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关于电力物联网的配电系统关键技术研究

更新时间:2023-12-26      浏览次数:191

胡冠楠

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要:基于物联网的智能运维系统比传统的电网更具优势,可实现信息获取、数据集成、状态感知及差异化运维等功能,为电力系统的安全运行提供有力保障。探讨了电力物联网的理论基础及主要框架,分析了配电系统的智能运行与维护技术。利用物联网技术优势构建了一个基于物联网的智能配电网管理系统,可实时监控配电网,有效解决了存在的问题,保障配电网的安全可靠。

关键词:配电系统;电力物联网;智能运行;维护技术

0引言

物联网技术旨在构建一个能够实现电力用户、发电企业及供应商之间沟通的网络,对电力市场进行监控,从而提升工作效率及竞争力。基于这一理念,电力物联网注重将“能量流"“信息量"“业务流"有机结合在一起,为用户提供实时、准确的数据,提高企业配网发展的科学性及配网系统的安全性及稳定性。为实现配电网的稳定发展,需不断完善智能化运行及维护管理技术,大大降低系统风险,保障电力安全,实现可靠供应。

1电力物联网的体系架构

1.1感知层

电力物联网中,感知层承担着神经末梢的作用,可对系统的运行状况进行感知,对系统出现的意外情况做出预警。通过配电系统的智能化,将变压器、电表等各类终端设备纳入到感知层,通过对感知层的风险评价,进一步提高智能配电网的抗风险能力。下图为电力物联网的多级结构,可满足不同的应用需求。

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1.2网络层

网络层在电力物联网中起着至关重要的作用,可确保网络的稳定性及可靠性,主要分为两种类型:内部专网和外部互联网。随着技术的发展,通信方式发生了巨大的变化,这将直接影响系统的整体性能。电力线载波与230MHz无线传输技术已被广泛应用于电力通信领域,改善了网络性能。电力物联网网络层的安全管理至关重要,其不仅能够防止H客入侵,还能确保整个智能配电系统的正常运行。为有效减少智能配置系统中的互联网攻击风险,需采用多种不同的通信协议。

1.3平台层

物联网平台层的强大功能令系统数据交互与融合变得更加容易,利用大数据存储与分析技术可以更加地处理传统能源生产模式下的碎片化信息存储,消除信息孤岛。借助在线信息平台与云数据,实现对电网运行数据的实时收集与处理,确保电网的安全、、可靠,通过电力数据共享机制,更好地推进电力行业的发展。

1.4应用层

应用层可实现多种业务,如为客户提供能源服务、维护电力网络及管理综合能源系统等。在应用层的引导下,用户可实时与智能配电系统进行交互,获得完整的系统数据信息。

2面向配用电系统的电力物联网关键技术

2.1感知层关键技术

感知层可确保系统获取信息的准确性,实现快速响应。现代化智能配电系统的感知层监控范围越来越广,监控数据的复杂性越来越高。应加强创新,满足智能配电系统的多元需求,提高系统的运行效率及可靠性。在研发新型电力物联网装置时,应充分考虑尺寸、环境条件及电磁兼容性等因素,达到较佳效果,满足电力行业的发展需求。为了更好地监控配电系统设备,需完善传感器设置方案,按照空间正四面体传感器节点部署思路,充分利用各种传感器的优势,提高感知层的整体感知效果。

2.2网络层关键技术

信息传输中有许多不同的业务类型,需要配电通信系统的支持。随着可用接口越来越多,泛在感知的信息量及数据的多样性不断攀升。开发强大的路由策略来支持自组网已成为一种必然,需确保底层接入网的控制及状态信息的及时传递。为了更好地发挥网络潜力,人们不断探索新的技术手段,提出相应的算法,基于配网系统与通信系统之间的耦合关系提出拓扑势方法,以实现系统间的协同规划。随着物联网技术的引入,需充分关注与其相关联的信息安全风险,实现安全访问及信息控制。而一系列技术的应用则是解决这些问题的关键,主要方法包括数据加密、安全路由、身份认证及访问控制等。

2.3平台层关键技术

平台层处理的数据量十分庞大,呈现高冗余度、多样化格式等特点,其关键技术包括数据融合技术、数据存储技术等,可加速对大规模系统数据进行聚合及整理,实现数据的较大价值。在数据融合技术的支持下,配电系统数据信息可实现三个层次的有效整合,即数据层、特征层及决策层。此外,加权平均、聚类分析及贝叶斯估计等多种融合方法也能够发挥出一定的作用。NoSQL是一种广泛应用于数据存储领域的技术,包括BigTable、F1、Cosmos等大型数据存储模型,可有效支持复杂的数据处理及分析。目前智能配电网的监控覆盖面有限,需大力开发平台层的数据分析技术,以实现数据共享。

2.4应用层关键技术

在电力物联网应用层中,态势感知与主动优化运行是核心技术。态势感知技术可及时发现并有效识别可能存在的安全隐患,对其采取必要的措施进行处理。可将智能配网的态势感知划分为三个阶段,即观察、理解及预测,确保整个系统的较佳性能。采用主动优化运行技术可根据用户需求实施合理的供电价格调整,更好地满足用户需求,有效提升用户满意度,提升电力企业经济效益,实现智能配电系统的可持续发展。

3电力物联网的配电系统智能运行的应用

3.1配电网运行状态在线监测与风险评估

目前,配电网决策进程中没有获得足够的信息技术支持,因此当电力设备出现故障时进行维修。新型负荷的出现令配电网的安全性及可靠性面临着更大的挑战,电力物联网技术为配电系统的智能运行提供保障,可即时检视电力装置的运作状况,评估其对配电网的影响,排除可能存在的计时误差风险,丰富了在线检测手段。在稳定的通信系统中,可通过站点来进行不同的检测,及时发现故障。还可对网络安全风险进行评估,对配网运行历史数据进行提取分析,对现场风险进行实时评估,及时发现容易受到攻击的系统,运用人工智能技术提升电力供应的稳定性。

3.2配电系统规划与综合能源协调运行

为了满足人们的日常需求,需对电力、交通、供暖、燃气等基础设施进行规划建设。电力物联网可实现对电力、气力、水力、热力等多种资源的有效管理,对其进行有效分配及协调优化,可为城市的可持续发展提供支撑。随着我国电力工业的快速发展,各种不同类型的能源日益融合,出现了大量的协同利用,提高智能配电网的灵活性及自主性是亟待解决的问题。未来,配电网将与其他系统相结合,适应综合能源的使用需求。在物联网架构下,配电网具有较高的自主性,以其感知的各类大数据为依据,构建高精度的综合分布与预测模型,借助边缘计算提高非平稳环境下配电网的灵活性。结合云计算技术对多种不同类型的能量进行分析,实现合理利用。通过对电力系统的大数据分析,建立一个的电力失控分布模型,更好地掌握电力系统运行状况。利用物联网技术进行计算,建立分布式电源及储能系统,准确控制用户负载。利用大数据处理技术对风光机组进行精细化分类,更准确地调整配电网络,获取有效数据。

3.3用户个性化用能服务

传统的配电网中,用户受电终端只能被动参与配电网运行,虽然分时电价可以将电量从峰值转移到低谷,较大限度地利用电能,但此方法还不完善。物联网技术的应用范围不断扩大,其终端及网络能够与用户建立更加紧密的联系,可增设屋顶光伏电站,安装小型风机,拓宽用户获取电能的途径。随着智能终端的普及,如智能空调、热水器及电动汽车等,用电信息不断变化,将成为电力物联网的重要信息来源。配电网需为客户提供多样化的服务,引导客户参与配电网的运营,以定制化的个性化服务为核心,实现对配电网的较优配置,提高配电网的稳定性。电价调整机制是对用电客户的一种激励,通过建立一个分层的配电网架构,将电网侧的资源与用户侧的设备有效整合在一起,实现集成调度的目标。如将建筑暖通、电冰箱、热水器等作为资源平衡的微网联络结构,对其功率进行计算,实现对配电网络的有效调整,从而有效控制储能系统的建设投资成本,实现节能减排的目标。

4配电系统的运行维护技术

4.1周期性维护技术

为有效解决配电系统运行中的问题,应加强周期性维护技术的应用,按照规定定期巡视,及时发现并处理智能运行中存在的问题,确保系统安全稳定。为了更好地发挥周期性维护技术的作用,确保其覆盖面广泛,精细化水平达到较佳,不断加强巡检维护与配电系统智能运行之间的联动。各部门协同配合,共同完成配电系统的智能运行维护,充分发挥周期性维护技术的重要作用。

4.2特殊性维护技术

如果在监控配电系统时发现了安全隐患,需分析其表现形式及影响,制定适当的维修方案,降低风险,确保配电系统的运行符合电力物联网的需求。配电系统较为复杂,涉及的设备众多,需建立一套完善的智能管理体系,对所有设备进行监测,及时发现故障,保证系统的正常运行。充分利用电力物联网技术,大大提升配电网的智能化运营及故障维修水平,有效推动电力工业的智能化发展。

5 Acrel-EIOT能源物联网云平台

(1)概述

Acrel-EIoT能源物联网开放平台是一套基于物联网数据中台,建立统一的上下行数据标准,为互联网用户提供能源物联网数据服务的平台。用户仅需购买安科瑞物联网传感器,选配网关,自行安装后扫码即可使用手机和电脑得到所需的行业数据服务。

该平台提供数据驾驶舱、电气安全监测、电能质量分析、用电管理、预付费管理、充电桩管理、智能照明管理、异常事件报警和记录、运维管理等功能,并支持多平台、多语言、多终端数据访问。

(2)应用场所

本平台适用于公寓出租户、连锁小超市、小型工厂、楼管系统集成商、小型物业、智慧城市、变配电站、建筑楼宇、通信基站、工业能耗、智能灯塔、电力运维等领域。

(3)平台结构

(4)平台功能

电力集抄

电力集抄模块可以实现对各种监测数据的查询、分析、预警及综合展示,以保证配电室的环境友好。在智能化方面实现供配电监控系统的遥测'、遥信、遥控控制,对系统进行综合检测和统一管理;在数据资源管理方面,可以显示或查询供配电室内各设备运行(包括历史和实时参数,并根据实际情况进行日报、月报和年报查询或打印,提高工作效率,节约人力资源。

变压器监控

配电图

能耗分析

能耗分析模块采用自动化、信息化技术,实现从能源数据采集、过程监控、能源介质消耗分析、能耗管理等全过程的自动化、科学化管理,使能源管理、能源生产以及使用的全过程有机结合起来,运用数据处理与分析技术,进行离线生产分析与管理,实现全厂能源系统的统一调度,优化能源介质平衡、有效利用能源,提高能源质量、降低能源消耗,达到节能降耗和提升整体能源管理水平的目的。

能耗概况

预付费管理

1)登陆管理:管理操作员账户及权限分配,查看系统日志等功能;

2)系统配置:对建筑、通讯管理机、仪表及默认参数进行配置;

3)用户管理:对商铺用户执行开户、销户、远程分合闸、批量操作及记录查询等操作;

4)售电管理:对已开户的表进行远程售电、退电、冲正及记录查询等操作;

5)售水管理:对已开户的表进行远程售水、退水、记录查询等操作;

6)报表:提供售电、售水财务报表、用能报表、报警报表等查询,本系统所有的报表及记录查询,都支持excel格式导出。

预付费看板

充电桩管理

通过物联网技术,对接入系统的充电桩站点和各个充电桩进行不间断地数据采集和监控,同时对各类故障如充电机过温保护、充电机输入输出过压、欠压、绝缘检测故障等一系列故障进行预警。云平台包含了充电收费和充电桩运营的所有功能,包括城市级大屏、交易管理、财务管理、变压器监控、运营分析、基础数据管理等功能。

 

充电桩看板

智能照明

智能照明通过物联网技术对安装在城市各区域的室内照明、城市路灯等照明回路的用电状态进行不间断地数据监测,也可以实现定时开关策略配置及后台远程管理和移动管理等,降低路灯设施的维护难度和成本,提升管理水平,并达到一定节能减挂的效果。

监控页面

安全用电

安全用电采用自主研发的剩余电流互感器、温度传感器、电气火灾探测器,对引发电气火灾的主要因素(导线温度、电流和剩余电流)进行不间断的数据跟踪与统计分析,并将发现的各种隐患信息及时推送给企业管理人员,指导企业实现时间的排查和治理,达到消除潜在电气火灾安全隐患,实现“防患于未然"的目的。

智慧消防

通过云平台进行数据分析、挖掘和趋势分析,帮助实现科学预警火灾、网格化管理、落实多元责任监管等目标。T补了原先针对“九小场所"和危化品生产企业无法有效监控的空白,适应于所有公建和民建,实现了无人化值守智慧消防,实现智慧消防“自动化"、“智能化"、“系统化"、用电管理“精细化"的实际需求。

(5)系统硬件配置

类型

型号

外观

产品功能

能源物联网云平台

Acrel-EIOT


提供数据驾驶舱、电气安全监测、电能质量分析、用电管理、预付费管理、充电桩管理、智能照明管理、异常事件报警和记录、运维管理等功能,并支持多平台、多语言、多终端数据访问

智能网关

AWT100-4G

151324mi

1路下行485,上行可选配4G、WIFI、网口

ANet-1E2S1-4G

产品

上行:以太网、4G

下行:RS485

物联网电表

ARTU系列

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可扩展DIDO以及多路模拟量输入输出单元。

通讯方式:RS485接口,Modbus协议。可扩展2G、Lora、LoRAWAN、NB-IoT、4G、以太网

无线测温

ARTM-Pn

产品

可监测电压、电流、频率、有功功率、无功功率、电能,可接收60个无线温度传感器温度

ATC600

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ATC600有2种工作模式:终端(-C)、中继(-Z),可根据项目布局选择配置。可接收240个无线温度传感器温度

光伏监控

AGF

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光伏电池串开路报警,可以配合组串电压进行综合判断;带3路开关量状态监测,用于采集直流断路器、防雷器等输出空接点状态;一次电流采用穿孔方式接入,安装方便,安全性高;测量元件采用霍尔传感器,隔离测量电流20A;电压测量功能可测量母线电压高DC1500V

电力监控

AEM96

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三相电力参数测量、电压和电流的相角、四象限电能计量、复费率、需量、历史电能统计、开关量事件记录、历史值记录、31次分次谐波及总谐波含量分析、分相谐波及基波电参量(电压、电流、功率)、开关量、报警输出

通讯方式:RS485接口,支持Modbus-RTU协议

AEM72

XSX02967

三相电力参数测量、电压和电流的相角、四象限电能计量、复费率、需量、历史电能统计、开关量事件记录、历史值记录、31次分次谐波及总谐波含量分析、分相谐波及基波电参量(电压、电流、功率)、开关量、报警输出

通讯方式:RS485接口,支持Modbus-RTU协议

ACR系列

HG9A9655

三相所有电力参数、需量记录(ACR320EFL)、分时电能统计及12月电能统计、日期时间显示、LCD显示、RS485通讯,事件记录。

通讯方式:RS485,Prifibus-DP、以太网

APM系列

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全电量测量,四象限电能,复费率电能,仪表内部温度测量,总有功、总无功、总视在电能脉冲输出、秒脉冲等可选。三相电流、有功功率、无功功率、视在功率实时需量及需量(包含时间戳)。电流、线电压、相电压、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率、电流总谐波、电压总谐波的本月值和上月值(包含时间戳)。中文显示,有功电能0.2s级。通讯方式:RS485,Prifibus-DP、以太网

物联网电表

DDS

有功、无功电能计量,电参量测量:U、I、P、Q、S、PF、F,LCD显示,RS485通讯,MODBUS-RTU和DL/T645协议

物联网电表

DDSD

电能计量:总电能计量(反向计入正向),3个月历史电能数据冻结存储电参量测量:U、I、P、Q、S、PF、F测量LCD显示:8位段式LCD显示按键编程:3按键可编程设置密码、通讯地址、波特率、复费率和通讯协议。

脉冲输出:L有功电能脉冲输出复费率:4个时区、2个时段表、14个日时段、4个费率通讯:RS485接口,MODBUS-RTU、DL/T645-97、DL/T645-07协议、红外通讯

物联网电表

DTSD

电能计量:有功电能计量(正、反向)、无功电能计量(正、反向)、A、B、C分相正向有功电能电参量测量:U、I、P、Q、S、PF、F谐波测量:2~31次谐波电压电流LCD显示:8位段式LCD显示、背光显示按键编程:4按键可编程通信、变比等参数脉冲输出:有功脉冲输出、无功脉冲输出、时钟脉冲输出LED报警:失压、过压报警复费率及附带功能:有源开关量输入、3开关量输出、支持4个时区、2个时段表、14个日时段、4个费率、需量及发生时间、上48月、上90日历史冻结数据、日期、时间

通讯:红外通讯、RS485接口、同时支持Modbus、DL/T645测温:支持3外置NTC测温

物联网电表

ADL200

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单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量。总电能计量(反向计入正向),3个月历史电能数据冻结存储;8位段式LCD显示;有功电能脉冲输出;有功电能精度1级,无功电能2级。

ACR10R

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三相电流/电压/频率/功率因数,有功/无功/视在功率,四象限电能计量,需量,复费率电能计量,总谐波含量、分次谐波(2-63次),事件记录和报警功能。电能精度0.5级。

通讯方式:RS485接口,支持Modbus-RTU协议

ADL10-E

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有功、无功电能计量,电参量测量:U、I、P、Q、S、PF、F,LCD显示,RS485通讯,MODBUS-RTU和DL/T645协议

ADL400

三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量。(正、反向)有功、无功电能计量;A、B、C分相正向有功电能计量;2-31次谐波电压电流;12位段式LCD显示、背光显示,电能精度0.5s级。

ADW200

4路三相电压、电流、功率、功率因数、频率测量;电压电流相角、电压电流不平衡度测量;电压电流2-31次分次谐波及总畸变测量;当月及上三月的电压、电流、功率值记录;需量及上十二月历史需量记录;事件记录、复费率、四象限电能及历史电能记录;支持12路开关量输入4路开关量输出;支持12路测温4路剩余电流测量;有功电能精度1级。

通讯方式:RS485接口,支持Modbus-RTU协议

ADW210

4路三相电压、电流、功率、功率因数、频率测量;电压电流相角、电压电流不平衡度测量;电压电流2-31次分次谐波及总畸变测量;当月及上三月的电压、电流、功率值记录;需量及上十二月历史需量记录;事件记录、复费率、四象限电能及历史电能记录;支持12路开关量输入4路开关量输出;支持12路测温4路剩余电流测量;有功电能精度1级。

ADW300-4G

三相电压、电流、功率、功率因数、频率测量;电压电流相角、电压电流不平衡度测量;电压电流2-31次分次谐波及总畸变测量;当月及上三月的电压、电流、功率值记录;需量及上十二月历史需量记录;事件记录、复费率、四象限电能及历史电能记录;支持4路开关量输入、2路开关量输出;支持4路测温;支持1路剩余电流测量;支持本地显示及按键设置;有功电能精度1级。

通讯方式:支持RS485通讯、Lora无线通讯、4G通讯;WIFI通讯

预付费电表

DDSY-4G

HG9A9811

单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量。有功电能计量(正、反向),A、B、C分相正向有功电能,支持4个时区、2个时段表、14个日时段、4个费率需量及发生时间,实时需量,历史冻结数据购电记录;8位段式LCD显示、背光显示;有功电能脉冲输出;有功电能精度1级,无功电能0.5s级。

DTSY-4G

三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量。有功电能计量(正、反向),A、B、C分相正向有功电能,支持4个时区、2个时段表、14个日时段、4个费率需量及发生时间,实时需量,历史冻结数据购电记录;8位段式LCD显示、背光显示;有功电能脉冲输出;有功电能精度1级,无功电能0.5s级。

直流电能表

DJSF1352

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1.精度:1级或0.5级,带±12V电压输出用于霍尔传感器供电

2.测量:电压、电流、功率、正反向电能,支持双路计量。

电气安全

ARCM300-Z

三相(I、U、Kw、Kvar、Kwh、Kvarh、Hz、cosΦ),视在电能、四象限电能计量,单回路剩余电流监测,4路温度监测,2路继电器输出,2

路开关量输入,支持断电报警上传

AAFD-DU

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监测故障电弧、漏电、温度

两路无源干接点(开关量)输入

两路无源常开触点(开关量)输出

充电桩

ACX系列

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充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别、独立计量、告警上报。

支持投币、刷卡,扫码、免费充电,

AEV_AC007

额定功率7kW,单相三线制,防护等级IP65,具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、远程升级,支持刷卡、扫码、即插即用。

通讯方式:4G、蓝牙、Wifi

智慧照明

ASL200

遥控输出

两路无源干接点(开关量)输入

两路无源常开触点(开关量)输出

6结论

在电力物联网环境下,配电网长期运行会产生一些故障,需基于电力物联网技术不断优化配电系统的智能运行及技术维护,防止外部因素干扰,确保配系统智能运行与维护技术之间的相关性,凸显配电系统运行的智能化,满足电力物联网对配电系统运行的需求。

参考文献

[1]李振江,李恺.基于电力物联网的配电系统智能运行与维护技术

[2]张导,易剋燈,王健.基于电力物联网的配电系统智能运行与维护技术[J]

[3]王晓光.基于电力物联网的配电系统智能运行与维护技术[J]

[4]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版



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