基于HPLC寬帶電力線載波技術(shù)的配電電壓質(zhì)量在線監(jiān)測方法研究

余 敏

(國網(wǎng)四川省電力公司自貢供電公司，四川 自貢 643000)

0 引 言

用電負荷的逐年增加致使部分配電網(wǎng)線路無法滿足當前用電需求。在用電高峰期，仍然存在臺區(qū)及用戶電壓偏低的現(xiàn)象[1-4]?，F(xiàn)有研究表明，臺區(qū)及用戶側(cè)的電壓偏離會顯著影響電流穩(wěn)定性，進而引發(fā)電力火災(zāi)及安全事故[3-4]。因而在電力配電工作中，電壓是衡量電能質(zhì)量的關(guān)鍵指標與影響電力設(shè)備正常工作的核心因素[5]。同時，配變臺區(qū)是供電環(huán)節(jié)的最后節(jié)點，是直接影響用戶供電電壓質(zhì)量的關(guān)鍵。如何加強對臺區(qū)低壓用戶電壓質(zhì)量的監(jiān)測和管理，提升臺區(qū)配電系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性，是供電服務(wù)“最后一公里”問題的核心[6]，對改善用戶體驗、提升供電公司社會形象具有良好的促進作用[7]。

目前，居民電壓質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)主要通過基于配電線路供電區(qū)域分類的典型用戶電壓質(zhì)量監(jiān)測完成，存在著自動化程度不高、覆蓋范圍有限、準確率較低的問題，無法精準監(jiān)測到低電壓用戶，更無法通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析低電壓產(chǎn)生的原因。如何在現(xiàn)有系統(tǒng)上擴大采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)覆蓋范圍，提升數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，對居民配電系統(tǒng)改善及電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行具備重要意義。

智能電表通常裝在產(chǎn)權(quán)分界點處，是供電企業(yè)到電力用戶的終端智能化設(shè)備。同時為了計算線損，智能電表也會裝于配電變壓器的出口側(cè)。智能電表的各項計量數(shù)據(jù)，如用戶側(cè)的電壓、電流、功率等，可通過采集系統(tǒng)實現(xiàn)精準采集，進而完成對臺區(qū)低壓用戶電壓質(zhì)量的監(jiān)測。然而，現(xiàn)有的采集系統(tǒng)下行通信是采用窄帶電力線載波通信技術(shù)，頻率范圍為3～500 kHz，相對較窄的帶寬不僅限制了通信服務(wù)的傳輸速率，且無法保證通信鏈路抗干擾能力，在實際中一次抄表成功率很難突破90%以上[8]，主要用于自動抄表、線損計算等基本功能。HPLC是一種高速寬帶電力線載波通信技術(shù)，頻率范圍為0.5～12 MHz，相比窄帶載波通信速率提升了數(shù)十倍，最高可達1 Mbit/s[9-10]，是目前智能電網(wǎng)、能源管理等應(yīng)用的主要通信手段[11]。寬闊的頻域使得HPLC技術(shù)具備傳輸速率高、實時性強、抗干擾能力優(yōu)異、傳輸可靠率高[12-13]的優(yōu)勢。同時，現(xiàn)有HPLC模塊均配有過零點檢測單元，可以記錄過零點時刻，從而實現(xiàn)模塊的相位識別及臺區(qū)過零周期特征值獲取。隨著用電信息數(shù)據(jù)量的逐漸增加及智能電網(wǎng)對通信實時性要求的不斷提高，HPLC技術(shù)更能適應(yīng)現(xiàn)在及未來的數(shù)據(jù)采集和通信要求[14]。

下面，針對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不足，基于HPLC寬帶電力線載波技術(shù)，提出了一種配電電壓質(zhì)量在線監(jiān)測方案。

1 功能實現(xiàn)準備

1.1 整體架構(gòu)

方案整體架構(gòu)如圖1所示。用電信息采集系統(tǒng)主要由主站、通信信道、采集設(shè)備3部分組成[15]。

圖1 用電信息采集系統(tǒng)架構(gòu)

目前國網(wǎng)四川省電力公司采用的通信方式依托于集中器進行收集、傳遞。首先，集中器通過窄帶電力線載波通信模塊采集智能電表數(shù)據(jù)，而后再通過4G無線公網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送至采集系統(tǒng)主站。針對現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不足，將集中器下行通信模塊和表計通信模塊更換為HPLC寬帶電力線載波模塊，同時將集中器和智能電表更換為滿足Q/GDW 1364—2013及以上功能要求的設(shè)備，通過對集中器、模塊和主站進行高頻采集任務(wù)配置，完成每15 min一次的臺區(qū)側(cè)及用戶側(cè)智能電表的電壓、電流等相關(guān)數(shù)據(jù)采集[16]，進而實現(xiàn)配電電壓質(zhì)量的精準在線監(jiān)測。利用采集到的數(shù)據(jù)，通過建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析模型，還可以實現(xiàn)低電壓產(chǎn)生原因的初步判斷。

1.2 高頻采集任務(wù)配置

高頻采集的數(shù)據(jù)交互方式如圖2所示。2013版的智能電表本身就存儲有每15 min的電壓、電流等凍結(jié)數(shù)據(jù)，智能電表和其STA模塊之間通過DL/T 645—2007或者DL/T 698.45—2017協(xié)議進行通信，STA模塊和集中器的CCO下行模塊之間通過HPLC協(xié)議進行通信，集中器CCO下行模塊和集中器之間通過Q/GDW 1376.2—2013協(xié)議進行通信，多級傳遞將電表的凍結(jié)數(shù)據(jù)傳輸給系統(tǒng)主站。

圖2 高頻采集數(shù)據(jù)交互

為了實現(xiàn)高頻采集，還需要對集中器、模塊、主站進行高頻采集任務(wù)配置。其中，集中器的抄表任務(wù)需要從傳統(tǒng)窄帶模式下的路由主動、集中器主動抄表機制向?qū)拵Ｊ较碌牟l(fā)抄表機制調(diào)整。同時，對集中器和表計的采集任務(wù)進行合理調(diào)度。對集中器而言，需穿插進行短周期任務(wù)和長周期任務(wù)，以避免出現(xiàn)長周期任務(wù)擠占短周期任務(wù)的現(xiàn)象。對表計而言，普通表計采集任務(wù)和重點表計采集任務(wù)也要穿插進行，以避免普通表計擠占重點表計采集任務(wù)，造成短周期任務(wù)或重點表計任務(wù)成功率不高的問題。

在高頻數(shù)據(jù)采集中，STA模塊和CCO模塊沒有特殊的開發(fā)內(nèi)容，實現(xiàn)基本的并發(fā)抄表功能即可。CCO收到集中器的報文后，將其封裝成HPLC協(xié)議幀發(fā)給STA。CCO端需要有一定的數(shù)據(jù)緩存能力，來存儲集中器的連續(xù)多幀下行數(shù)據(jù)。STA收到CCO的HPLC應(yīng)用層協(xié)議后解析，若是并發(fā)抄表幀且含有多個電表協(xié)議報文，則需將多個電表協(xié)議報文解析出來后分別與電表進行通信。STA收到電表的應(yīng)答后進行緩存，當多幀應(yīng)答收集完成或者超時間到期后，組裝成完整的HPLC應(yīng)用層報文回復(fù)給CCO。CCO收到STA的抄表應(yīng)答幀后，將抄讀結(jié)果發(fā)給集中器。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

2.1 低電壓監(jiān)測功能

通過HPLC寬帶載波模塊的高頻采集功能，將智能電表每15 min的電壓、電流等凍結(jié)數(shù)據(jù)采集回主站后，通過主站集中數(shù)據(jù)分析，結(jié)合低壓界定規(guī)范，綜合判斷電表的低電壓狀況。依據(jù)低電壓出現(xiàn)位置，還可以將低電壓現(xiàn)象分為臺區(qū)級低電壓和用戶級低電壓。通過HPLC模塊的相位識別功能，可以判斷低電壓所在的相位，并在系統(tǒng)中進行展示。系統(tǒng)的詳細功能部署界面見圖3、圖4。

圖3 低電壓界面展示

圖4 電壓數(shù)據(jù)展示

2.2 低電壓原因初步判斷

低電壓的產(chǎn)生具備典型的系統(tǒng)性，影響決策變量多且繁雜。其中，造成該現(xiàn)象的主要原因有3種：三相負荷不平衡、供電半徑過長或者線路線徑過小、公用變壓器負載過重。在具體原因判斷上，可結(jié)合本系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)進行初步判斷，再結(jié)合現(xiàn)場運行狀況進行綜合考慮[1]。

1)三相負荷不平衡

在實際工作開展過程中，由于工作人員技術(shù)水平以及現(xiàn)場施工難度等條件的限制，難以實現(xiàn)將單相負荷均勻分布在三相線路上，從而出現(xiàn)三相負荷分布不平衡。三相負荷不平衡會致使各相電壓幅值不相等，電壓偏低相會出現(xiàn)設(shè)備無法正常工作，而電壓偏高相會導(dǎo)致設(shè)備過額運行，可能會影響設(shè)備的使用壽命[1]。

在三相負荷不平衡問題的監(jiān)測上，可在監(jiān)測低電壓的同時同步監(jiān)測三相負荷不平衡情況，通過采集的配電變壓器出口側(cè)量測數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)單相或者兩相低電壓，以及該變壓器的三相電流不平衡度是否持續(xù)2 h大于25%來判斷三相負荷不平衡是否是造成低電壓產(chǎn)生的原因。系統(tǒng)功能的部署界面如圖5所示。

圖5 三相不平衡界面展示

根據(jù)考核電表的平均電流偏差度計算結(jié)果，自動將平均電流偏差度大于10%的相判斷為負荷較重的相位，將平均電流偏差度小于-10%的相判斷為負荷較輕的相位。在系統(tǒng)中可部署一個初步的負荷調(diào)整建議，如圖6所示。

圖6 三相不平衡具體數(shù)據(jù)展示

對于三相負荷不平衡臺區(qū)，可以根據(jù)系統(tǒng)給出的負荷調(diào)整建議，結(jié)合每相用戶的負荷情況，通過均勻分配三相負荷，提高臺區(qū)的電壓質(zhì)量。

2)供電半徑過長或線路線徑過小

部分低壓臺區(qū)網(wǎng)架由于區(qū)域變遷已經(jīng)較為陳舊，在接入新用戶時，未考慮負荷均勻分布的問題，只考慮接入方便，將接入點設(shè)置在線路末端，出現(xiàn)變壓器供電半徑過大的情況。由于線路供電距離較長或者是線路老化，線路末端出現(xiàn)了電壓偏低的情況。同時部分低電壓臺區(qū)線路線徑偏小，導(dǎo)致電壓降低、線損率上升，用電設(shè)備功率下降。

針對這兩種原因，在監(jiān)測低電壓的同時，可以同步監(jiān)測配電變壓器出口側(cè)三相電壓。如果某相電壓正常(≥220 V)但個別末端用戶出現(xiàn)低電壓，則可能是由于供電半徑過長或線路線徑過小導(dǎo)致出現(xiàn)低電壓。針對這種情況，可依據(jù)系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合PMS檔案臺區(qū)低壓線路總長度和使用線徑大小，采用縮短中低壓供電半徑、增加線路補償、更換線徑過小線路或者進行負荷轉(zhuǎn)移的方式來解決。

3)配電變壓器負載過重

若臺區(qū)的負荷增長過快，配電變壓器容量難以滿足臺區(qū)負荷需要，變壓器重載或者過載運行，有可能會導(dǎo)致變壓器低壓側(cè)出現(xiàn)低電壓。

針對這種原因，可以通過監(jiān)測變壓器是否持續(xù)2 h出現(xiàn)負載率大于80%的情況和配電變壓器出口側(cè)的單相或者兩相是否出現(xiàn)低電壓來綜合判斷。對于配電變壓器重過載導(dǎo)致的低電壓，可考慮采用變壓器增容或者對臺區(qū)進行拆分、由多臺配電變壓器并行供電的方式解決。

3 結(jié) 語

前面研究了HPLC寬帶載波技術(shù)在配電電壓質(zhì)量監(jiān)測方面的在線監(jiān)測方案設(shè)計與系統(tǒng)應(yīng)用，解決了以往出現(xiàn)低電壓狀況時無法實現(xiàn)用戶側(cè)電壓精準監(jiān)測的問題。通過更換現(xiàn)有集中器和電表的通信模塊，采用HPLC寬帶載波通信技術(shù)，可以實現(xiàn)每15 min采集一次電表的電壓、電流等數(shù)據(jù)，并傳回系統(tǒng)主站，根據(jù)系統(tǒng)提供的低電壓數(shù)據(jù)，可以精準定位每一戶低電壓用戶，縮短低電壓問題分析治理周期。目前，該功能在四川省自貢市富順縣電力公司得到了推廣應(yīng)用，為富順地區(qū)的低電壓治理提供了數(shù)據(jù)支撐。在下一步的研究中，可打通采集系統(tǒng)與供服系統(tǒng)的接口，通過采集系統(tǒng)將數(shù)據(jù)共享給其他專業(yè)，綜合提升臺區(qū)線損治理、三相不平衡治理、配電變壓器重過載治理的效率。同時，該功能具有進一步優(yōu)化的潛力。通過計算模型的更新與數(shù)據(jù)的擴充，可進一步實現(xiàn)低電壓產(chǎn)生原因的精準分析，為低電壓治理提供數(shù)據(jù)支撐。