基于物联网技术的配电自动化系统设计方案

引 言

物联网最早成为“传感网”是美国于 1999 年提出的。主要是指各种标的物通过互联网连接在一起，通过信息交换实现对标的物的监测、控制与管理。2009 年，物联网在国内得到了充分关注，成为国家新兴战略性产业之一。配电自动化集计算机技术、数据传输、控制技术、现代化设备及管理应用于一体，其主要功能是提高供电可靠性，改善电能质量，降低网损。配电系统自动化受到了广泛的重视，20 世纪 50 年代， 日本、美国、法国等国家开始重视配电自动化，使其逐步得到了广泛应用；20 世纪 90 年代，我国配电自动化开始起步，在经历了终端产品研制、试点项目应用与全面推广这三个阶段后， 目前正处于实用化阶段。

物联网技术框架是指通过传感器等技术手段采集、感知、识别和获取标的物自身属性及相关信息等，通过各种数据传输方式实现信息传输，再利用相关算法、工具来分析、挖掘数据应用，实现人对标的物的高度认知[1,2]。配电自动化系统结构与物联网构架一样，分为信息采集、传输、处理及应用三个层次。采集数据包括模拟量值、开关量值等，传输的通信系统采用光纤通信 [3]、电力线载波[4]、无线公网[5] 等。最终实现配电网各个环节的运行及设备状态参数的实时信息采集、监控和应用。因此，配电自动化系统是物联网技术在电力系统典型的行业应用。本文基于这一认知，阐述了物联网的构架体系及配电自动化系统组成，设计了区域配网配电自动化系统的方案。

1 物联网构架体系

物联网分为感知层、网络层和应用层三层。其中，感知层由各类传感器组成，包括温度、湿度和摄像头等，关键技术是传感器技术；网络层由各种通信方式构成的网络组成，包括有线网、无线网和互联网等 ；应用层由满足各种客户需求的接口、界面组成，包括各类信息经分析处理后的基础应用和定制化的高级应用，其关键技术是基于各种数学建模与分析技术的应用软件平台。物联网构架体系如图 1 所示。

物联网覆盖九个重点领域。重点行业包括工业、农业、物流等 ；重点领域包括环保、交通、电力等 ；民生服务领域包括智能家居、公共安全、医疗卫生等。

物联网基本功能包括在线监测、定位溯源、联动报警、调度指挥、应急预案管理、远程维修、在线维护、统计决策、系统展示。

2 配电自动化系统结构

配电自动化系统一般分为终端设备层、通信传输层、配电自动化子应用层三层。第一层为终端设备层。终端设备层主要包括馈线终端单元（FTU）、配变终端单元（TTU）、配电终端单元（DTU）及电量集抄器等信息采集装置 ；第二层为通信传输层。该层由光纤通信、公网无线通信、配电线载波通信等多种通信方及接口装置组成 ；第三层为配电自动化子应用层。该层由数据服务器、应用服务器及通信管理机等硬件、支撑软件、应用软件、通信管理软件等构成。配电自动化系统构架体系如图 2 所示。

配电自动化系统可以实现如下功能：

(1) 系统运行监视和控制，即监视电力监控系统运行参数，

(2) 支持终端设备的远程控制功能；

电能质量监视和分析，即监视系统的实时电能质量，包括电压偏差、频率偏差、不平衡度、功率因数、谐波含量、电压闪变等电能质量问题，分析评估系统电能质量状况；

(3) 功率因数监视和控制，即实时监测电网功率因数，控制调整的实时投退；

(4) 电能计量与分析，即分时、双向测量用户电能消耗， 提供电能量统计报表并分析不同用电设备在不同费率时段的电量消耗；

(5) 报警和事件管理，即对系统在电网扰动、电气故障时触发并记录报警；

(6) 历史数据管理即保存所有实时采样数据、事件顺序记录（SOE）等，查询历史事件记录，绘制成曲线图 ；

(7) 报表管理，即按一定的模板生成各类报表；

(8) 用户权限管理，即定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统维护管理提供可靠的安全保障；

(9) 支持Web客户端，即通过IE浏览器查看系统监控现场画面、查阅各类统计报表等。

3 区域配电自动化系统设计方案

基于物联网的理念，结合实际功能需要，以安康地区的平利县为例，设计了区域配电自动化系统设计方案，践行了物联网的典型行业应用案例。

3.1 区域配电网的基本情况

平利县位于陕西东南部，地处陕鄂渝三省交界处，东接湖北竹溪，南邻重庆城口和本市镇坪县，西北分别与岚皋、汉滨和旬阳接壤。全县国土面积为 2647平方公里，辖 11镇 190个村 6个城市社区，总人口 23万人。平利县电网内现有 35kV变电站 10座，其中国家电网安康供电局所辖 110kV变电站两座，分别为 110kV平利变、110kV太山变，合计主变容量为 103MVA/4台；35kV变电站 1座为老县变，主变容量 6.3MVA/1台。平利供电分公司所辖 35kV变电站 7座，主变14台， 容量 91.65MVA。35kV线路 109.225km/10条 ；除用户专线外，10kV线路 36 条 833.16km，配电变压器 143.99MVA/884 台，0.4kV及以下线路 1496.2km。当前配网线路各项运行指标包括中压用户供电可靠率（RS-3）、电压合格率、线损率与功率因数。其中，中压用户供电可靠率（RS-3）：城网 99.95%， 农网 99.77%，综合 99.78% ；电压合格率 ：城网 98.1%，农网97.2% ；线损率 ：城网 6.8%，农网12% ；功率因数 ：城网 0.9，农网 0.87。平利配电网地理接线图如图 3 所示。

3.2 配电自动化系统方案

配电自动化系统采用分布式网络体系结构，数据服务器、应用服务器及各类工作站等分布于网络中，支持和管理网络中各自独立的处理节点，使数据共享。自动化系统的结构采用三层体系结构，分别为数据库和分布式应用的支撑平台层、操作系统层和应用系统三层，各层还可根据具体功能再细分。其中支撑平台采用分布式结构并符合相关标准的开放式体系，以便广泛融合未来需求。纵向通过光纤、公网、载波等多种通信方式连接主站、子站、终端和故障指示器。

该系统可实现配电网集调度、测量、控制和保护一体化及相应的高级应用功能。具体如下：

(1) 本网调度管理，组织执行上级调度机构发布的调度指令；

(2) 组织实施上级调度机构及上级有关部门制定的有关标准和规定；

(3) 按上级调度要求上报电网运行信息，按计划或合同调度管辖电网的安全、优质、经济运行；

(4) 制定本级配电网的运行方式，参与上级电网运行方式的分析计算；

(5) 制定、下达和调整本地区电网日供电调度计划，审批范围内的设备检修计划；

(6) 集中控制和操作管理所辖配电网；

(7) 指挥配电网的事故处理，协助分析事故原因，提出整改的安全措施；

(8) 开展本地区电网通信网络、继电保护和自动化系统的规划，提出相应的运维策略。

现将该系统的高级应用功能分述如下：

(1) 网络建模。网络建模软件按照 IEC61970/61968的标准进行网络建模，支持对于配网自动化系统所辖 EMS 系统的网络模型进行拼接，支持实时电网模型和未来电网模型的一体化维护以及在线 EMS 模型和离线 BPA 模型（或综合程序） 整合等功能。要求整个系统使用同一电网模型，并有统一的管理与维护。网络建模用于建立和修改网络数据库，为其他应用定义电网的网络结构。系统应采用图库模一体化的建模方式，整个系统模型的创建和维护支持实时态、研究态、规划态以及测试态的应用需求；

(2) 网络拓扑分析。按照配电网拓扑结构和设备的运行状态进行动态分析，实现监测控制、防误操作闭锁、馈线自动化等应用功能；

(3) 负荷及电能质量监测。系统采用标准的通信协议， 与智能计量系统共享智能电能表的电能量、实时量、告警记录等数据；

(4) 负荷转供。在电网故障或计划停电检修时，为尽量减小事故或检修的停电范围，实施有针对性的负荷转移，指定转供的电源、电网路径及转供容量范围的具体操作方案；

(5) 故障定位。系统应能满足通过安装“一遥”和“二遥”设备进行故障定位的需要，实时监测“一遥”和“二遥”设备上传信息，收到故障信息进行综合分析和判断，实现故障定位；

(6) 故障隔离与恢复供电。基于各种拓扑结构的故障分析，制定电网运行方式预案，支撑配电自动化实现。根据故障信号快速自动定位故障区段，并调出相应图形以醒目方式显示。支持多变电站、多馈线和多重故障下的故障定位、故障隔离及非故障区域的恢复供电；

(7) 故障处理信息查询。通过历史数据库检索查询故障处理的全部过程信息，包括故障发生时间、发生区域等。还可实现故障的统计与分析功能。配电自动化系统图如图 4所示。

3.3 通信系统方案

平利配电自动化工程通信方式选择 GPRS/CDMA 无线公网方式，后台系统采用双以太网结构。配电自动化主站设置数据采集服务器、应用服务器和通信前置机通过GPRS 网络与无线终端进行数据通信。为保证数据传输的安全性，采用APN 专网服务，无线终端数据传输过程全部在移动GPRS 的APN 专网内完成，与外界完全隔离。

通信系统支持TCP/IP 等通信协议，通过电力调度数据网与远方计算机系统（上、下级）交换信息 ；提供通信监视及支持冗余配置的通信前置机的切换功能 ；支持双以太网结构， 可以自动平衡两个以太网的网络负荷。当一个以太网发生故障时，系统可以实时自动地将负载转移到正常的网络上，切换过程中不会产生任何信息丢失。当主备冗余配置的一台交换机发生故障时，可以自动切换到另一台正常的交换机进行通信，切换过程不会产生信息丢失 ；提供对通信端口、节点、TCP/IP 端口、C/S方式和安全认证的配置功能；每一个通信链路具有可观测性、可控制性。用户可在界面上对任一链路实施起动、停止和禁止操作，可获取链路的运行统计信息；能够监视网络连接质量，当延时超过限值时给出报警信息并记入事件记录； 对通信网络的连接状态、网络通信延时、网络路由情况进行监视 ；可提供标准的应用程序接口，实现应用软件和用户定制化的无缝通信。通信系统结构图如图 5 所示。

4 结 语

基于物联网的思路，设计的区域配电自动化系统，有针对性地采用了无线公网的通信方式，实现了配电自动化的基本功能和一些基础应用，展望配电自动化系统的高级应用。拓展物联网在电力系统的典型行业应用，为配电自动化建设提供了一个新的视角与技术路径。