「专家观点」配电网一二次融合技术的现状及发展方向
郑资
长期以来，配电设备生产厂家划分为一次设备和二次设备两大阵营，电网公司采购过程中也经常向不同的厂商分别采购一次设备和二次设备，然后在安装环节中组合使用，但因此存在不少问题：如一二次设备接口不匹配，兼容性、扩展性、互换性差，成套设备安装繁琐；缺乏一二次设备联动测试机制，发生遥信抖动、设备凝露现象，无法满足线损计算需求等；一二次设备厂商责任纠纷，出现故障互相推诿等。此外，在配电自动化建设中，传统成套设备较多采用了电磁式互感器用于测量和取电，但是电磁式互感器因其本身特性，易出现电压 / 电流互感器二次侧存在短路 / 开路安全隐患、取电 PT 铁磁谐振和易被雷击损坏等问题，对成套设备运行寿命及稳定性产生不利影响。为了解决上述在配电网规模化建设改造中增量设备配电自动化覆盖以及一二次设备不匹配等问题，同时实现同期线损管理目标，国家电网于 2016 年提出《配电设备一二次融合技术方案》。一二次融合相关技术的研究、标准化工作的推进、交流传感器的应用，是配电设备标准化、设备小型化、装置集成化与运维智能化的必经之路。
近年来，配电网一二次融合智能柱上开关的相关技术已相对成熟，包括交流传感器技术、固封极柱技术、控制终端技术等技术经过数年来的研究与发展，在多个省、市和地区较大规模试点应用已取得了显著效果在应用范围内，有效提升了配电自动化效果，在保证短路故障研判准确性的基础上，显著提升单相接地故障研判的准确率，并具备线损数据采集、故障录波等功能，在支撑线损精益化管理、就地故障快速处置和智能化运维等方面都取得了较明显的成效。
在运行数量方面，据 EPTC 配电网设备调研报告统计：2019 年国网一二次融合断路器的采购数量为8 万套以上，已超过了传统柱上断路器 5 万余套的数量，一二次融合断路器的采购数量正在稳步提升。随着一二次融合成套设备运行经验的积累，将对于设备品质、新技术应用、运维管理方面的提升，提供有效的数据支持。
标准化方面，由行业内资深专家和业内较有影响力的厂家组成的专委会对此也十分重视，组织一二次融合技术相关的标准的编制工作，并已取得一定成果。其中《配电网10kV及20kV交流传感器技术条件 》、《12kV 智能配电柱上开关通用技术条件》、《12kV 配电智能柱上开关试验技术规范》等团体标准已发布并开始实施，这些标准结合一二次融合技术的现状，对于成套设备采用的交流传感器、整体的技术条件、试验技术规范等做了规范要求，对一二次融合技术的标准化工作具有指导意义。一二次融合智能真空断路器如图 1 所示。
△ 图1 一二次融合智能真空断路器
对于宏力达来说，自 2016 年以来，一二次融合技术一直是宏力达重要的研究方向。宏力达结合自身的技术优势，重点研究一二次深度融合技术难题，并在超低功耗控制终端、一体化固封极柱等技术上取得了突破。2019 年 4 月，中国电力企业联合会在产品鉴定会中鉴定公司开发研制的一二次融合智能真空断路器产品综合性能达到国际先进水平，其中超低功耗控制终端、集交流传感器 / 电容取电 / 真空灭弧室一体化固封极柱达到国际领先水平。
▲ 以高度融合的智能感知技术，实现设备的物联化
通过对一二次融合极柱的研究，将成套设备的各个功能模块的高度集成化，将高精度交流传感器、取电模块、真空灭弧室一体化固封在开关本体的极柱内，集成灭弧、电压电流信号采集、取电于一体，实现一二次深度融合。交流传感器的选用，使成套设备具备更高的采样精度和频度，由此实现对配电网运行状况更多参数、更为精确的监测，为设备的物联化打下坚实的基础。配电物联网架构如图 2 所示。
△ 图2 配电物联网架构
以一二次融智能柱上开关为例，开关本体在融合了传感器后，成为“端层”的状态感知和执行控制主体的终端单元，在馈线终端侧实现“边层”的边缘计算，完成数据的汇集、整理和计算，通过光纤或无线网络发送至平台层，实现配网运行故障分析、设备运维和管理的目标。将感知能力和互联、互通、互操作等功能赋予配电开关设备，建立分布式智能协作的配电物联网体系，实现对配电网的全方位感知、数据融合计算和智能应用。
▲ 将取能技术与低功耗技术相结合，实现高效、稳定取能
在融合技术提升、传感器性能提升、功能明显增加的情况下，保证成套设备的稳定运行也是一项重要工作。性能、功能的提升，也就意味着相对能耗的增加，所以还需要从取能技术和低功耗设计这两方面研究，在供能与功耗之间达到平衡点。
随着取能技术的发展，取能单元从原有的电磁式PT 取电，逐渐向电容取电的方式改变。取能单元的集成方式也出现了从外置独立安装，到在本体外部固定，进而向融合在本体极柱中的趋势演变，但因此产生的局部放电尤其要重点关注，在对应的试验电压下确保局放值在限定范围内。目前针对一二次融合成套设备取电装置的特殊性，相关标准化工作也正在稳步开展中，将对其使用条件、技术要求、结构要求、试验检测等方面进行规范。
在低功耗技术方面，由于一次设备与二次设备的融合程度越来越高，因体积和空间的限制，取电功率一般只能在 1W 至 15W 左右，降低整机功耗将是一个提升运行寿命的有效途径，降低功耗的方法包括：采用低功耗系统的电源电路和低功耗微控制器电路设计及低功耗优化算法。使用低功耗、高转换效率的 DC/DC升降压稳压电路，通过将 CPU 实时调度方法与主流的节能技术手段相结合，进行系统级的低功耗优化，从而进一步降低配电终端的功耗。
▲ 一二次融合成套设备的试验技术研究与应用
以前对于一二次融合智能柱上开关在试验方面的要求，一般都参考高压开关及配电终端各自的试验标准，但没有完善的成套设备标准，给成套设备的检验与整体的技术发展带来局限性。在 2019 年，中国电工技术学会发布了《12kV 配电智能柱上开关试验技术规范》团体标准，填补了这项空白。该试验技术规范相比于传统更加适应配电一二次融合技术的发展和用户的最新要求，对于确保和提升 12kV 配电智能柱上开关的技术性能、丰富和完善其功能具有指导意义。标准中对成套设备的功能及准确度试验、单相接地故障试验等项目的监测方法给出了参考意见，在实际试验应用中，需要相关检测机构、设备厂家对各项试验的检测方法、技术要求进行验证，在通过试验验证设备性能和功能的同时，对试验方法、条件等内容进行优化，使之更加完善。
▲ 一二次融合成套设备的标准化、精益化、智能化工作推进
为了适应配电网“数字化、智能化、网络化”发展的需求，需以坚强灵活的配电一次网架为基础，以一二次融合成套设备的标准化、精益化、智能化为手段，加强自动化装备的应用，健全完善中低压配电网的智能感知体系，实现配电设备状态的全面感知、在线监测、主动预警和智能研判。
根据配电标准化、精益化、智能化的发展趋势，一二次融合成套设备在中压配电网规模将逐渐提升，逐步全面启用馈线自动化功能，将馈线自动化与配网分级保护相结合，最小化的快速隔离故障区。利用一二次深度融合技术发展，融合采集、通信、控制等功能，并结合智能型就地馈线自动化技术，将实现设备的广泛互联、状态的全面感知、决策的快速智能、运维的高效便捷。