CN113410910A - 基于智能融合终端的配电台区监测系统和监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于智能融合终端的配电台区监测系统和监测方法，属于智能电网技术领域，该系统包括：熔断器采集模块，用于采集跌落式熔断器的状态信息；测温传感器，设于所述配电变压器的表面，用于采集所述配电变压器的温度；数据集中器，与所述测温传感器通信连接，用于接收所述测温传感器发送的所述配电变压器的温度信息；智慧开关，设于用户进线配电箱中，用于采集用户线路侧的信息；智能融合终端，与所述配电变压器电连接并采集所述配电变压器的电力信息，所述智能融合终端还分别与所述熔断器采集模块、所述数据集中器和所述智慧开关通信连接，本发明可实现设备的统一管控和监测。

Description

基于智能融合终端的配电台区监测系统和监测方法
技术领域
本发明属于智能电网技术领域，具体涉及基于智能融合终端的配电台区监测系统和监测方法。
背景技术
智能融合终端是智慧物联体系“云管边端”架构的边缘设备，具备信息采集、物联代理及边缘计算功能，支撑营销、配电及新兴业务。采用硬件平台化、功能软件化、结构模块化、软硬件解耦、通信协议自适配设计，满足高性能并发、大容量存储、多采集对象需求，集配电台区供用电信息采集、各采集终端或电能表数据收集、设备状态监测及通讯组网、就地化分析决策、协同计算等功能于一体的智能化融合终端设备。
目前，智能电网是电网未来发展的趋势，它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标，其主要特征包括自愈、激励和保护用户、抵御攻击、提供满足21世纪用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行。低压配电网位于电网的末端，是直接连接输电线和用户供电之间的重要一环，其运行状况直接影响用户体验和供电可靠性，配电台区作为低压配电网重要的一个组成部分，由于其分布广、环境复杂，经常造成较大区域停电甚至更恶劣的情况，故如何设计配电台区的监测系统是智能电网能够实现的关键点之一。
发明内容
本发明提供了基于智能融合终端的配电台区监测系统和监测方法，实现设备的统一管控和监测，以使运检人员可以通过配网自动化专区网站实时感知配电台区及其线路的信息。
为达到上述目的，本发明所述基于智能融合终端的配电台区监测系统，包括：
熔断器采集模块，用于采集跌落式熔断器的状态信息，所述跌落式熔断器与配电变压器电连接；测温传感器，设于所述配电变压器的壳体上，用于采集所述配电变压器的顶部外壳温度；数据集中器，与所述测温传感器通信连接，用于接收所述测温传感器发送的所述配电变压器的温度信息；智慧开关，设于用户进线配电箱中，用于采集用户线路侧的信息；智能融合终端，与所述配电变压器电连接并采集所述配电变压器的电力信息，所述智能融合终端分别与所述熔断器采集模块、所述数据集中器和所述智慧开关通信连接；所述智能融合终端还与配电自动化主站通信连接。
进一步的，智能融合终端包括跌落式熔断器监测装置，所述跌落式熔断器监测装置用于根据所述熔断器采集模块采集的跌落式熔断器的状态信息判断所述跌落式熔断器是否发生故障。
进一步的，测温传感器为无线测温传感器。
进一步的，数据集中器与多个所述测温传感器通信连接，所述数据集中器通过RS485接口与所述智能融合终端连接。
进一步的，智能融合终端包括拓扑识别装置，所述拓扑识别装置用于根据所述智慧开关采集的用户线路侧的信息进行台区拓扑识别。
进一步的，智能融合终端包括配电变压器监测装置，所述配电变压器监测装置用于分别采集所述配电变压器的高、低压侧的电压、电流和功率参数，并进行三相电压和电流不平衡率、电压合格率、三相有功和无功功率和台区变负载率的统计。
基于智能融合终端的配电台区监测方法，包括以下步骤：
S1、采集运行参数，所述运行参数包括：跌落式熔断器的倾斜角度和熔管温度；配电变压器顶部外壳温度；用户用电量、用户端的电压和电流；配电变压器的高、低压出线侧的三相电压、三相电流和功率，配电台区总表日用电量与户表日用电量；
S2、根据S1采集到的运行参数，判断配电网的运行状态，包括：
1)根据跌落式熔断器的倾斜角度和熔管温度，判断熔断器是否发生断开故障；
2)跟据配电台区总表日用电量与户表日用电量计算线损率，
线损率＝(台区总表日用电量-∑(户表日用电量))/台区总表日用电量×100％；
3)根据配电变压器的顶部外壳温度计算配电变压器绕组热点温度，计算公式如下：
Figure BDA0003127027590000031
其中，θre为绕组热点温度，θre.e为绕组热点温度额定值，θd.e为顶部油温额定值，θre.c为绕组热点温度初始值，K为负载系数：为变压器实测三相有功功率与额定功率比值，m为变压器冷却模式取值；θd为配电变压器的顶部外壳温度，τw为绕组温升时间常数，t为时间，e取2.718；
S3、当断熔断器发生断开故障、配电变压器绕组热点温度大于阈值时，向主站发出报警信号。
进一步的，所述S2还包括计算剩余负荷百分比，
Figure BDA0003127027590000032
进一步的，所述S2中，当出现故障时，进行故障点定位：
在电压过零点发送工频电流畸变信号，该电流畸变信号沿供电环路进行传输，智慧开关通过高速模拟采样实时监测电压过零点畸变电流，并将分支、分相上畸变电流信息解码并存储；智能融合终端对智慧开关进行并发抄表，生成台区拓扑关系表，进而生成台区物理逻辑关系拓扑，当某一级发生故障时，根据低压配电线路拓扑关系由下往上追溯到所属配电变压器，生成停电区域。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
本发明所述的装置，针对配变侧，智能融合终端通过分别与配电变压器、熔断器采集模块和数据集中器连接，实现对跌落式熔断器状态信息的实时监测以及配电变压器绕组温度的实时推测，当跌落式熔断器发生故障或配电变压器绕组温度过高时，可及时上报到配电自动化主站，以减少运检人员的时间成本。
针对线路侧，智能融合终端通过与智慧开关连接，终端能通过载波通信模块实现台区户变识别，通过记录每级智慧开关地址，当发生停电故障时可通过获取开关的状态信息，层级上报确定停电区域。可通过采集配电台区总表日用电量与户表日用电量计算台区线损，确定是否出现漏电或窃电情况。运检人员可以通过配网自动化专区网站实时感知配电台区及其线路的信息。
本发明所述的方法，采集熔断器倾斜角度和温度、配电变压器的壳顶温度，实时监测配电网中重要电气设备熔断器和配电变压器的运行状态，当出现故障时，可及时上报。通过在配电变压器壳体上设置的测温传感器来采集顶部外壳温度，并根据顶部外壳温度计算绕组热点温度，克服了油浸式变压器绕组温度难以测量的问题。
进一步的，计算剩余负荷百分比，以此表征变压器还可带负荷量，当值为负值时，表明变压器处于过载情况，需及时采取措施减载，保证配电变压器合理运行。
进一步的，当出现故障时，进行故障点定位，便于运维人员及时处理，保证配电网的运行安全。
附图说明
图1是本发明实施例的基于智能融合终端的配电台区监测系统的原理示意图；
图2是本发明实施例的基于智能融合终端的配电台区监测系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1和图2所示，本发明实施例所提供的是一种基于智能融合终端的配电台区监测系统，其包括：
熔断器采集模块，用于采集跌落式熔断器的状态信息，跌落式熔断器与配电变压器电连接；状态信息包括断开或闭合；
测温传感器，采用弱光性无线测温传感器，设于所述配电变压器的外壳顶部，用于采集所述配电变压器的顶部外壳温度，配电变压器壳体表面安装一个测温传感器；
数据集中器，与测温传感器无线通信连接，用于接收测温传感器发送的所述配电变压器的温度信息，并将接收到的温度信息通过RS485通讯传递至智能融合终端；
用户智慧开关，设于用户进线配电箱中，用于采集用户线路侧的信息，例如用户用电量、用户端的电压和电流，用户智慧开关与分支智慧开关连接；
分支智慧开关，设于分支箱中；
智能融合终端，与配电变压器电连接，并采集所述配电变压器的低压出线侧的三相电压电流；智能融合终端还分别与熔断器采集模块、数据集中器和所述智慧开关通信连接；智能融合终端还与配电自动化主站通过4G公网或专网通信连接。
通过上述方案，针对配变侧，智能融合终端通过分别与配电变压器、熔断器采集模块和温度数据集中器连接，实现对配电变压器高压进线侧跌落式熔断器故障状态，配电变压器的绕组温度及其低压出线侧三相电压电流的监测；针对线路侧，智能融合终端通过与智慧开关连接，实现线路侧的拓扑识别、故障研判、线损分析等功能，以使运检人员可以通过配网自动化专区网站实时感知配电台区及其线路的信息。
其中，熔断器采集模块采集熔断器倾斜角度和熔管温度，当熔断器断开故障发生时，熔断器采集模块将信息传输至智能融合终端。其中，熔断器采集模块与智能融合终端通过短距离无线通信的方式通信连接。熔断器采集模块的技术指标如下：负荷电流：测量误差：≤±10％，测量范围：0-200A。短路电流：测量误差：≤±10％，测量范围：60-2000A。平均功耗：静态功耗：≤60μA。
另外，测温传感器为弱光型无线测温传感器，测温传感器包括弱光取电单元、温度测量单元、电容储能单元、能量采集单元、无线传输单元和控制单元。控制单元分别与所述弱光取电单元、温度测量单元、电容储能单元、能量采集单元、无线传输单元电连接，测温传感器与所述数据集中器采用无线通信的方式通信连接。
测温传感器外壳为耐高温绝缘材料组成，一体化成形，具有体积小、重量轻、防护等级高等优点，并采用磁吸、螺栓、线夹固定在配电变压器上，测温传感器获取配电变压器的温度信息后，通过无线通讯方式将温度信息发送给标准型数据集中器。测温传感器技术指标：长期工作温度-40℃～+85℃，测量温度范围-40℃～+200℃，测温精度±0.5℃，工作寿命10年，防护等级IP65，通信协议Modbus，太阳能电池圆柱形φ30mm；方形35×30mm，功耗：休眠＜0.7μA；工作＜20mA。
其中，数据集中器与一个配电变压器上的一个测温传感器通信连接，数据集中器通过RS485接口与智能融合终端连接，支持通过2G/3G/4G远传至后台监控平台也可以通过串口连接智能融合终端，通过终端将温度数据接入配网自动化系统，并最大支持一年的历史数据。数据集中器技术指标：可以管理现场64个测温传感器，并实时显示接收的温度信息、安装位置等信息；具备2G/3G/4G远程功能；具备RS-485通讯口，通讯规约为Modbus；工作电压AC220V，DC36V-DC375V，整机功耗小于3W，通信协议Modbus，历史数据存储时长1年，存储容量2G。
此外，智能融合终端还包括拓扑识别模块，拓扑识别模块根据记录所述安装于用户侧的智慧开关的地址信息进行台区拓扑识别。智慧开关通过HPLC高速载波与智能融合终端通讯，可识别低压台区用电设备所处逻辑位置，通过拓扑识别装置实现低压配电网的拓扑识别，当智慧开关发生故障时，能够并快速精确的定位故障点，提高台区精益化管理和供电服务水平，支撑配电物联网建设的快速落地，可接入国网物联管理平台。智慧开关跟智能融合终端采用宽带载波方式通讯：工作带宽2-12MHz，通信速率不大于10Mbps。
另外，智能融合终端可通过与配电变压器直接电气连接。通过分别采集所述配电变压器的高、低压侧的电压、电流和功率参数，并进行三相电压和电流不平衡率、电压合格率、三相有功和无功功率、台区变负载率的统计。具体的，智能融合终端采集配变高、低压侧电压/电流/功率等参数，智能融合终端包括交采APP、三相不平衡APP和剩余电流动作保护器APP等可实时监测电压三相不平衡状态、各节点剩余电流等参量，统一收集低压台区各类设备的状态信息，与配电自动化主站进行物联网通信。
一种基于上述智能融合终端的配电台区监测系统的监测方法，包括以下步骤：
S1、采集运行参数，所述运行参数包括：
跌落式熔断器的倾斜角度和熔管温度；
配电变压器顶部外壳温度；
用户线路侧的信息，包括用户用电量、用户端的电压和电流；
所述配电变压器的高、低压出线侧的三相电压、三相电流和功率，
所述配电台区总表日用电量与户表日用电量；
S2、根据S1采集到的运行参数，判断配变侧和用户侧的运行状态，包括以下几方面
1)根据跌落式熔断器的倾斜角度和熔管温度，判断熔断器是否发生断开故障，具体方法如下：
判断熔管倾斜角度是否大于门限值：
若熔管倾斜角度小于门限值，则判断为熔管跌落；
若倾斜角度大于门限值，则判断温度是否超出阈值：若温度超出阈值，则判断为熔丝熔断但熔管未跌落，立即报警；否则不报警；
当判断结果为熔丝熔断或熔断器跌落时，产生报警信息并发送至配电主站和移动终端。
其中，角度门限值的取值规则为：为了使熔体熔断时熔管能依靠自身重量迅速跌落，因此，若以水平线作为参考零点，熔断器的安装角度一般为65°(±2°)。门限值设置过大或过小，都可能导致误判，基于常规跌落式熔断器的水平跌落角度为-60°～-80°不等，在此可将门限值设置为-55°，若测量到的倾斜角度小于门限值，则判断为熔管跌落。
2)根据配电变压器的高、低压侧的电压、电流和功率进行三相电压和电流不平衡率、电压合格率、三相有功和无功功率、台区变负载率的统计。
3)跟据采集到的配电台区总表日用电量与户表日用电量进行线损率的计算，计算公式如下：
线损率＝(台区总表日用电量-∑(户表日用电量))/台区总表日用电量×100％
4)出现故障时，进行故障点定位：
台区拓扑识别基于工频畸变通信技术，在电压过零点发送工频电流畸变信号，该电流畸变信号沿供电环路进行传输，智慧开关通过高速模拟采样实时监测电压过零点畸变电流，并将分支、分相上畸变电流信息解码并存储；智能融合终端对智慧开关进行并发抄表，利用碎片融合技术，生成台区拓扑关系表，进而生成台区物理逻辑关系拓扑，当某一级发生故障时，根据低压配电线路拓扑关系由下往上追溯到所属配电变压器，即可生成停电区域。
5)根据配电变压器的顶部外壳温度计算配电变压器绕组热点温度
根据配电变压器的顶部外壳温度，通过建立变压器绕组-顶层变压器油等效热路模型，得到配电变压器绕组热点温度的计算公式如下：
Figure BDA0003127027590000091
其中，θre为绕组热点温度，θre.e为绕组热点温度额定值，θd.e为顶部油温额定值，θre.c为绕组热点温度初始值，K为负载系数：为变压器实测三相有功功率与额定功率比值，m为变压器冷却模式取值，可取0.8；θd为配电变压器的顶部外壳温度，τw为绕组温升时间常数，t为时间，e取2.718。
6)用户用电负荷智能感知
变压器绕组热点计算模型搭建好后，与之配合的变压器负载计算模型采用剩余负荷百分比来表示，即
Figure BDA0003127027590000092
以此表征变压器还可带负荷量。其中，当值为负值时，表明变压器处于过载情况，需及时采取措施减载，保证配电变压器合理运行。
本发明实施例提供一种基于智能融合终端的配电台区监测系统，其以智能融合终端为核心、即插即用和灵活配搭外辅设备，旨在构建涵盖“配变侧—线路侧—用户侧”三级的低压全方位电力物联系统，使得运检人员可以通过电力公司配网自动化专区网站实时感知配电台区及线路的电流、电压、温度、故障信息等状态。针对配变侧，台区智能融合终端连接先进物联网传感器，实现配变健康监测，连接进线开关、漏保、智能电容器等设备，实现设备统一管控；针对线路侧，融合终端连接智慧开关，实现线路侧拓扑识别、故障研判、线损分析等功能。在配电房(或箱变、JP柜)中安装智能融合终端和数据采集单元；在变压器进线侧安装熔断器采集模块(跌落式熔断器角度传感器)；在变压器表面安装温度传感器；配合智慧开关、剩余电流保护器等外辅智能设备，可实现低压配网全数据采集、监控及预警；通过与配电自动化主站通讯，实现各级停电事件上报；低压台区拓扑自动识别；分支线损及异常定位；可在配电房设置相应的传感器实现配电房环境监测；用户用电负荷智能感知；分布式能源/间歇性大负荷接入的有序用电管理。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于智能融合终端的配电台区监测系统，其特征在于，包括：
熔断器采集模块，用于采集跌落式熔断器的状态信息，所述跌落式熔断器与配电变压器电连接；
测温传感器，设于所述配电变压器的壳体上，用于采集所述配电变压器的顶部外壳温度；
数据集中器，与所述测温传感器通信连接，用于接收所述测温传感器发送的所述配电变压器的温度信息；
智慧开关，设于用户进线配电箱中，用于采集用户线路侧的信息；
智能融合终端，与所述配电变压器电连接并采集所述配电变压器的电力信息，所述智能融合终端分别与所述熔断器采集模块、所述数据集中器和所述智慧开关通信连接；所述智能融合终端还与配电自动化主站通信连接。
2.根据权利要求1所述的基于智能融合终端的配电台区监测系统，其特征在于，所述智能融合终端包括跌落式熔断器监测装置，所述跌落式熔断器监测装置用于根据所述熔断器采集模块采集的跌落式熔断器的状态信息判断所述跌落式熔断器是否发生故障。
3.根据权利要求1所述的基于智能融合终端的配电台区监测系统，其特征在于，所述测温传感器为无线测温传感器。
4.根据权利要求1所述的基于智能融合终端的配电台区监测系统，其特征在于，所述数据集中器与多个所述测温传感器通信连接，所述数据集中器通过RS485接口与所述智能融合终端连接。
5.根据权利要求1所述的基于智能融合终端的配电台区监测系统，其特征在于，所述智能融合终端包括拓扑识别装置，所述拓扑识别装置用于根据所述智慧开关采集的用户线路侧的信息进行台区拓扑识别。
6.根据权利要求1所述的基于智能融合终端的配电台区监测系统，其特征在于，所述智能融合终端包括配电变压器监测装置，所述配电变压器监测装置用于分别采集所述配电变压器的高、低压侧的电压、电流和功率参数，并进行三相电压和电流不平衡率、电压合格率、三相有功和无功功率和台区变负载率的统计。
7.基于智能融合终端的配电台区监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采集运行参数，所述运行参数包括：跌落式熔断器的倾斜角度和熔管温度；配电变压器顶部外壳温度；用户用电量、用户端的电压和电流；配电变压器的高、低压出线侧的三相电压、三相电流和功率，配电台区总表日用电量与户表日用电量；
S2、根据S1采集到的运行参数，判断配电网的运行状态，包括：
1)根据跌落式熔断器的倾斜角度和熔管温度，判断熔断器是否发生断开故障；
2)跟据配电台区总表日用电量与户表日用电量计算线损率，
线损率＝(台区总表日用电量-∑(户表日用电量))/台区总表日用电量×100％；
3)根据配电变压器的顶部外壳温度计算配电变压器绕组热点温度，计算公式如下：
Figure FDA0003127027580000021
其中，θre为绕组热点温度，θre.e为绕组热点温度额定值，θd.e为顶部油温额定值，θre.c为绕组热点温度初始值，K为负载系数：为变压器实测三相有功功率与额定功率比值，m为变压器冷却模式取值；θd为配电变压器的顶部外壳温度，τw为绕组温升时间常数，t为时间，e取2.718；
S3、当断熔断器发生断开故障、配电变压器绕组热点温度大于阈值时，向主站发出报警信号。
8.根据权利要求7所述的基于智能融合终端的配电台区监测方法，其特征在于，所述S2还包括计算剩余负荷百分比，
Figure FDA0003127027580000031
9.根据权利要求7所述的基于智能融合终端的配电台区监测方法，其特征在于，所述S2中，当出现故障时，进行故障点定位：
在电压过零点发送工频电流畸变信号，该电流畸变信号沿供电环路进行传输，智慧开关通过高速模拟采样实时监测电压过零点畸变电流，并将分支、分相上畸变电流信息解码并存储；智能融合终端对智慧开关进行并发抄表，生成台区拓扑关系表，进而生成台区物理逻辑关系拓扑，当某一级发生故障时，根据低压配电线路拓扑关系由下往上追溯到所属配电变压器，生成停电区域。
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