-3）、電壓合格率、線損率與功率因數(shù)。其中，中壓用戶供電可靠率（RS-3）：城網(wǎng)99.95%，農(nóng)網(wǎng)99.77%，綜合99.78%；電壓合格率：城網(wǎng)98.1%，農(nóng)網(wǎng)97.2%；線損率：城網(wǎng)6.8%，農(nóng)網(wǎng)12%；功率因數(shù)：城網(wǎng)0.9，農(nóng)網(wǎng)0.87。平利配電網(wǎng)地理接線圖如圖3所示。

3.2 配電自動(dòng)化系統(tǒng)方案

配電自動(dòng)化系統(tǒng)采用分布式網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器及各類工作站等分布于網(wǎng)絡(luò)中，支持和管理網(wǎng)絡(luò)中各自獨(dú)立的處理節(jié)點(diǎn)，使數(shù)據(jù)共享。自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)采用三層體系結(jié)構(gòu)，分別為數(shù)據(jù)庫和分布式應(yīng)用的支撐平臺(tái)層、操作系統(tǒng)層和應(yīng)用系統(tǒng)三層，各層還可根據(jù)具體功能再細(xì)分。其中支撐平臺(tái)采用分布式結(jié)構(gòu)并符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的開放式體系，以便廣泛融合未來需求?？v向通過光纖、公網(wǎng)、載波等多種通信方式連接主站、子站、終端和故障指示器。

該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)集調(diào)度、測量、控制和保護(hù)一體化及相應(yīng)的高級(jí)應(yīng)用功能。具體如下：

（1）本網(wǎng)調(diào)度管理，組織執(zhí)行上級(jí)調(diào)度機(jī)構(gòu)發(fā)布的調(diào)度指令；

（2）組織實(shí)施上級(jí)調(diào)度機(jī)構(gòu)及上級(jí)有關(guān)部門制定的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定；

（3）按上級(jí)調(diào)度要求上報(bào)電網(wǎng)運(yùn)行信息，按計(jì)劃或合同調(diào)度管轄電網(wǎng)的安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；

（4）制定本級(jí)配電網(wǎng)的運(yùn)行方式，參與上級(jí)電網(wǎng)運(yùn)行方式的分析計(jì)算；

（5） 制定、下達(dá)和調(diào)整本地區(qū)電網(wǎng)日供電調(diào)度計(jì)劃，審批范圍內(nèi)的設(shè)備檢修計(jì)劃；

（6）集中控制和操作管理所轄配電網(wǎng)；

（7）指揮配電網(wǎng)的事故處理，協(xié)助分析事故原因，提出整改的安全措施；

（8） 開展本地區(qū)電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)、繼電保護(hù)和自動(dòng)化系統(tǒng)的規(guī)劃，提出相應(yīng)的運(yùn)維策略。

現(xiàn)將該系統(tǒng)的高級(jí)應(yīng)用功能分述如下：

（1）網(wǎng)絡(luò)建模。網(wǎng)絡(luò)建模軟件按照IEC61970/61968的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建模，支持對(duì)于配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)所轄EMS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行拼接，支持實(shí)時(shí)電網(wǎng)模型和未來電網(wǎng)模型的一體化維護(hù)以及在線EMS模型和離線BPA模型（或綜合程序）整合等功能。要求整個(gè)系統(tǒng)使用同一電網(wǎng)模型，并有統(tǒng)一的管理與維護(hù)。網(wǎng)絡(luò)建模用于建立和修改網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，為其他應(yīng)用定義電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)應(yīng)采用圖庫模一體化的建模方式，整個(gè)系統(tǒng)模型的創(chuàng)建和維護(hù)支持實(shí)時(shí)態(tài)、研究態(tài)、規(guī)劃態(tài)以及測試態(tài)的應(yīng)用需求；

（2）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治?。按照配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測控制、防誤操作閉鎖、饋線自動(dòng)化等應(yīng)用功能；

（3）負(fù)荷及電能質(zhì)量監(jiān)測。系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，與智能計(jì)量系統(tǒng)共享智能電能表的電能量、實(shí)時(shí)量、告警記錄等數(shù)據(jù)；

（4）負(fù)荷轉(zhuǎn)供。在電網(wǎng)故障或計(jì)劃停電檢修時(shí)，為盡量減小事故或檢修的停電范圍，實(shí)施有針對(duì)性的負(fù)荷轉(zhuǎn)移，指定轉(zhuǎn)供的電源、電網(wǎng)路徑及轉(zhuǎn)供容量范圍的具體操作方案；

（5） 故障定位。系統(tǒng)應(yīng)能滿足通過安裝“一遙”和“二遙”設(shè)備進(jìn)行故障定位的需要，實(shí)時(shí)監(jiān)測“一遙”和“二遙”設(shè)備上傳信息，收到故障信息進(jìn)行綜合分析和判斷，實(shí)現(xiàn)故障定位；

（6）故障隔離與恢復(fù)供電?；诟鞣N拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的故障分析，制定電網(wǎng)運(yùn)行方式預(yù)案，支撐配電自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)。根據(jù)故障信號(hào)快速自動(dòng)定位故障區(qū)段，并調(diào)出相應(yīng)圖形以醒目方式顯示。支持多變電站、多饋線和多重故障下的故障定位、故障隔離及非故障區(qū)域的恢復(fù)供電；

（7）故障處理信息查詢。通過歷史數(shù)據(jù)庫檢索查詢故障處理的全部過程信息，包括故障發(fā)生時(shí)間、發(fā)生區(qū)域等。還可實(shí)現(xiàn)故障的統(tǒng)計(jì)與分析功能。配電自動(dòng)化系統(tǒng)圖如圖4所示。

3.3 通信系統(tǒng)方案

平利配電自動(dòng)化工程通信方式選擇GPRS/CDMA無線公網(wǎng)方式，后臺(tái)系統(tǒng)采用雙以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)。配電自動(dòng)化主站設(shè)置數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器和通信前置機(jī)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與無線終端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕捎肁PN專網(wǎng)服務(wù)，無線終端數(shù)據(jù)傳輸過程全部在移動(dòng)GPRS的APN專網(wǎng)內(nèi)完成，與外界完全隔離。

通信系統(tǒng)支持TCP/IP等通信協(xié)議，通過電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)與遠(yuǎn)方計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（上、下級(jí)）交換信息；提供通信監(jiān)視及支持冗余配置的通信前置機(jī)的切換功能；支持雙以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可以自動(dòng)平衡兩個(gè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。當(dāng)一個(gè)以太網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)自動(dòng)地將負(fù)載轉(zhuǎn)移到正常的網(wǎng)絡(luò)上，切換過程中不會(huì)產(chǎn)生任何信息丟失。當(dāng)主備冗余配置的一臺(tái)交換機(jī)發(fā)生故障時(shí)，可以自動(dòng)切換到另一臺(tái)正常的交換機(jī)進(jìn)行通信，切換過程不會(huì)產(chǎn)生信息丟失；提供對(duì)通信端口、節(jié)點(diǎn)、TCP/IP端口、C/S方式和安全認(rèn)證的配置功能；每一個(gè)通信鏈路具有可觀測性、可控制性。用戶可在界面上對(duì)任一鏈路實(shí)施起動(dòng)、停止和禁止操作，可獲取鏈路的運(yùn)行統(tǒng)計(jì)信息；能夠監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)連接質(zhì)量，當(dāng)延時(shí)超過限值時(shí)給出報(bào)警信息并記入事件記錄；對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的連接狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)通信延時(shí)、網(wǎng)絡(luò)路由情況進(jìn)行監(jiān)視；可提供標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序接口，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件和用戶定制化的無縫通信。通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

4 結(jié) 語

基于物聯(lián)網(wǎng)的思路，設(shè)計(jì)的區(qū)域配電自動(dòng)化系統(tǒng)，有針對(duì)性地采用了無線公網(wǎng)的通信方式，實(shí)現(xiàn)了配電自動(dòng)化的基本功能和一些基礎(chǔ)應(yīng)用，展望配電自動(dòng)化系統(tǒng)的高級(jí)應(yīng)用。拓展物聯(lián)網(wǎng)在電力系統(tǒng)的典型行業(yè)應(yīng)用，為配電自動(dòng)化建設(shè)提供了一個(gè)新的視角與技術(shù)路徑。

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