摘要：長(zhǎng)期以來(lái)，配電自動(dòng)化建設(shè)集中在10kV城市配電網(wǎng)，而忽略了0.4kV低壓配用電系統(tǒng)。低壓配電系統(tǒng)發(fā)生開(kāi)關(guān)設(shè)備故障、線路短路、越級(jí)跳閘等事件時(shí)，故障定位時(shí)間長(zhǎng)、事故處理響應(yīng)慢。基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)要求和技術(shù)路線，文章提出并設(shè)計(jì)了一套基于邊緣計(jì)算的分布式配電故障處理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)低壓配電設(shè)施故障及時(shí)感知、實(shí)時(shí)響應(yīng)。實(shí)踐應(yīng)用表明，該系統(tǒng)可大大加快低壓配電故障處理速度、縮短停電時(shí)間、提升供電可靠性和用戶滿意度。

　　關(guān)鍵詞：泛在電力物聯(lián)網(wǎng);低壓配電網(wǎng);邊緣計(jì)算;故障處理;分布式

　　0引言

　　0.4kV低壓配電系統(tǒng)直接為用戶提供電力分配供應(yīng)，是電網(wǎng)的有機(jī)組成部分。低壓配電系統(tǒng)中的設(shè)施數(shù)量多、分布范圍廣，是電力運(yùn)維監(jiān)管的難點(diǎn)和盲點(diǎn)。長(zhǎng)期以來(lái)，配電自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)集中在10kV配電網(wǎng)絡(luò)，而忽視了0.4kV低壓配電系統(tǒng)。目前電網(wǎng)公司對(duì)于低壓配電故障處理仍停留在熱線電話故障報(bào)修的階段。當(dāng)?shù)蛪号潆娤到y(tǒng)中發(fā)生線路或開(kāi)關(guān)本體故障、電纜短路、開(kāi)關(guān)越級(jí)跳閘等事件時(shí)，故障感知慢、故障定位困難、故障處理響應(yīng)周期長(zhǎng)。

　　而現(xiàn)有的低壓配電監(jiān)控所采用的“多功能儀表”或“電度表”，遠(yuǎn)不能滿足故障感知和故障分析定位的現(xiàn)實(shí)需求。基于配電自動(dòng)化的故障監(jiān)測(cè)、故障定位和故障隔離技術(shù)，在10kV配電系統(tǒng)中已得到廣泛應(yīng)用[1-4]。國(guó)內(nèi)學(xué)者提出的多種啟發(fā)式和智能算法也大多針對(duì)10kV配電網(wǎng)[5-9]。文獻(xiàn)[10]針對(duì)低壓配電網(wǎng)提出了基于電話報(bào)修的故障定位方法。文獻(xiàn)[11-14]通過(guò)信息化平臺(tái)對(duì)配電故障搶修實(shí)現(xiàn)流程管控。

　　近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、邊緣計(jì)算技術(shù)正逐步在工業(yè)自動(dòng)化和配電自動(dòng)化領(lǐng)域中得到應(yīng)用[15-21]。本文基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)要求和技術(shù)路線，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套基于邊緣計(jì)算的分布式配電故障處理系統(tǒng)。實(shí)踐應(yīng)用表明，系統(tǒng)可對(duì)低壓配電設(shè)施故障及時(shí)感知、實(shí)時(shí)響應(yīng)，為電網(wǎng)運(yùn)檢部門(mén)低壓配電故障處理提供決策依據(jù)，加快故障處理速度，縮短停電時(shí)間，提升供電可靠性和用戶滿意度。

　　1配電故障處理邊緣計(jì)算架構(gòu)

　　1.1傳統(tǒng)配電自動(dòng)化面臨的挑戰(zhàn)

　　目前電網(wǎng)公司配電自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)主要面向10kV城市配電網(wǎng)。當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，配電自動(dòng)化主站會(huì)根據(jù)采集信息迅速確定故障區(qū)域，自動(dòng)隔離故障區(qū)域，并盡快將非故障區(qū)域客戶轉(zhuǎn)接到其他線路，恢復(fù)供電。主要的感知層設(shè)備來(lái)自FTU、DTU和TTU，通信網(wǎng)絡(luò)為光纖專網(wǎng)或者GPRS/4G等無(wú)線通道。

　　當(dāng)?shù)蛪号潆娤到y(tǒng)設(shè)備需要實(shí)現(xiàn)故障定位、隔離時(shí)，傳統(tǒng)配電自動(dòng)化系統(tǒng)的高成本故障感知技術(shù)、高可靠通信技術(shù)、面向集中式數(shù)據(jù)庫(kù)的技術(shù)架構(gòu)都面臨極大的挑戰(zhàn)。面向海量低壓配電設(shè)施的數(shù)據(jù)采集和處理，物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算模型無(wú)疑更具有競(jìng)爭(zhēng)力。

　　1.2能源物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算架構(gòu)模型

　　第一種和大多云計(jì)算架構(gòu)相同，是集中式云計(jì)算模型。所有的物聯(lián)網(wǎng)終端把數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳到云平臺(tái)，由云平臺(tái)統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和分析處理。這種架構(gòu)適合對(duì)實(shí)時(shí)響應(yīng)不高的場(chǎng)合，例如抄表應(yīng)用，可以在15min，甚至1h、1天內(nèi)完成抄表即可。云平臺(tái)應(yīng)用大多以離線的聯(lián)機(jī)分析應(yīng)用(OLAP)和統(tǒng)計(jì)分析為主。但是對(duì)于實(shí)時(shí)性要求高的應(yīng)用，上述架構(gòu)顯然不能滿足性能要求。

　　對(duì)于配電故障處理及智能運(yùn)維業(yè)務(wù)，需要實(shí)現(xiàn)配用電設(shè)備實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，通過(guò)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判定故障，并推送報(bào)警。從物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)到云平臺(tái)，再由云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和判斷，推送告警，處理環(huán)節(jié)多，且網(wǎng)絡(luò)存在延時(shí)，實(shí)時(shí)性很難得到保證。第二種則是“邊緣計(jì)算”架構(gòu)模型。

　　在靠近數(shù)據(jù)源的地方部署“邊緣節(jié)點(diǎn)”，由此計(jì)算節(jié)點(diǎn)就地完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和故障分析，把處理后的結(jié)果上送到云平臺(tái)，由云平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一管理和告警推送。這樣，集中式云平臺(tái)的計(jì)算工作被分散地分配到各個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)，通過(guò)分布式計(jì)算實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、快速、高效的用戶響應(yīng)。由此可見(jiàn)，對(duì)于低壓故障處理，邊緣計(jì)算是非常適合的解決方案。

　　1.3配電故障處理邊緣計(jì)算架構(gòu)所需解決的主要問(wèn)題

　　具體到低壓配電故障處理這一現(xiàn)實(shí)需求，在采用邊緣計(jì)算架構(gòu)時(shí)需要解決以下3個(gè)核心構(gòu)件：1)低成本的、可大規(guī)模部署的低壓故障感知層設(shè)備。2)具備邊緣計(jì)算能力的邊緣節(jié)點(diǎn)設(shè)備。3)支撐海量低壓配電數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)，并可以和邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)控制的云平臺(tái)及應(yīng)用。本文以上述需求為出發(fā)點(diǎn)，給出了系統(tǒng)解決方案。

　　2系統(tǒng)構(gòu)成

　　2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　基于邊緣計(jì)算的分布式配電故障處理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層構(gòu)成，具有典型的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)特征。感知層設(shè)備包括部署在變電站/電纜分支箱/動(dòng)力柜/用戶表箱等分散的低壓配電系統(tǒng)中的故障感知終端和邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)。故障感知終端和邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)都是嵌入式硬件設(shè)備，故障感知終端具有可適配的通信接口，通過(guò)多種通信方式接入邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)。

　　網(wǎng)絡(luò)層包括電力專網(wǎng)(光纖)、物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)(運(yùn)營(yíng)商寬帶)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)(4G)等。邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)適配器經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層接入到平臺(tái)層。平臺(tái)層是部署在商用公有云/私有云體系下的云服務(wù)平臺(tái)，具有完整的IaaS/PaaS平臺(tái)支撐能力。平臺(tái)層部署了用戶管理、權(quán)限管理、日志管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等基礎(chǔ)服務(wù)軟件。應(yīng)用層是在平臺(tái)層上開(kāi)發(fā)部署的和故障處理相關(guān)的應(yīng)用，如模型維護(hù)、故障分析、告警推送、搶修工單、停復(fù)電通知、統(tǒng)計(jì)和輔助決策分析、APP應(yīng)用等軟件。

　　2.2低壓配電故障感知終端

　　現(xiàn)有的低壓配電系統(tǒng)中采用最多的測(cè)量設(shè)備是多功能表或者電度表，這些設(shè)備不具有故障監(jiān)測(cè)的功能，且體積大、可擴(kuò)展性差、安裝不方便。從實(shí)際需求出發(fā)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套適用于低壓配電系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的故障感知終端。

　　裝置采取2P空氣開(kāi)關(guān)尺寸，通過(guò)插接式總線連接，可方便組合安裝，尤其適用于變電站低壓配電抽屜柜、動(dòng)力柜、電纜分支箱等具有多個(gè)低壓回路測(cè)量的場(chǎng)景。裝置可精確采集回路電流、電壓、剩余電流、溫度等數(shù)據(jù)信息，并具備故障監(jiān)測(cè)、分析判斷和故障錄波能力，監(jiān)測(cè)到故障時(shí)可產(chǎn)生故障告警信號(hào)。裝置可通過(guò)ZigBee/LoRa/RS485等多種通信模式和邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)通信。裝置具備儲(chǔ)能模塊，在失去外電源情況下可提供短時(shí)供電，以使裝置在完全失電前能上傳信息到邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)。

　　2.3故障處理邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)

　　在硬件結(jié)構(gòu)上，邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)為一臺(tái)小型嵌入式工控機(jī)，運(yùn)行實(shí)時(shí)Linux操作系統(tǒng)，和故障感知設(shè)備以及云平臺(tái)通信。根據(jù)低壓配電區(qū)域規(guī)模，可選擇不同規(guī)格的硬件平臺(tái)，而軟件系統(tǒng)則完全一致。邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)中存儲(chǔ)了局部配電網(wǎng)絡(luò)模型，部署故障處理應(yīng)用，配置事件處理規(guī)則。

　　邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)會(huì)在收到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)第一時(shí)間進(jìn)行就地?cái)?shù)據(jù)處理、故障監(jiān)測(cè)分析，并將處理后的結(jié)果信息傳輸?shù)皆破脚_(tái)。在這種模式下，可以在毫秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)完成故障分析和告警任務(wù)。邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)具備和云平臺(tái)完全一致的配電網(wǎng)圖模對(duì)象信息模型，并和云平臺(tái)形成數(shù)據(jù)互備機(jī)制。

　　2.4故障處理云平臺(tái)

　　故障處理云平臺(tái)由基礎(chǔ)資源層、數(shù)據(jù)層、基礎(chǔ)服務(wù)層、應(yīng)用服務(wù)層、接入層、展示層構(gòu)成，具有多層(N-tier)結(jié)構(gòu)特征。平臺(tái)支持多租戶架構(gòu)，可以為不同規(guī)模的供電公司和大用戶提供故障處理云服務(wù)能力。針對(duì)不同用戶角色和應(yīng)用場(chǎng)景，開(kāi)發(fā)了客戶端、Web、APP、SNS和大屏幕等多種應(yīng)用軟件。

　　3關(guān)鍵技術(shù)

　　3.1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?/p>

　　低壓配電系統(tǒng)由0.4kV出線、分支箱、進(jìn)戶配電柜、樓層動(dòng)力箱等多級(jí)配電設(shè)備組成，構(gòu)成了輻射狀供電路徑，其結(jié)構(gòu)與10kV城市配電系統(tǒng)的構(gòu)成類(lèi)似。要實(shí)現(xiàn)故障監(jiān)測(cè)和定位，需要建立低壓配電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ汀ＴO(shè)計(jì)采用電網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用成熟的CIM模型，基于電線包(wire)、拓?fù)浒?topology)、測(cè)量包(meas)實(shí)現(xiàn)了多級(jí)低壓配電網(wǎng)絡(luò)模型和測(cè)量配置描述。故障處理云平臺(tái)和邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)共享網(wǎng)絡(luò)模型。在故障處理云平臺(tái)上開(kāi)發(fā)了基于Web的圖形化建模工具，實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)圖模庫(kù)一體化建模。

　　3.2低壓配電故障監(jiān)測(cè)原理

　　低壓配電故障感知終端為一臺(tái)嵌入式智能終端。設(shè)備輸入為監(jiān)測(cè)回路的三相電流、三相電壓信號(hào)，采用頻率跟蹤和同步采樣技術(shù)，模擬量經(jīng)前置低通濾波后，采樣變換為數(shù)字信號(hào)。故障分析計(jì)算采用全波傅里葉算法，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。裝置根據(jù)電流、電壓突變特征判斷是否發(fā)生短路故障。裝置支持故障錄波，錄波報(bào)文包括觸發(fā)時(shí)間和觸發(fā)原因，觸發(fā)原因?yàn)殡妷?電流越限或越限返回。

　　錄波內(nèi)容為各相電壓、電流有效值。故障錄波長(zhǎng)度為故障觸發(fā)前5周波，觸發(fā)后5周波，數(shù)據(jù)密度為4點(diǎn)/周波。啟動(dòng)錄波的電壓越限分4種，包括越上限、越下限、短時(shí)中斷或停電、故障跳閘。裝置可向邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)主動(dòng)上報(bào)遙信量，包括回路帶電/停電、跳閘、電流越限等，也可接收邊緣節(jié)點(diǎn)查詢上傳故障錄波數(shù)據(jù)。

　　3.3邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)分布式協(xié)調(diào)故障處理

　　低壓配電系統(tǒng)按區(qū)域劃分為不同分區(qū)，每一分區(qū)由一個(gè)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)完成局部數(shù)據(jù)采集和故障分析計(jì)算。邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)和云服務(wù)平臺(tái)建立同步機(jī)制，獲取分區(qū)內(nèi)的配電網(wǎng)絡(luò)模型信息，并在本地存儲(chǔ)模型信息。邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)部署了故障定位分析應(yīng)用。實(shí)際運(yùn)行中，邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)獲取故障感知設(shè)備上送的數(shù)據(jù)信息，就地完成拓?fù)鋵?shí)時(shí)分析和故障監(jiān)測(cè)、故障定位分析，把故障處理結(jié)果上送云服務(wù)平臺(tái)。對(duì)于跨區(qū)域的故障定位分析，如越級(jí)跳閘，則由部署在故障處理云平臺(tái)的云節(jié)點(diǎn)匯總分區(qū)上報(bào)信息后進(jìn)行分析判斷。

　　3.4云平臺(tái)海量數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)

　　配電網(wǎng)絡(luò)信息模型涵蓋了關(guān)系型數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)、時(shí)間序列數(shù)據(jù)、文檔型數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)對(duì)象模型。配電故障處理云平臺(tái)設(shè)計(jì)要求支撐市級(jí)乃至省級(jí)低壓配電網(wǎng)信息模型，要具備大規(guī)模配電設(shè)施建模、存儲(chǔ)，并能提供實(shí)時(shí)讀寫(xiě)訪問(wèn)、分析運(yùn)算的能力。項(xiàng)目采用分布式能源模型服務(wù)(distributedenergymodelservice，DEMS)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了海量配電網(wǎng)數(shù)據(jù)管理。

　　DEMS是面向能源互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，以關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)為底層存儲(chǔ)，以C++語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的一個(gè)跨平臺(tái)、分布式能源網(wǎng)數(shù)據(jù)模型管理平臺(tái)。DEMS的核心思想是通過(guò)縱向和橫向分割實(shí)現(xiàn)“分而治之”：1)縱向分割，異構(gòu)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象歸類(lèi)處理。2)橫向分割，海量數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)、分布運(yùn)算。DEMS把能源網(wǎng)信息模型歸類(lèi)為關(guān)系數(shù)據(jù)、文檔數(shù)據(jù)、時(shí)序數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)五大類(lèi)。對(duì)于每一類(lèi)數(shù)據(jù)，DEMS采用邏輯節(jié)點(diǎn)組、邏輯節(jié)點(diǎn)、分層管理。一個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)可以映射到不同的物理存儲(chǔ)設(shè)備上。一份數(shù)據(jù)可以在多個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)組內(nèi)存儲(chǔ)形成備份，DEMS負(fù)責(zé)管理數(shù)據(jù)同步和一致性。DEMS對(duì)外提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問(wèn)API接口。

　　3.5故障處理跟蹤管控

　　配電故障處理系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)到跳閘故障，并成功定位故障后，即刻推送故障分析結(jié)果到運(yùn)檢人員移動(dòng)作業(yè)終端，運(yùn)檢人員及時(shí)啟動(dòng)線下?lián)屝薹��?wù)。系統(tǒng)提供了完整的工單發(fā)送，現(xiàn)場(chǎng)簽到，恢復(fù)供電上報(bào)管控流程。基于流程數(shù)據(jù)可精確分析故障搶修及供電恢復(fù)各環(huán)節(jié)時(shí)間占比，為不斷優(yōu)化搶修流程、提升工作效率提供決策依據(jù)。

　　4工程應(yīng)用實(shí)踐

　　4.1工程情況

　　以合肥高新區(qū)智慧能源“互聯(lián)網(wǎng)+”服務(wù)平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目為契機(jī)，開(kāi)發(fā)并實(shí)施了基于邊緣計(jì)算的分布式配電故障處理系統(tǒng)。針對(duì)高新區(qū)內(nèi)的43座用戶變電站/光伏站實(shí)施自動(dòng)化改造，加裝配電感知終端和邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，基于私有云構(gòu)建了分布式配電故障處理云服務(wù)平臺(tái)。邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)和云服務(wù)平臺(tái)通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)通信。

　　4.2應(yīng)用效果

　　基于邊緣計(jì)算的分布式配電故障處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了配電故障監(jiān)測(cè)、定位、分析、工單、搶修上報(bào)全業(yè)務(wù)流程。低壓配電系統(tǒng)中發(fā)生跳閘故障時(shí)，可第一時(shí)間由邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)感知并及時(shí)處理上報(bào)，可把故障感知和故障定位時(shí)間從小時(shí)級(jí)縮短到秒級(jí)，大大加快了故障搶修速度，縮短用戶停電時(shí)間。

　　5結(jié)語(yǔ)

　　在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)背景下，如何綜合運(yùn)用“大云物移智”等信息通信新技術(shù)，實(shí)時(shí)聯(lián)接電力生產(chǎn)運(yùn)行和消費(fèi)各環(huán)節(jié)的人、機(jī)、物，全面承載并貫通電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)檢部門(mén)提出了更高的要求。

　　針對(duì)低壓配電系統(tǒng)中故障感知缺失、故障處理周期長(zhǎng)的現(xiàn)狀，基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)和指導(dǎo)思想設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了基于邊緣計(jì)算的分布式配電故障處理系統(tǒng)，從感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層給出了系統(tǒng)解決方案。工程實(shí)踐表面，系統(tǒng)可顯著提高低壓配電故障診斷和故障定位水平，加快故障處理速度，提升供電可靠性和用戶滿意度。該系統(tǒng)具有分區(qū)、自治、邊緣故障處理能力，能大規(guī)模應(yīng)用于地市和省級(jí)電網(wǎng)。

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　　電力方向論文投稿刊物：電力系統(tǒng)保護(hù)與控制(半月刊)創(chuàng)刊于1973年，是由國(guó)家電網(wǎng)中電裝備許繼集團(tuán)有限公司主管、國(guó)家電網(wǎng)中電裝備許昌智能電網(wǎng)裝備試驗(yàn)研究院(原許昌繼電器研究所)主辦的全國(guó)性電工技術(shù)類(lèi)科技期刊。