一种基于物联网的低压配电网末端感知系统及方法与流程

本发明涉及变电配电领域，具体涉及一种基于物联网的低压配电网末端感知系统及方法。

背景技术：

受制于用电信息采集系统计量抄表的设计目标和所具备的技术条件，当前低压配电网运行管理的数据采集范围和实时性不足，在配变运行实时监测、低压电网及其供电设备异常及时上报、末端供电质量等方面仍不能满足低压电网运行管理的要求。

当前低压配电网存在的主要问题包括：

(1)不具备停电实时上报能力的原因有以下几个方面：

①采用电力线载波通信信道，低压用户侧停电，必然低压侧到用户端的供电线路断开，在通信必然也同时中断，电表侧信息失去信道自然无法上报；

②用户侧的电能表、采集器，均无后备电源，在失电时已经不能工作，没有上报的能力；

③rs-485接口电能表，采集器外置，rs485接口属性规定电表不能主动上报数据。

(2)低压配电网台区户变关系基础档案不准确的问题。

目前台区户变关系处理方案有几种：

①通过整个台区停电的方式来判断用户属所台区，易导致供电可靠性下降，且工作量大，不易于实施；

②通过手持设备逐个台区进行户变关系识别，工作量大，现场运行环境如台区切割等更改后需要重新进行户变关系标定，重复测试工作量大；

③利用低压电力线载波方案实现户变关系识别，低压电力线载波过零或者信号品质判断的方法，因低压电力线载波串扰严重，识别准确率不高。

(3)低压配电网数据采集颗粒度难于满足业务需求

基于窄带电力线载波或微功率无线通信的用电信息采集终端，目前主要实现台区下全部用户的日电量采集，仅支持20个重点用户的负荷曲线采集，基于宽带载波实现台区下全部用户的60分钟数据采集。低压配网大数据分析和挖掘的最大瓶颈为数据的高频度、全覆盖和同步采集。为了能够对末端电网的供电质量、用电特性、用电故障等做大数据分析和挖掘，需要对台区分支箱以及所有用户的电压、电流、有功功率、无功功率、电能示值等数据进行高频采集，并能够保证采集系统获取高频采集数据的完整率不低于99％。

综上所述，针对低压配电网现有采集方案难于支撑国家电网公司深化应用与全景感知的业务需求。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于物联网的低压配电网末端感知系统及方法，实现低压配电网各级低压开关状态监测以及电能量数据同步采集，实现低压用户停电主动上报、台区拓扑自动识别等功能应用，全面实现对低压配变网运行状态的智能全景感知与准实时监测。

本发明采用以下技术方案：

一种基于物联网的低压配电网末端感知系统，其特征在于，包括台区智能感知终端、分支箱监测单元、表箱监测单元和用户电源监测模块；所述台区智能感知终端可分别与分支箱监测单元、表箱监测单元通信连接，用于向分支箱监测单元和表箱监测单元发送物理拓扑识别启动通知，并获取识别结果、低压配电网各线路运行状态数据和用户电能表数据；所述表箱监测单元与用户电源监测模块连接，用于获取用户开关状态。

进一步地，所述台区智能感知终端包括：4g通信模块，第一三相交流采样模块、第一高速电力线载波模块、第一微功率无线模块和第一物理拓扑识别模块；

所述4g通信模块与主站系统通信；

所述第一三相交流采样模块通过计量电流互感器采集电流信号，通过电源线连接电压信号；

所述第一高速电力线载波模块和一微功率无线模块实现与分支箱监测单元、表箱监测单元通过高速电力线载波和微功率无线双模信道通信；

所述第一物理拓扑识别模块通过电源线连接电压信号。

进一步地，所述台区智能感知终端通过高速电力线载波通信信道采用点名方式逐一通知所辖分支箱监测单元和表箱监测单元发送拓扑识别特征信号；通过高速电力线载波通信信道周期采集分支箱监测单元和表箱监测单元的各线路运行状态数据和用户电能表数据；通过高速电力线载波和微功率无线通信信道获取分支箱监测单元、表箱监测单元异常事件上报信息。

进一步地，所述分支箱监测单元包括：第二高速电力线载波模块、第二微功率无线模块、第二物理拓扑识别模块、第一物理拓扑发射模块和第二三相交流采样模块；

所述第二高速电力线载波模块和第二微功率无线模块分别通过高速电力线载波和微功率无线通信信道上报异常事件至台区智能感知终端；

所述第二物理拓扑识别模块接收台区感知终端查询识别结果的命令，回复当前拓扑识别结果；

所述第一物理拓扑发射模块接收台区智能感知终端的拓扑识别命令，发送识别特征信号；

所述第二三相交流采样模块通过开口式ct套在负荷开关出线处采集电流信号，通过电源线连接电压信号。

进一步地，所述表箱监测单元包括：第三高速电力线载波模块、第三微功率无线模块、第二物理拓扑发射模块和第三三相交流采样模块；

所述第三高速电力线载波模块和第三微功率无线模块分别通过高速电力线载波和微功率无线通信信道上报异常事件至台区智能感知终端；

所述第二物理拓扑发射模块接收台区智能感知终端的拓扑识别命令，发送识别特征信号；

所述第三三相交流采样模块模块通过开口式ct套在负荷开关出线处采集电流信号，通过电源线连接电压信号。

进一步地，所述用户电源监测模块通过电源线与用户开关出线侧的l端子连接，通过rs-485与表箱监测单元连接；所述用户电源监测模块实时监测用户开关状态，实时响应表箱监测单元查询开关状态结果。

本发明还提供了一种基于物联网的低压配电网末端感知方法，利用权利要求1-6所述的基于物联网的低压配电网末端感知系统，其特征在于，

台区智能感知终端上电，通过高速电力线载波信道与分支箱监测单元、表箱监测单元建立网络链接，获取路由信息、各线路分路信息、分支箱监测单元信息、表箱监测单元信息以及电能表档案信息；

台区智能感知终端根据获取的路由节点信息，逐一召测采集设备版本信息，对分支箱监测单元和表箱监测单元进行属性标定；

台区智能感知终端物理拓扑识别启动，通过集中调度方式分别对分支箱监测单元和表箱监测单元发送启动识别通知；通过高速电力线载波信道获取各分支箱监测单元以及台区智能感知终端的识别结果，剔除非本台区的分支箱监测单元、表箱监测单元及其所辖；

进一步地，所述方法还包括：

台区智能感知终端周期获取分支箱监测单元和表箱监测单元的以及用户电能表的运行参数，通过4g通信模块主动上报至主站系统；

当台区所辖设备检测到异常状态时，通过高速电力线载波信道或微功率无线信道上报至台区智能感知终端，台区智能感知终端通过4g通信模块主动上报至主站系统。

进一步地，所述物理拓扑识别启动条件包括但不限于：(1)自组网自维护后台区设备路由信息发生变化时触发启动；(2)预设周期启动；(3)通过命令方式或者显示按键方式触发启动。

本发明的有益效果是：

1.构建了基于物联网的低压配电网末端电网感知系统，丰富了现有用电信息采集系统功能。

2.具备了“变—线—户”多层级的物理拓扑在线辨识功能，为精益化线损分析等深化业务扩展应用提供技术保障与支撑。

3.具备了各线路运行状态参数与用户电能表运行数据的周期数据同步采集，提高了数据采集的颗粒度，为大数据分析提供了可靠的数据保障。

4.具备了停电事件等设备运行状态的异常事件实时报告功能，实现了低压配电网的运行状态实时感知，为公司为客户提供主动服务做了技术保障。

5.实现了准实时分段分相线损技术与计量异常辨识功能。

附图说明

图1是本发明的低压配电网末端感知系统架构图；

图2是本发明的台区电网末端物理拓扑结构识别示意图；

图3是本发明配变低压侧出线开关跳闸上报过程示意图。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

本发明涉及基于物联网的低压配电网末端感知系统及方法，如图1所示，所述的基于低压配电网末端感知系统包括：台区智能感知终端、分支箱监测单元、表箱监测单元和用户电源监测模块；所述台区智能感知终端与分支箱监测单元、表箱监测单元之间通过高速电力线载波(hplc)和微功率无线双模通信信道连接，所述表箱监测单元与用户电源监测模块通过rs-485连接，所述台区智能感知终端通过4g通信模块与主站系统通信。

所述台区智能感知终端包括：4g通信模块，三相交流采样模块、高速电力线载波模块(hplc)、微功率无线模块、物理拓扑识别模块；所述台区智能感知终端通过4g通信模块与远方主站通信，通过hplc和微功率无线双模信道与分支箱监测单元、表箱监测单元通信；所述三相交流采样模块通过计量电流互感器采集电流信号，通过电源线连接电压信号；所述物理拓扑识别模块通过电源线连接电压信号；所述台区智能感知终端通过hplc通信信道采用点名方式逐一通知所辖分支箱监测单元和表箱监测单元发送拓扑识别特征信号；所述台区智能感知终端通过hplc通信信道周期采集分支箱监测单元和表箱监测单元的各线路运行状态数据和用户电能表数据；所述台区智能感知终端通过hplc或微功率无线通信信道获取分支箱监测单元、表箱监测单元异常事件上报信息。

所述分支箱监测单元包括：高速电力线载波模块(hplc)、微功率无线模块、物理拓扑识别模块、物理拓扑发射模块、三相交流采样模块；所述三相交流采样模块通过开口式ct套在负荷开关出线处采集电流信号，通过电源线连接电压信号；所述分支箱监测单元收到台区智能感知终端拓扑识别命令时通知物理拓扑发射模块发送识别特征信号；所述分支箱监测单元的物理识别模块收到查询识别结果时回复当前拓扑识别结果；所述分支箱监测单元收到台区感知终端数据召测时回复线路运行状态数据；所述分支箱监测单元自动检测到线路异常时通过hplc或者微功率无线通信信道上报异常事件至台区智能感知终端。

所述表箱监测单元包括：高速电力线载波模块(hplc)、微功率无线模块、物理拓扑发射模块、三相交流采样模块；所述三相交流采样模块通过开口式ct套在负荷开关出线处采集电流信号，通过电源线连接电压信号；所述表箱监测单元收到台区智能感知终端拓扑识别命令时通知物理拓扑发射模块发送识别特征信号；所述表箱监测单元收到台区感知终端数据召测时回复线路运行状态数据以及用户电能表运行数据；所述表箱监测单元自动检测到线路异常时通过hplc或者微功率无线通信信道上报异常事件至台区智能感知终端。

所述用户电源监测模块，通过电源线与用户开关出线侧的l端子连接，通过rs-485与表箱监测单元连接；所述用户电源监测模块实时监测用户开关状态，实时响应表箱监测单元查询开关状态结果。

所述基于物联网的低压配电网末端感知方法包括：

台区智能感知终端、分支箱监测单元、表箱监测单元等，分别在配变低压侧总开关出线、分支箱出线及表箱出线等处安装后，台区智能感知终端通过hplc和微功率无线双模的本地通信信道自组网自维护获取路由信息以及相关的基础档案，然后自动触发物理拓扑识别，通过点名方式按照分支箱监测单元、表箱监测单元依次通知其发送拓扑识别特征信号，并通过hplc获取各分支箱监测单元以及台区智能感知终端的识别结果，并自动剔除非本台区的分支箱监测单元、表箱监测单元及其所辖，从而获得准确的“变—线—户”拓扑关系。台区智能感知终端按照5分钟、15分钟周期分别通过hplc通信信道获取分支箱监测单元和表箱监测单元的5分钟线路电压、电流、功率、电能示值等运行参数以及用户电能表15分钟的电压、电流、功率、电能示值等运行参数，并通过4g通信模块主动上报至主站系统。当台区所辖设备自动检测到线路状态、设备状态(例如停电)等异常状态时，监测单元(分支箱监测单元、表箱监测单元)通过hplc或微功率无线信道上报至台区智能感知终端，台区智能感知终端通过4g通信模块主动上报至主站系统。

如图2所示，所述台区智能感知终端拓扑识别过程为：

(1)台区智能感知终端上电启动自组网自维护，通过高速电力线载波信道与分支箱监测单元、表箱监测单元建立网络链接，获取各线路分路信息、分支箱监测单元信息、表箱监测单元信息以及电能表档案信息，为拓扑识别准备了网络路由信息；

(2)台区感知终端根据获取的路由节点信息，逐一召测采集设备版本信息，对分支箱监测单元和表箱监测单元进行属性标定；

(3)台区感知终端通过集中调度方式分别对分支箱监测单元和表箱监测单元发送启动识别通知。台区智能感知终端先通过点名方式依次通知分支箱监测单元(同一时刻只有一台设备发送特征信号)发送拓扑识别特征信号，然后台区感知终端通过命令方式遍历查询每台分支箱监测单元本次识别结果，并从台区感知终端识别模块中也获取本次识别结果，逐台通知分支箱监测单元识别结束后，台区智能感知终端采用同样方式依次采用命令方式通知表箱监测单元发送拓扑识别特征信息，台区感知终端通过命令方式遍历查询每台分支箱监测单元本次识别结果，并从台区感知终端识别模块中也获取本次识别结果，逐台通知表箱监测单元识别结束后获取所有识别结果，构建低压配电网完整的“变—线—户”多层级物理拓扑关系。

所述台区智能感知终端周期(5分钟、15分钟)采集各线路运行状态参数与用户电能表运行数据过程与自动任务与停电事件上报(如图3所示)过程为：

(1)台区智能感知终端根据终端时钟自动判断5分钟或者15分钟周期采集任务是否满足条件，满足条件时自动启动数据采集任务；

(2)台区感知终端采用并发机制通过hplc通信信道同时采集多个监测单元(分支箱监测单元、表箱监测单元)已冻结的数据，并保存至台区智能感知终端对应的存储区域，直至所有线路运行状态数据和用户电能表数据均采集完成；

(3)台区智能感知终端根据自动任务周期，当终端时钟满足自动任务上报条件时，台区智能感知终端自动上报上一周期的电压、电流、功率、电能示值等曲线数据，直至所有数据上报完成。

(4)台区智能感知终端实时监测分支箱监测单元、表箱监测单元的异常事件上报信息，一旦监测到异常事件，及时将相关事件通过4g上行通信信道上报至主站系统。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制。对于所属领域的技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的修改或变形。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。