农网智能配电台区一体化解决方案
孙建华、朱峰等，在2014年《电气技术》杂志增刊上撰文，随着农网智能化建设的进程逐步加快，农村电网改造已经成为社会普遍关注的话题。但是目前农网配电台区的设备配置较低、安装设计简单、应用功能单一、表现形式多样，这种状况已经不能适应农网智能化建设的需要。作为国家电网智能化建设和配套的关键技术之一，智能配电台区系统的建设与实施，能够很好地解决目前农网配电台区中存在的问题，有效地实现智能电网和坚强电网，满足农网智能化发展需要，满足用户对供电能力与质量的要求。
本文从现有农网配电台区存在的问题出发，提出了农网智能配电台区一体化解决方案，介绍该一体化解决方案的设计原则、体系架构及设计方案，并详细阐述了该一体化解决方案各个重要组成部分的结构和功能。
中国农村电网经过大规模农网改造，已具备了一定的基础，但由于历史发展原因以及受服务对象为广大农村用户这一客观因素影响，目前我国农村电网的发展还普遍存在着基础设施投入不足、网架结构不甚合理，科技手段相对落后的特点，整体农村低压电网的发展存在瓶颈，远远无法满足其需求增长速度。
在此背景下，国家电网提出了建设坚强智能电网的目标，而农村电网是中国国家电网的重要组成部分，县城及农村用电量已占全社会用电量的52%以上，且发展速度迅猛，农村电网智能化建设是智能国家电网建设不可缺少的重要环节，农网智能化项目作为跨环节试点工程，主要是开展农村智能配电台区、农网配电自动化、农村用电信息采集系统和农网营配调管理模式优化综合试点建设。
为了全面贯彻建设智能电网“统筹规划、统一标准、试点先行、整体推进”的工作方针，提升农网智能配电台区工程建设规范化和标准化水平，满足农网智能化发展需要和客户对供电能力、供电质量和供电服务的新要求，提高供电能力和供电可靠性，提升运行管理水平和服务能力，农网智能低压配电台区建设已是必然趋势。
1 现有配电台区存在的问题
农村低压配电网是电网的终端，与电力低压用户直接相连。在现有农网配电台区的智能化建设过程中存在诸多问题，主要表现在如下两个方面：
1）配电台区虽然安装了包括配电变压器监测终端、电能表、负荷控制终端、集中抄表器等在内的一种或多种终端设备，但这些台区配置多样、设备分散、功能单一、重复装设，没有一个统一的配电监测装置，就造成设备重复投资、管理混乱等现象。
2）随着社会经济的高速发展，广大电力用户对电能的要求也越来越高，电能质量监测以及治理开始得到重视，但是目前对于电能质量各项指标的测量还处在专门测量阶段，现有监测设备功能单一，实时性差，没有形成对电能质量的长期连续监测，缺乏对配电台区电能质量问题（包括无功、电压、谐波和三相不平衡等）的有效监控与治理。
3）在需求侧信息管理领域，存在着电能量采集与计费系统、配变监测系统、负荷管理系统等多个系统并存的格局，造成资源浪费、功能重叠、应用效率低下。
要使农网配电台区达到信息化、自动化、互动化（“三化”）的要求，实现台区智能化自管理、经济可靠运行，就亟需建立一套完整的多功能于一体的农网低压配电智能台区一体化解决方案来解决当前农网智能化建设中面临的问题，提升农网智能配电台区工程建设规范化和标准化水平，满足农网智能化发展需要和客户对供电能力、供电质量和供电服务的新要求，提高供电能力和供电可靠性，提升运行管理水平和服务能力。
2 解决方案整体概述
农网智能配电台区一体化解决方案，它是一种适合于农村电网运行环境的可实现农网低压配电台区变压器和用电设备在线监测等重要信息的实时采集，实现配电台区管理、线损在线分析、电能质量监控、供用电情况分析、用电安全实时监测和预警等综合分析管理功能的数字化、智能化台区。
农网智能配电台区一体化解决方案提升了农村电网智能低压配电台区工程建设规范化和标准化水平，满足了农网智能化发展需要和客户对供电能力、供电质量和供电服务的新要求，提高了农村电网的供电能力和供电可靠性，提升了农村电网运行管理水平和服务能力。
3 设计原则
农网智能配电台区一体化解决方案的总体设计原则是以农网配电、用电需求为引导，实现一体化解决方案对农网配电、用电等设备的全面覆盖和用户侧用电信息的全面采集，尤其针对低压台区变压器的运行管理和台区用电数据采集的应用，坚持标准统一，注重实用，力求方案切实可行。
（1）节约化和标准化原则
根据国家电网公司农电部提出的“集团化运作、集约化发展、精益化管理和标准化建设”的经营管理要求，统一规范平台设计，提高标准化建设水平，降低平台建设成本，促进平台建设进度。
（2）普遍性与典型性相结合原则
根据目前农网低压台区配电、用电综合管理系统建设的调研情况，需求分析情况，提出适用于农村电网运行环境的建设模式。
（3）先进与实用相结合原则
系统采用分布式多层架构设计技术，保持技术领先，适合发展需要；以切实服务于配电、用电管理和客户服务的各项业务需求为基准，有机结合配电台区、配电线路、用户需求侧和调度自动化等具体业务功能的要求。
4 体系架构
农网智能配电台区一体化解决方案主要由现场设备和监测终端、通信专用网络和农网智能化低压配电管理系统三个部分组成。从体系架构上讲，农网智能配电台区一体化解决方案采用分层分布式系统架构，方便用户的管理和维护工作，自下而上，系统体系架构共分为三层：台区设备层、网络通讯层和主站系统层。
图1 体系构架图
（1）台区设备层
台区设备层主要涉及配电台区监测终端和智能低压配电箱。智能低压配电箱完成对台区所有设备运行工况、数据信息的实时采集、存储和传输。配电台区监测终端用于接收多个智能仪表或装置的数据汇总通过光纤通讯网或者无线公网将数据传输到主站系统层。
（2）网络通讯层
网络通讯层是指完成台区设备层与主站系统层通讯所涉及的通信专用网络，该网络或是光纤通信网或是无线公网。
（3）主站系统层
主站系统层是农网智能配电台区一体化解决方案的最高管理层，即农网智能低压配电管理主站系统，它通过数字配电设备将台区的配电信息和用户侧用电信息等进行采集、监控和分析，使低压台区实现精细化管理。该系统包括硬件平台和软件管理终端组成，硬件配置了数据库服务器、WEB服务器、数据采集服务器、历史数据服务器和前置服务器等。数据库服务器、WEB服务器等均采用高性能计算机，软件管理终端采用专业的后台监控组态软件。
5 设计方案
5.1 台区监测终端设计
在农网智能配电台区一体化解决方案的建设中，配电台区监测终端作为台区设备层的主要设备，主要用于实现一体化解决方案的通信功能，对设备层采集的数据在设备层与主站系统层之间进行管理和双向传输，主要有无线GPRS通信和有线RS-485通信。其中有线通信为低压开关、计量装置等与监测终端的RS-485通信，无线GPRS通信为主站系统与配电台区监测终端间的GPRS通信。
5.2 智能低压配电箱设计
智能低压配电箱在设计上按照电气接线要求将低压开关设备、计量和测量装置、智能配变终端、保护电器和辅助设备组装在封闭箱体中，是集计量、测量、控制、保护、无功补偿和滤波等多功能于一体的集成型设备。
5.3 主站系统设计
农网智能低压配电管理主站系统为整个系统的控制管理中心，通过GPRS通道或有线网控制设备层的设备，包括安装在智能台区的终端装置，采集和传输台区监测数据，实现各种控制功能。主站后台组态软件把台区分析与管理系统、调度自动化系统集成为一个体系结构优、平台统一、信息共享、高效灵活的信息管理系统。
5.3.1系统架构
农网智能低压配电管理主站系统采用分层分布式系统架构，自下而上，系统架构共分为五层：底层硬件层、操作系统层、集成总线层、数据总线层、公共服务层和应用层。其中集成总线层、数据总线层、公共服务层共同构成农网智能低压配电管理主站系统支撑平台，该支撑平台是整个主站系统的核心，为各应用子系统提供统一的系统运行管理、数据访问、模块间通信、图形界面、权限管理、告警处理等公共服务，使各应用只需专注于各自业务逻辑的实现。主站系统的体系架构如图所示：
图2 系统构架图
5.3.2系统功能
（1）配电台区管理功能
配电台区管理是对配电变压器（含公变、专变）信息进行采集、处理和实时监控的系统，实现台区信息监测、集中抄表、电能质量监控、漏电保护监测管理、低压线损分析、台区异常运行报警、配变环境监测、台区信息互动等功能。
1）台区信息监测：对台区的模拟量（台区电压、电流、有功无功功率等）、数字量（台区总电能示值、总电能量等）、状态量（开关状态、配电监测终端工况信息等）和环境信息（温湿度变压器油温等）进行监测，管理并保存上述监测采集的数据，提供时间区间、数据类型等方式的查询。
2）电能质量监控：实时监测配电变压器台区变压器的频率情况、线路电压状况、谐波电流电压情况、三相不平衡度、监测终端运行状况、漏电保护器运行状况、无功补偿投切状况，并以图形方式实时显示选择监测的台区各项情况。
3）台区异常报警：对台区的电流越限、电压越限、功率因数越限、台区失压防盗、台区缺相等异常情况进行报警提示，并针对这些报警情况进行相应控制操作，控制参数及控制命令下发、开关动作应有操作记录。
4）台区智能经济运行管理：根据业务需要提供面向变压器的控制方式，管理并设置控制策略，并通过向终端下发投入和切除控制命令，实现台区的智能经济运行，控制参数及控制命令下发、开关动作应有操作记录。
5）配变监测分析：根据智能终端采集系统采集来的配变监测数据，进行电压合格率统计分析、日负荷曲线统计分析、配变监测信息日统计、配变监测信息月统计和配变功率因数统计，并可用图形（曲线、棒图、饼图等）展现并可输出报表。
（2）配电线路管理功能
配电线路管理是对配电线路、开关、刀闸等进行信息采集、处理和实时监控，实现对各设备的当前状态、历史趋势分析分析、故障诊断、优化运行、线损分析、供电可靠性统计、模拟调度仿真等功能。
1）开关信息监测：对配电线路开关进行台帐管理和监测，管理并保存智能控制终端的模拟量数据，提供时间区间、数据类型等方式的查询。主要数据包括：柱上开关分/合闸状态、开关电压电流、线路有功功率、开关事故/非事故动作次数统计等。
2）故障隔离与恢复：对配电线路开关状态进行监视，在线路发生故障时，采用先进算法快速故障定位，向相关测控终端发送开关分/合信息，隔离故障。故障排除后，遥控相关测控终端恢复线路运行。
3）优化运行：根据业务需要提供面向线路分段开关、负荷开关的控制方式，管理并设置控制策略，并通过向终端下发投入和切除控制命令，实现配电线路的智能经济运行，控制参数及控制命令下发、开关动作有操作记录。
4）供电可靠性统计：记录各线路、开关发生故障、停电的时刻及时间段，进行线路、开关供电可靠性分析。
5）网损分析及防窃电：通过对分界开关测控终端采集的线路分支功率进行实时监控，与线路各关口表计数进行比照，可及时发现较大缺口并立刻报警，同时供电管理部门可根据报警信息对相应的分支线路进行巡查，及时制止窃电行为，从而减少损失、降低危害。
（3）用电侧需求管理功能
1）用户负荷管理：主要包括预付费控制即根据用户的缴费信息和定时采集的用户电能表数据进行预付费控制管理、重点用户的用电情况跟踪查询分析、功率定值和电量定值和费率定值三个定值控制以及主站的远方遥控功能。
2）有序用电管理：主要包括负荷预测分析功能即分析地区和行业等历史负荷和电能量数据从而找出负荷变化规律来为负荷预测提供支持，以及负荷有序控制功能即根据有序用电方案管理或安全生产管理要求编制限电控制方案，对电力用户的用电负荷进行有序控制并可对重要用户采取保电措施。
3）用能情况分析：主要包括电能质量数据统计分析、线损和变损分析、供电可靠性分析、异常用电分析和节能分析功能等。
（4）调度自动化功能
系统通过对配电网生产过程的实时监测和分析，实现对全网配电过程的优化控制和全网负荷优化调度，达到整个配电网生产系统运行在最佳工况及最小线损的目的。同时具有全配电网完整的生产过程历史/实时数据信息，可作为供电公司信息化网络的可靠生产信息资源；提供运行设备的空间、状态等管理信息。
主要调度自动化功能包括：智能操作票，变电站监控功能、电网分析功能、馈线自动化功能、调度管理功能、配网管理功能和人机交互功能等。
6 结论
农网智能配电台区一体化解决方案配备配电台区设备，从中低压配电网承接部开始，综合配电变压器、低压配电网、大用户和低压居民用电的各种实时运行数据的采集，为供电企业提供了快速、真实、精确地了解各个供电区域和各种电力用户实际的供电情况、电能质量、负荷情况、电量、无功功率等信息的平台。
农网智能配电台区一体化解决方案的实施与建设有效地保证了台区安全稳定运行，降低了台区低压线损，同时使配电台区为农村低压电网智能化、管理科学化、资源节约化起到至关重要的作用。