基于全面量测的透明配电网数据化运维技术研究论文

SCI论文（www.lunwensci.com）　　　

　　摘要：目前配电网存在数据采集不全、设备状态不可见、运维困难的问题。为此，在剖析透明配电网的概念及其3个基本特征的基础上，设计一款集成度高、应用范围广的数据采集终端，可用于各类配电设备的信息采集和通信。提出一种透明配电网的数据化运维平台架构和实现模式，覆盖基础层、数据层、应用层与客户端4个层级，可支撑配电网运行数据从采集到分析到应用的全过程流转。结果表明：通过分析利用运行数据，透明配电网可以实现智能运维和辅助决策，可有效提升配电网的运维效率和管理水平。

　　关键词：全面量测；透明配电网；数据化；运维；数据采集终端

　　Abstract:At present,the distribution network has the status of incomplete data collection,invisible equipment status and difficult operation and maintenance.Therefore,based on the analysis of the concept of transparent distribution network and its three basic characteristics,a data acquisition terminal with high integration and wide application range is designed,which can be used for information acquisition and communication of various distribution equipment.A architecture and implementation mode of the transparent distribution network′s data-driven operation and maintenance platform is proposed,covering four levels,such as the basic layer,the data layer,the application layer and the client.It can support the whole process flow of distribution network operation data from collection to analysis to application.The results show that through the analysis and utilization of operation data,the transparent distribution network can realize intelligent operation and maintenance and auxiliary decision-making,which can effectively improve the operation and maintenance efficiency and management level of the distribution network.

　　Key words:comprehensive measurement;transparent distribution network;datamation;operation and maintenance;data acquisition terminal

　　0引言

　　2021年3月，习近平在中央财经委员会第九次会议提出构建以新能源为主体的新型电力系统。近年来，在电力负荷显著增长的同时，各种精密负荷和电力电子设备也大量接入配电网，这些对供电可靠性和电能质量等提出了更高的要求，给传统配电网带来了极大的挑战[1-4]。

　　我国配电网基础相对薄弱，近年来虽然在配电网改造行动计划的推进下情况得以改善，但由于配电网覆盖范围广阔、负荷类型多样等多方面原因，建设改造存在各方面阻力，目前仍存在诸多问题，其中的一个重要方面是配电网的运行维护[5]。

　　配电网作为电网的最后一个环节，直接面对广大用户，其运行管理的水平将直接影响供电质量和用户体验[6]。目前的配电网运维较为粗放，各级配网管理人员仅能获得部分运行数据，无法实现各级和同级系统之间的数据交互，且部分终端设备如无功补偿柜、低压开关等运行在不可见和不可控的状态下，为配电系统的运行和管理工作增加了难度[7]。

　　目前对配电网的运维研究主要集中在系统平台和运维模式2个方面。文献[8]提出了一种基于分层结构和最佳协调机制的集成广域保护与控制系统，用于支持运维和管理应用。文献[9]提出了一种考虑配电网运维成本的运维模式，通过灰关联分析提取主要影响因素，可有效提高运维效率和经济性。文献[10]提出了一种全新的综合考虑全寿命周期的三维资产管理模型，借助迁移学习强化案例库，有助于实现设备的主动资产管理和科学运维。文献[11]提出了时间序列模式匹配的电能质量治理策略，有效改善了配网电能质量问题。文献[12]通过对关键信息的集成与融合，进一步支撑配电网运行状态估计，实现故障预判与诊断。文献[13-16]从大数据技术的角度，分析其在支撑智能配电网建设的作用。文献[17]提出了一款针对配电网无功补偿设备的系统设计架构，并提出了基于集群划分的配电网电压协调优化方法。首先，提出考虑基于集群综合性能指标的集群划分方法，在结构方面，建立衡量集群结构强度的全局密度函数指标；在功能方面，建立反映光伏出力特性的不一致性系数指标与限制集群规模的节点隶属度函数标。针对上述集群划分指标采用快速纽曼(Fast Newman，FN)算法实现配电网集群划分。进而，在集群划分的基础上，建立以集群内光伏消纳最大为目标的集群电压二阶锥优化模型，并提出集群间分布式迭代优化的有功功率协调交互策略，最终实现各集群的协调优化。在浙江省某10 kV实际馈线系统中验证了所提方法的有效性和合理性。

　　随着物联网和传感技术的兴起[18]，部分学者将其引入到配电网的状态监测及运维中，如文献[19]基于射频识别提出一种针对配电网日常巡检维护的技术方案，文献[20-21]研发了一种相量测量单元来实现配电系统状态估计。

　　总结而言，现有的研究成果为配电网运行管理提供了较多的模式参考，但目前配电网运维的最大问题在于运行数据和设备状态的不可见，无法及时发现与解决问题，因此实现配电网智能运维的基础和关键在于配电网数据和状态的全面量测。针对此问题，本文基于全面量测技术，以打造透明配电网[22]、实现配电网的智能运维为目标，设计了一种配电网数据采集终端，提出了透明配电网数据化运维的功能架构和实现模式，并指出透明配电网建设的关键问题。

　　1配电网运维现状

　　由于配电网网架较为薄弱，线路分布较广且并网设备较多，又要直接面对复杂的用电环境，电力系统的故障多数发生在配电网层面，造成故障停电、线损增加、设备损坏等问题。传统的配电网运维基本采用“定期巡检+故障维修”的模式，但受限于运维人员的数量和专业技能水平，定期巡检较难覆盖所有的配电区域和设备，且大部分的故障和异常无法通过表面观察发现，因此往往在发生停电或投诉事件之后才能发现问题并安排检修维护。

　　当前的这种配电网运维模式存在以下几方面问题。

　　1.1运行状态不可见

　　随着技术的发展及配网自动化水平的不断提高，目前相当部分配电网设备已实现了基本的数据采集，如以开闭所终端设备、馈线终端设备和配变终端设备为代表的各种监测终端。然而，受限于监测区域的分布密度、监测对象的覆盖程度和监测数据的类型，目前尚无法实现对配电网的运行情况进行准确的监测及评估，其运行整体处于半混沌的不可见状态。这种运行状态的不可见主要表现为以下3个方面。

　　在监测区域的分布密度方面，目前配电网的状态监测和数据采集基本都依托于对应的设备装置，如安装在配电箱或开关、补偿装置柜中，这就使得配电网监测的区域范围只有离散的数据点，数据点之间相隔较远且缺乏协调统一。此外，实际运行中的部分关键节点和线路目前尚未被纳入监测范围，这也造成了部分考核指标不严谨和潮流状态拟合不准确。

　　在监测对象的覆盖程度方面，由于历史投资和管理的原因，目前配电网监测并没有覆盖所有的配电网设备，部分对配电系统运行产生重要影响的装置尚未进行数据采集和统一管理，其中具有代表性的是配电网电能质量治理设备，如调压器、无功补偿和三相不平衡调节器等。

　　在监测数据的类型方面，目前配电网的设备状态监测大部分仅用于采集最基础的电参数，如电流和电压，而忽略了设备的自身工况和运行环境等数据收集。如目前的智能电表已经能支撑用户电压采集上报，但实际上报的只有电量数据，因此存在监测数据类型单一，数据采集利用率较低的问题。

　　1.2检修存在滞后性

　　由于运行状态的不可见，一旦发生运行故障往往只能通过用户投诉来获得故障信息。而在当前的“定期巡检+故障维修”运维模式下，从设备异常或故障停电的状态出现，到电力部门进行故障定位、前往现场、故障类型判断和确定维修措施，这个过程中存在相当多的手续和人员协调工作，造成了配电网故障检修的滞后性，运行人员无法准确、及时和有效地进行故障排查和恢复供电，降低了区域的供电可靠性指标。

　　1.3系统管理不统一

　　由于历史发展和建设阶段的不同，配电网设备对应的管理系统及其建设完善程度也不同。电力企业中根据不同的部门职能分工进行数据和系统管理，如计量自动化系统收集智能电表数据，配电自动化系统收集配变和开关柜的数据，地理信息系统收集拓扑接线数据等。因此，各个系统及部门间的数据相对独立，存在一定程度的隔离，并不能自由进行数据交互和共享，这种系统管理的不统一也造成了目前无法整合各方面数据、不能从全局角度掌握配电网的运行状况。

　　2透明配电网内涵

　　随着智能电网与能源网的不断融合发展[23-24]，配电网成为其中重要的物理支撑环节。但传统配电网由于缺乏数据采集，系统运行处在一种被动的状态，既不利于设备利用率[25]的提高，又难以实现主动配电网[26-27]的运行控制。

　　区别于运行数据和设备状态不可见的传统配电网，透明配电网是近年来随着智能电网建设需要而出现的一种新的配电网形态。从狭义上看，透明配电网的定义是，基于物联网、传感和通信技术，通过对并网设备的实时状态和关键节点的运行数据进行实时采集、上传、识别和监控，并在配电网综合运维平台上集中反映，从而实现全数据采集和全状态可见的一种透明化配电网模式。从广义上看，借助各种手段和技术，能把配电网过去、实时甚至未来的运行态势直观、完整呈现的配电网都属于透明配电网的范畴。

　　2.1透明配电网的特征

　　透明配电网包括3个基本特征：全面覆盖的监测数据、实时可靠的通信网络、功能集成的系统平台。

　　全面覆盖的监测数据是透明配电网的基础。要掌握配电网的全局信息，了解其运行状态，必须要以全面的数据监测为基础，只有数据源足够多、数据面足够广，才能实现配电网的透明化和可视化。

　　实时可靠的通信网络是透明配电网的保障。由于配电网线路和设备一般较为分散，且负荷变化和系统波动较为频繁明显，要想准确掌握其运行状态，除了全面量测之外，还需要有稳定可靠的通信作为支撑，才能保证数据的同步性和实时性。目前的主要通信手段有光纤通信和4G无线，而远距离无线电(Long Range Radio，Lo⁃Ra)等物联技术的出现，为透明配电网的通信实现提供了更多的可能性。

　　功能集成的系统平台是透明配电网的最主要特征，也是其成果的集中体现。一切的工具和技术发展最终都是以减少人力投入、为人类服务为目标，当具备足够全面的数据和可靠的通信条件之后，还需要考虑如何将这些成果转化和直接利用，以减轻配电网运维人员的工作量和提高工作效率。因此，透明配电网中必须要有一个综合的系统平台来承载数据展示和分析的功能。

　　2.2透明配电网的意义

　　依托于运行数据的全面量测和实时传输，通过大数据挖掘与分析技术，透明配电网可以实现配电网的智能化运维，提高配电网运维效率和减少人力投入，并可以及时甚至提前发现配电网的故障和异常状态，减少故障停电时间，保障配电网的安全稳定运行。

　　此外，透明配电网所采集和呈现的配电网数据和运行状态，可以实现相关运行部门的辅助决策，有助于配电系统的运行调度，提高配电网运行的安全性与经济性。甚至还能更好地发现和掌握区域负荷的特性和趋势，为规划部门的负荷预测和建设工作提供参考。

　　智能配电网是配电网发展的较高级状态，而透明配电网则是传统配电网向智能配电网发展的一个过渡阶段，其数据量测是实现一切智能化高级应用的基础。智能配电网和透明配电网的发展关系如图1所示。透明配电网强调数据的全面量测，即数据可观，而智能配电网则更进一步，不仅需要数据可观，还需要实现设备可控，在可观可控的基础上拓展更多的高级功能应用。

　　3配电网数据采集终端设计

　　对配电网运行的海量数据进行全面量测是智能运维和调度的重要基础。基于透明配电网的建设和实际运维需要，本文提出了一种配电网数据采集终端(Distribu⁃tion network Data Acquisition Terminal，DDAT)方案，采用两板一体的设计，包括数据采集和数据通信2个功能，可将其安装在配电箱、配电设备柜或其他运行的关键节点，采集线路或设备的运行状态数据并进行实时上传。

　　DDAT的主体由采样板和通信板2块电路板组成。采样板主要包括电压和电流互感器，用于数据采集计算。通信板的主要模块组成如图2所示。模块1是开关电源模块，可将220 V交流电源转换为稳定的5 V和12 V直流电源，供设备二次部分使用；模块2是LED和天线模块，包括LED指示灯用于指示设备运行状态以及外部天线接口；模块3采用M35无线通信模块，可实现上行下行通信规约应用层的接收以及各类数据的收发；模块4为系统时间管理模块，包括晶振、RTC、纽扣电池和蜂鸣器，用于完成系统时间校验、延时检测等；模块5为主控模块，包括1块STM32F407VGT6的CPU、1块192 kbytes的SRAM和1024 kbytes的FLASH用于完成各模块的初始化和通信功能管理；模块6为存储模块，用于实现运行数据和系统文件的存储和备份；模块7为以太网模块，用于提供以太网传输功能，实现网口通信；模块8为外部接口，包括2个485接口，1个CAN，1个USB和1个RS232接口，用于参数设置和串口调试，连接外部设备。

　　目前配电网相关的数据采集和管理系统彼此相对独立，归属不同的部门管理，彼此间也缺乏信息交互，且存在部分设备和区域数据缺失的问题。DDAT具有体积小巧、安装灵活、功能齐全的特点，可适应透明配电网全面量测的需求，将它安装在配电箱或配电设备柜中，既可配合原有的设备采样进行数据上传和汇总，也可独立进行数据采集和通信，适用于不同的运行条件和设备配置。DDAT作为一个额外的数据采集终端，可以打破原有各个系统之间的数据隔离，把所有配电设备和关键节点的运行数据进行采集上传，以更好地实现全局状态感知和辅助决策，有助于配电网的可视化和透明化。

　　4透明配电网数据化运维平台

　　功能集成的系统平台是透明配电网的最主要特征，本文提出一种透明配电网数据化运维的平台，可实现智能配电网的智能化运维、精益化管理以及透明化观测，其主要功能包括运行监测、运维管理、模拟调度和平台交互等4个部分。其功能模块如图3所示。

　　其中，运行监测模块通过直接处理DAAT上报的量测数据，从而实现包括实时数据查询、设备状态查看和用户需求侧监控等功能在内的配电网运行状态全方位监测。运维管理模块则作为直观的管理工具，提供实时拓扑接线图、实时电能质量指标以及当前异常告警等管理服务。模拟调度模块可实现配电网的模型维护及智能建模，通过分析电网运行历史数据，利用大数据技术对配电网开展潮流仿真分析，为配电网的安全经济运行提供依据和辅助决策参考。平台交互模块负责该平台与其他展示终端的交互，可根据访问平台的IP设置不同的权限，并具有多系统数据互通的能力。

　　为实现上述功能，本文设计了透明配电网数据化运维平台的系统架构，包括基础层、数据层、应用层与客户端等4个主要层级，具体如图4所示。

　　基础层主要由接入配电网的各类终端设备及相应的DDAT组成，用于实现基础数据采集和接入通信主干网。数据层介于应用层与基础层之间，是整个系统平台的支撑，主要包括数据解析、数据储存、数据管理及日志记录等模块，共同构成数据中心，储存在数据服务器中。各模块通过信息交换总线连接，并同时与通信主干网进行数据交互。应用层主要负责平台功能的实现，包括运行监测、运维管理、模拟调度及平台交互等功能，并预留功能扩展接口。客户端通过WEB服务器向手机、计算机、平板等电子设备发送可视化数据，并接受用户的操作指令，实现运维平台与工作站和用户的交互。

　　在透明配电网的全面量测数据支撑下，配电网可以实现数据化的运维模式。在这种模式下，运维人员不需要频繁外出到现场巡线和开箱检查设备，只需要在工作站前查看所属区域的运行数据，如有故障或异常则及时跟进安排检修，并定期进行用电趋势分析预测。

　　这种透明化和数据化的运维模式可以实时跟踪配电系统的运行情况，有助于掌握区域的负荷特征和用电特性，为规划和调度部门提供基础数据参考；也可以及时甚至提前发现运行中的故障和异常情况，以便快速响应检修，减少故障停电时间。此外，还可以通过DDAT来远程掌握配电设备运行的温度、湿度等环境条件，并对设备自身状态和利用率进行统计，有效实现资产管理等。

　　5结束语

　　本文介绍了当前配电网的运维现状、存在的问题及其背后的主要原因，并介绍了透明配电网的相关特征。

　　基于此，提出了一款可用于配电网数据采集和全面量测的终端DDAT，该设备具有体积小巧、安装灵活、功能齐全的特点，既可配合原有的设备采样进行数据上传和汇总，也可独立进行数据采集和通信，打破了原有各个系统之间的数据隔离，把所有配电设备和关键节点的运行数据进行整合采集上传，以达到更好地实现全局状态感知和辅助决策，有助于配电网的可视化和透明化。基于该设备，本文提出一种透明配电网的数据化运维平台架构，该平台可实现配电系统运行的实时跟踪，实现配电系统各个运行数据、参数的统一展示、统一分析。

　　本文从终端和平台2个层面为配网运行人员提供了运维的新思路和模式，可有效提高运维和故障检修效率，更好地实现电网资产管理。

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