基于数字化融合的用户用电监测与控制的研究及应用

黄天祥 张琰美 张永鑫 刘渝铭 曹先德

摘 要：对电力用户开展用电监测与控制是保证电网安全运行、提高服务水平的有效手段，针对目前用户用电监测与控制存在的不足和缺陷，基于一二次融合网源分界柱上断路器开展用户用电监测与控制方案的研究，柱上断路器本体集成了高精度、多合一电子式传感器，可实现相电压/相电流及零序电压/零序电流的高精度、宽量程采样，实现数字化融合的用户用电监测与控制。

关键词：数字化融合；用户用电监测与控制；一二次融合网源断路器

中图分类号：TP274    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2024）03-0025-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.03.006

0    引言

随着国家“双碳”战略的实施，在能源供给侧有越来越多的分布式电源接入配电网，能源需求侧响应也越来越多样化，对配电网安全、管理、调度等多个方面提出了严峻挑战[1]。为提升含多种分布式电源的用户配电网的安全稳定运行水平，需要在分布式电源公共连接点设置专用的网源分界断路器，以满足网侧和源侧数据采集、监控及分布式电源并离网管理等需求，实现用户的用电监测与控制功能[2-3]。

一二次融合网源分界柱上断路器主要用于10 kV用户与10 kV公网的并离网控制，安装于公共连接点（PCC），目的是提升配电网的安全稳定运行水平，满足网侧和源侧数据采集、监控及分布式电源并离网管理等需求[4]。

如果用户接入10 kV线路时不使用专用的网源分界断路器，而使用常规10 kV用户分界断路器，会存在以下问题：（1）无法监控分布式电源并、离网情况，造成分布式电源无法上送电网，导致客户电量损失，降低新能源消纳水平；（2）电网侧故障跳闸后，分布式电源可能会非计划孤岛运行，导致依据电压判断的馈线自动化策略失效；（3）电网线路停电检修时，分布式电源可能会孤岛运行，向电网侧反向送电，给检修工作及人员安全带来风险；（4）常规10 kV用户分界断路器仅支持单向电流保护，无法区分故障电流来自系统还是分布式电源，可能造成保护误动；（5）无法监控分布式电源注入公共连接点的电能质量，包括三相不平衡度、谐波等，造成整体供电质量降低。

针对以上问题，本文基于一二次融合网源分界柱上断路器开展用户用电监测与控制方案的研究，柱上断路器本体集成了高精度、多合一电子式传感器，可实现相电压、相电流及零序电压、零序电流的高精度、宽量程采样，有效实现用户状态监测、故障处理、电能质量分析、线损监测、并离网管理等功能，实现电网和用户的安全高效互动。

1    面向用户用电监测与控制的网源分界柱上断路器构成

国家电网有限公司《12千伏一二次融合柱上断路器及配电自动化终端（FTU）标准化设计方案（2021版）》已正式发布，配套的《国家电网有限公司一二次融合标准化配电设备技术规范》也随即固化完成。本文研制的断路器基于一二次融合标准化配电设备技术规范进行扩展，考虑用户用电监测与控制，兼顾现有配电网和分布式电源的需求：一是最大程度满足一二次融合标准化设计，采用深度融合固封极柱实现双侧电压采样，满足公共连接点网源两侧数据采集和监控需求；二是一二次接口选用扩展性强的数字式接口，不改变航插及FTU接口的标准定义即可实现新增数据的传输，也便于支持采集数据扩展和未来新增的需求。

数字式一二次融合网源分界柱上断路器由断路器本体、标准化数字式FTU、电源PT及连接电缆等构成，如图1所示。

该方案基于电子式传感器和就地数字化技术打造，其中柱上断路器本体集成了高精度、多合一电子式传感器，可实现相电压、相电流及零序电压、零序电流的高精度、宽量程采样；就地数字化单元ADMU将电子式传感器的高精度采样数据转换成数字信号；中间的8～10 m电缆采用数字信号传输，保证传输过程中不引入任何附加误差；二次部分采用最新标准化数字式FTU，具备状态监测、故障处理、电能质量分析、并离网管理等功能。

2    基于网源分界柱上断路器的用户用电监测与控制方案特点

本文基于网源分界柱上断路器的用户用电监测与控制方案具有以下特点：

（1）标准化、全功能。既满足国网一二次融合标准化的最新要求，具备标准化的全部功能，包括集中/就地型FA、保护、接地故障处理、线损计量功能，配备最新的安全加密、蓝牙通信、GPS/北斗定位及对时、开关特性监测等功能，支持无线、光纤等多种类型的通信；又滿足网源分界断路器的特殊功能需求，包括双侧电压采样、电能质量监测与分析、各类并网保护、高精度录波等特点。

（2）高精度的电能质量监测与分析功能。采用的电子传感器具备精度高、传变特性好、动态范围广、频率响应优的特点，可有效实现谐波、电压波动、闪变等电能质量监测及分析，并具有计量器具型式批准证书（CPA），可作为法定计量器具，现场经过与关口计量装置一年以上并列运行对比，相对误差小于0.5%，确保计量数据可接入供电企业广泛使用的一体化电量与线损监测系统，为线损管控提供一种新的有效手段。

（3）二次回路安全设计。开关与FTU连接电缆简化为8芯设计，所有测量、遥信信号均采用数字量传输，无二次短路、开路风险，方便终端的装置级更换。电源PT二次信号采用2芯航插设计、防呆设计，无接错线及由此引发的风险隐患。

（4）丰富的可扩展性。数字化融合方案采用固定的物理接口进行信号传输，不会因为采样数据的种类、数量、频度变化而改变传输电缆及航插接口的定义，扩展不同的采集功能时只需扩展FT3传输协议即可实现。采用数字化方案可最大限度保持网源分界开关与一二次融合标准化柱上断路器的兼容性和标准化成果，也便于后期标准的检测和标准化的运维。

3    应用效果

在新罗区供电公司10 kV××线6号杆安装数字式一二次融合网源分界断路器，如图2所示。利用该断路器开展用户用电监测与控制研究，并从用户用电负荷及设备状态、电量与线损监测两个方面，验证本文基于一二次融合网源分界断路器的用户用电监测与控制方案的有效性。

用户用电负荷及设备状态方面，如图3所示，数字式一二次融合网源分界断路器可以实时采集到电流和功率信息，并上传到供电公司配网数字化监测平台，通过平台直观展示用户的负载情况、有无重过载用户，一旦发现重载或重载迹象，即可提示供电人员超前采取有序用电等控制措施，避免影响电网安全运行和客户安全用电，提高供电可靠性。

用户电量与线损监测方面，如图4所示，用户售电量和线损率等计量数据可接入一体化电量与线损系统，展示用户的电量变化趋势、线损率等信息，一旦发现电量和线损率的异常波动，即可提示用电稽查人员及时深入排查异常原因，及时采取反窃查违等处理措施，避免因电量“跑冒滴漏”造成的经济损失，维护正常的供用电秩序。

4    结束语

针对目前用户用电监测与控制存在的不足和缺陷，本文基于数字式一二次融合网源分界柱上断路器开展了用户用电监测与控制方案研究，具有两个创新点：（1）研制新型开关，采用电阻分压和电磁感应方式进行电压和电流测量，整个产品包括三只独立的电子式组合互感器，通过后级配套的带电可插拔电子式互感器数字化单元实现三相电压、电流以及零序电压、电流的测量功能；（2）适用场景多、功能强，有效实现了用户故障处理、电量线损监测、状态监测、并离网管理等多项功能。

[参考文献]

[1] 孙丽华.基于双碳背景的高比例可再生能源电力系统[J].中国科技信息，2023（14）：117-119.

[2] 熊礼.电力负荷控制与监测系统的应用[J].大众用電，2020，35（6）：28.

[3] 钱敏.用户电能质量在线监测研究[D].保定：华北电力大学，2013.

[4] 徐鑫，张祥.智能分界断路器在10 kV线路中的应用[J].大众用电，2022，37（12）：41-42.

收稿日期：2023-10-10

作者简介：黄天祥（1986—），男，福建上杭人，硕士研究生，工程师，研究方向：配网检修。