“双碳”目标下的低压智能配电台区应用设计

供稿者简介

严由辉，工学硕士。中国智能配电与物联网创新联盟配电通信技术专项工作组组长，青岛鼎信通讯股份有限公司电力通信项目总负责人，参与多项国家及各电力公司相关电力载波通信技术标准和产品标准制定，并组织团队开展多项电力通信技术、芯片、产品和系统解决方案项目的研究与成果应用推广工作。目前主要研究方向为电力通信领域相关载波通信技术、微功率无线技术、电网感知技术等。

李少兴，工程硕士。中国智能配电与物联网创新联盟配标准协同工作组聘用专家，参与多项电力通信技术和产品标准制定。目前主要研究方向为电力物联网、能源互联网及新型电力系统等方案实施。

杜守增，工学硕士。致力于电力载波通信产品嵌入式软件开发以及载波通信应用系统解决方案策划与推广工作。目前主要研究方向为电力通信领域电力线载波通信产品深化应用功能、及载波通信设备嵌入式软件开发等。

引 言：“碳达峰、碳中和”目标下，新型电力系统的建设成为未来相当长一段时间我国电力系统发展的主要目标。新型电力系统的形态势必发生诸多改变，从单向到双向，从集中到分布，从消费者到生产者等等，这些新的改变也汇聚成双碳目标实现的重要组成部分。“双碳”目标的实现，仅靠供给侧减碳是不够的，我国需求侧电能消费占比为 27%，可见需求侧的减碳任务相当艰巨。基于“双碳”目标和用户侧新型电力系统建设方向，本文提出了一种基于电网神经元模块的低压智能配电台区系统设计。该系统通过微电流低压拓扑识别、户内物联、光伏控制和有序充电等技术方案，为“可观、可测、可控”的用户侧新型电力系统建成、分布式光伏接入、清洁能源就地消纳提供系统的解决方案，有效地促进“双碳”目标的实现。

关键词：“双碳”目标；电网神经元模块；微电流低压拓扑识别；光伏控制；有序充电；户内物联

背景

“3060”双碳目标是我国对世界的庄严承诺，在此背景下，对电力需求侧资源的充分利用将发挥关键作用。传统的电力系统中，供需的实时平衡要求主要通过发电侧提供出力的灵活性来达到，是一种发电侧对需求侧波动性的响应；而新型电力系统中，间歇性新能源发电的增加，使得系统对于灵活性资源的需求大幅度提升，对需求侧用电监测、控制和调节能力的要求越来越高，相应的对用户侧电力用电信息采集系统的要求也越来越高。目前国内低压电网建设中，大多数低压配电台区停留在对用户用电数据采集的层面，普遍缺乏低压台区拓扑识别以及全数据、多方位的采集管控手段，更无法有效应对光伏接入、户内物联和电动车有序充电等需求侧业务应用和响应。

随着新型电力系统的建设推进，传统的低压配电台区的建设也向着更安全、更智能、更高效、更开放、更低碳的方向发展。光伏等新能源广泛采用逆变器设备并网以及电动车充电桩的接入，在提高低压配电网电力电子化程度的同时，也加大了运行控制难度，这就要求低压配电台区具备强大的全息感知能力和智能调控能力，在保证新能源足额消纳的同时，能够满足多元化负荷“即插即用”接入需求。低压配电台区的全息感知能力和智能调控能力，关键在于如何实现低压台区的“可观、可测、可控”，而重中之重则是如何实现低压配电网拓扑自动识别。有了低压配电网拓扑图，就可以实现低压配电网络全景数据实时监测和综合管控，通过信息化、数字化技术解决低压配电网消纳和并网服务相关问题，做好发电出力预测、电力平衡、实时调度，确保电网安全稳定运行，加快能源清洁低碳转型和低压配电网向能源互联网升级，助力“碳达峰、碳中和”战略目标落地实施。

系统整体设计框架

（一）设计原则

本系统以电网神经元模块为核心，灵活配备智能断路器、分支检测单元等智能设备，由低压配电台区智能终端构建涵盖“配电房 – 分支箱 – 表箱 –户表”的四级低压台区拓扑图。基于台区智能终端的数据采集、控制功能和边缘计算能力，实现整个台区状况的“可观、可测、可控”，有效支撑新型电力系统低压台区的精益化、数字化、智能化管理，支撑低压配电台区全息感知、分布式能源接入及间歇性负荷有序用电管理。

（二）设计内容

本文介绍的低压智能配电台区系统，由边缘计算智能终端、新型物联电能表、智能断路器、分支数据监测装置 (LTU)、智能蓝牙微断、电网神经元通信模块、温度传感器、光伏发电和并网设备、充电桩和有序控制装置、户内物联终端和智能插座等户内设备以及配套主站平台组成。智能终端通过HPLC 载波或微功率无线等方式与智能断路器 /LTU通信 / 电能表，通过 RS-485 与温湿度传感器等环境采集单元等设备连接；新型物联电能表通过载波/ 蓝牙 /RS-485 与智能微断通信；智能终端可以通过载波 /RS-485/CAN 总线等方式与光伏逆变器 / 有序模组 / 户内物联终端等通信。

在配电房 ( 箱变或 JP 柜 ) 中安装边缘计算智能终端和温湿度 / 烟感 / 水浸等环境采集单元；在配电房总分支出线、分支箱、表箱前安装智能断路器或 LTU 及温度传感器；在智能断路器 /LTU 通信 /电能表配备电网神经元通信模块；表后配备智能微断，控制光伏接入 / 有序充电 / 家庭互联等相关智能设备。可实现：1）低压配电台区拓扑自动识别及全域信息感知；2）停电故障精准抢修；3）分段线损分析及异常定位；4）新能源有序管理；5）智慧家庭户内物联。

图1  智能台区系统

主要设备配置

（一）台区智能终端

台区智能终端作为低压配电台区的核心，具备强大的感知能力和边缘计算能力。可以根据光伏接入、有序用电和户内互联等不同应用场景和需求，灵活调整配置功能模块，为低压用户侧新型电力系统的建设和发展提供强有力的支撑。

（二）电网神经元通信模块

基于物联网和边缘感知概念，创新性地在 HPLC通信模块中增加了微电流发送功能，支撑低压台区拓扑识别的实现。除具备高速通信外，还具备停电上报、时钟治理、错接线报警和窃电研判等增值功能，将传统 HPLC 载波模块发展成功能强大的电网神经元。

（三）智能断路器 / 分支数据监测单元 (LTU)

智能断路器 /LTU 可安装在变压器分支出线、分支箱及表箱处，能够采集线路电压、电流、功率、电能示值、温度等各类信息，并能判断停电故障。智能断路器 /LTU 将采集到的数据或监测到的停电故障以无线或载波方式上传至模组化终端，实现对低压配网数据的实时监测。同时，智能断路器 /LTU可支持整体系统对台区拓扑自动识别、分支线损管控、不平衡度监测、越限事件上报等各类深化应用功能的实现。

（四）智能传感设备

智能传感设备包括温湿度传感器、烟雾传感器、水浸感应传感器、门磁感应开关等，可对台区周围各类环境量进行感知，并以有线或无线的方式与环境采集单元进行通信。

（五）新能源有序管理设备

新能源有序管理设备主要包括逆变器、光伏表、有序充电模组、充电桩和智能断路器等设备，主要用于光伏有序接入和电动车有序充电控制。

（六）户内物联终端和智能插座

户内物联终端通过电力线载波与智能插座及各种智能家电设备内载波模块连接，可实现家居环境内用电器设备物联并进行相关数据传输共享。

方案功能设计

（一）低压配电台区拓扑自动识别及全域信息感知

低压配电台区拓扑自动识别采用微电流拓扑识别技术，该电流信号只在本台变线路上流通，不会跨分支或台区流通，可彻底解决低压配电网“户 -变”、“户 - 箱 - 变”关系不清的问题 ，实现 “变、线、箱、户”拓扑关系的可观可测。基于准确的低压配电台区拓扑图可完成配电房、分支箱、表箱的电气量及环境量等全域信息感知，支撑低压台区精益化、数字化、智能化管理的实现。

1. 低压配电台区拓扑自动识别

图2 低压拓扑自动识别系统图

低压配电网拓扑识别系统图如图 2 所示。典型技术内容，主要包括从上至下三个方面： 

第一，拓扑识别功能智能终端：智能终端发起并管理拓扑识别流程，并生成物理拓扑结果；

第二，智能断路器 /LTU 等分支设备：完成拓扑识别的微电流信号的产生及识别，并完成对低压线路分支节点监测 

最后，电能表端低压拓扑识别电网神经元模块：按照智能终端流程，产生拓扑识别的微电流信号。

2. 全域信息感知

（1）配电房环境监测

台区智能终端通过 RS-485 或无线方式连接变压器桩头温度传感器，实时采集和分析变压器运行数据；同时通过对台区总表、智能开关及环境温湿度传感器设备的接入，实时监测配电房设备的运行工况，保证配电台区安全稳定运行。

（2）各级分支设备数据监测

台区智能终端通过电力线与各级分支出线处的智能断路器或 LTU 相连，实时监控各分支开关节点线路的电压、电流、功率等各类电气量信息，并判断是否有越限、停电等故障的发生；还可实时判断智能断路器的遥信变位状态，并进行相应控制。同时 LTU 还可以通过 RS-485 和无线方式与环境传感器相连，实现对柜体、开关等温度信息的实时监测。

（3）户表数据监测

台区智能终端通过电力线与台区户表相连，通过对普通用户表、光伏表和有序用电计量设备等各类户表的电量、电压、电流和功率等数据的高频采集和检测，实现用电信息采集基本要求外，有效支撑光伏接入控制和充电桩的有序用电。

3. 停电故障精准抢修

台区智能终端实时采集台区总保或分支开关状态，监测到停电后 30 秒内上报事件；用户侧分支箱、表箱或户表停电，可通过智能断路器、表箱监测单元和户表配备的电网神经元模块（待超级电容备电）在 60 秒内上报至主站，根据台区拓扑图快速定位抢修。多级停电故障事件主动上报过程，如图 3 所示。

图3  多级停电故障上报示意图

（三）分段线损分析及异常定位

根据台区拓扑识别关系，通过台区总表、各级分支、表箱及户表的用电数据计算和分析，可准确定位线损异常位置；结合历史线损数据和时间段等信息，可以定位出窃电或新开户等造成线损的原因。基于电网神经元模块的高频采集与相位识别功能，还可实现颗粒度更细精度更高的实时、分相线损分析。

图4 分段线损分析及异常定位

（四）新能源有序管理

图5 新能源有序管理

1. 分布式光伏接入控制

随着分布式光伏大规模开发、高比例并网，并将逐步成为电力供应的主力军。基于电网神经元模块的分布式光伏接入控制，依托成熟的主站系统 + 台区智能终端 + 智能电能表 + 表后断路器的智能感知架构，通过合理的并网标准规范，支撑低压分布式光伏有序接入。基于电网神经元模块的高频采集功能，可实现分布式光伏用户分钟级负荷数据采集监测，全面实现低压分布式光伏全要素“可观、可测、可控”，并利用信息化、数字化技术解决电网消纳和并网服务相关问题，实现发电出力预测、电力平衡、实时调度、确保电网安全稳定运行，进而支撑建立灵活的价格调整机制和电费结算体系，促进清洁能源消纳，支撑低压分布式光伏有序发展。

2. 充电桩有序用电管理

电动汽车充电负荷具有时空随机分布特性，通过收集各充电桩或其他分布式负荷设备的设备参数、运行状态等信息，经载波通信的方式汇聚至台区智能终端。台区智能终端根据台区变压器容量和充电桩负荷，并考虑分时电价影响，通过用电规律分析、动态负荷调整、线路用电平衡及电能质量监测等数据分析和本地边缘计算，生成有序充电方案，下发至充电桩侧有序充电模组实现。在全国统一电力市场交易平台基础上利用“双谷段”，以价格机制引导电动汽车用户积极参与，有效降低电动汽车充电对电网的负面影响，可实现电力削峰填谷降低电动车充电成本。

（五）智慧家庭户内物联

图6 智慧家庭户内物联

随着智能家电的越来越普及以及万物互联的趋势，为电力用户提供电能管理的需求侧响应也越来越迫切。基于电网神经元模块智能台区系统，利用电力载波通信网络实现智能家电物联，结合户内物联终端，用户可实现用能监测、用能分析、用能诊断、用能针对、用能优化等综合展示。可通过可控负荷柔性控制，促进电网供需互动、源网荷储协同，提升电网设备利用率和a安全运行水平；通过价格机制可优化控制用户侧智慧用能，提升社会综合能效、促进新能源的消纳、助力综合能源产业发展；通过用户智慧用能和价值创造服务用户，实现用户用能降本增效。

总结

本文利用台区智能终端的边缘计算功能，基于电网神经元模块、智能断路器 /LTU、环境监测传感器、新能源有序管理设备、家庭互联设备等多类智能设备，形成了一套完整的“可观、可测、可控”低压智能台区系统，可有效支撑低压台区全息感知以及分布式能源 / 间歇性负荷接入的有序用电管理。该系统是新型电力系统在用户侧的具体表现形式和应用落地，不仅是用电采集系统技术的革新，更是国家“碳达峰、碳中和”战略在低压配电领域的体现。