基于電力載波通信的低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)辨識(shí)方法*

張 磐，高強(qiáng)偉，黃 旭，朱 聰，孫偉卿*

(1.國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津300384；2.國網(wǎng)天津市電力公司城東供電分公司，天津300250；3.上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海200093)

隨著可再生能源的興起，我國的能源逐漸向低碳化、市場化和數(shù)字化發(fā)展。 能源互聯(lián)網(wǎng)擺脫了傳統(tǒng)能源產(chǎn)業(yè)間供需的約束，實(shí)現(xiàn)能源、信息、價(jià)值之間跨界交換，可以有效解決現(xiàn)階段能源綜合使用效率低、清潔能源消納能力差、供需互動(dòng)不足等問題[1-2]。

能源互聯(lián)網(wǎng)以電力為核心，建立在智能電網(wǎng)建設(shè)的基礎(chǔ)上。 然而，某些老城區(qū)特別是老舊小區(qū)，配電臺(tái)區(qū)戶變關(guān)系混亂、缺失，嚴(yán)重影響了智能電網(wǎng)建設(shè)進(jìn)程。 未來配電網(wǎng)管理將從傳統(tǒng)粗放式管理逐漸轉(zhuǎn)變成精細(xì)化管理，而實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理需要準(zhǔn)確的臺(tái)區(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[3]。

在電力系統(tǒng)中，臺(tái)區(qū)是指一臺(tái)變壓器的供電區(qū)域，而變壓器與用戶電表之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系被稱為戶變關(guān)系。 目前低壓配網(wǎng)戶變關(guān)系的檢驗(yàn)方法主要分為兩大類。 一是系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別(在線方式)，例如臺(tái)區(qū)停電識(shí)別、基于戶變工頻過零序列相關(guān)性分析、基于戶變歷史停電事件記錄相關(guān)性判別、基于多信息相關(guān)性分析和電壓皮爾遜相關(guān)系數(shù)法等[4-5]。 在線方式識(shí)別的效率高，但是成功率會(huì)受到應(yīng)用場景的限制。 二是人工現(xiàn)場識(shí)別(人工方式)，人工方式主要采用臺(tái)區(qū)識(shí)別儀的方法[6-8]。 目前的臺(tái)區(qū)識(shí)別儀大多采用載波通信法和脈沖電流法。 脈沖電流法指臺(tái)區(qū)識(shí)別裝置通過發(fā)出高頻脈沖信號(hào)來識(shí)別臺(tái)區(qū)用戶，但是此方法需在變壓器出線端安裝電流互感器，在操作上存在安全隱患，且可控制性差。 載波通信法是指臺(tái)區(qū)識(shí)別儀在電力線上發(fā)送載波信號(hào)，由于變壓器感抗較大，高頻載波在傳輸時(shí)不能通過變壓器，因此只能在同臺(tái)區(qū)里傳輸[9]。 但是在實(shí)際應(yīng)用中當(dāng)載波信號(hào)遇到共高壓、共地、共電纜溝串線等情況時(shí)，存在跨變壓器耦合到其他臺(tái)區(qū)的情況，對(duì)臺(tái)區(qū)的識(shí)別結(jié)果造成干擾。

綜上所述，本文采用基于電力載波的戶變識(shí)別方法，發(fā)射端設(shè)備在檢測到電流正向過零時(shí)立即發(fā)送報(bào)文，接收端設(shè)備接收?qǐng)?bào)文并分析比較過零時(shí)間的方式，判斷發(fā)射端設(shè)備的相位及其分支線，完成用戶的相位識(shí)別和臺(tái)區(qū)識(shí)別。

1 技術(shù)原理

電力線載波(Power Line Carrier，PLC)通信是利用低壓配電線作為信息傳輸媒介進(jìn)行語音或數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N特殊通信方式[10]。

我國使用的工頻交流電三相之間的相位差是120°，三相交流電信號(hào)單向過零點(diǎn)的時(shí)間差為T/3。利用這一點(diǎn)，假設(shè)已知A 相的相位，處于B 相或C 相的待測設(shè)備能夠記錄A 相單向(例如正向)過零的時(shí)刻與自身所處相線下一次單向(與A 相對(duì)應(yīng)，正向)過零時(shí)刻的時(shí)間差，就可以識(shí)別所在相線的相位。 本文使用基于載波通信的報(bào)文發(fā)送接收的方法來對(duì)戶變關(guān)系和相位進(jìn)行判別。

1.1 通信協(xié)議

通信報(bào)文是用來確定戶變關(guān)系以及判定相位的關(guān)鍵。 通信報(bào)文具有較為統(tǒng)一的格式，這減少了對(duì)計(jì)時(shí)器的結(jié)果的干擾，并且方便了本文戶變識(shí)別與電力相位識(shí)別的實(shí)現(xiàn)。

通信報(bào)文分成6 個(gè)部分:同步頭、報(bào)文長度、發(fā)送端地址、發(fā)送端相位、報(bào)文校驗(yàn)和結(jié)束符，各個(gè)部分的大小如圖1 所示。 同步頭表示有效報(bào)文開始，識(shí)別到同步頭后處理器模塊便讓計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)；報(bào)文長度指發(fā)送端地址至結(jié)束符中間所有字節(jié)數(shù)之和；發(fā)送端地址以及發(fā)送端相位用來判斷待測端所屬的分支線以及相位；報(bào)文校驗(yàn)的內(nèi)容是對(duì)發(fā)送端地址與發(fā)送端相位加起來的5 個(gè)字節(jié)通過異或運(yùn)算后獲得的結(jié)果。 接收端的處理器模塊識(shí)別到結(jié)束符后將之前接收到的字節(jié)重新進(jìn)行報(bào)文檢驗(yàn)，得到的結(jié)果若與之前接收到的報(bào)文校驗(yàn)相同則可以判定接收到正確的報(bào)文內(nèi)容，隨后進(jìn)入到相位識(shí)別的步驟。這種形式構(gòu)成，明確了各部分的職能，有效減少了其他信號(hào)的干擾，提高了接收?qǐng)?bào)文的準(zhǔn)確性。

圖1 報(bào)文組成

1.2 發(fā)送/接收端硬件組成

發(fā)送端與接收端內(nèi)部結(jié)構(gòu)相似，均含有處理器模塊、載波通信模塊、單向過零檢測電路模塊、計(jì)時(shí)模塊等部分，如圖2 所示。

圖2 發(fā)送接收端模塊構(gòu)成

各個(gè)模塊功能如下:

(1)系統(tǒng)電源。 電源電壓為220 V，額定頻率為50 Hz。

(2)計(jì)時(shí)模塊。 當(dāng)已知相位的電流正向過零，發(fā)送端開始發(fā)送報(bào)文，接收端識(shí)別到同步頭后計(jì)時(shí)器便立刻開始計(jì)時(shí)；當(dāng)接收端確認(rèn)收到完整正確的報(bào)文后，計(jì)時(shí)器收到處理器模塊的命令停止計(jì)時(shí)，同時(shí)把開始與結(jié)束的時(shí)刻上傳到處理器模塊上，以此得到時(shí)間差。 計(jì)時(shí)精度為0.1 ms。

(3)處理器模塊。 處理器處理的內(nèi)容具有多樣性。 一方面，處理器需要對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的分析，過濾掉無效數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)的計(jì)算。 同時(shí)處理器還需要處理過零檢測模塊的過零信息和控制載波的發(fā)送等內(nèi)容[11]。 這里選用AVR 單片機(jī)，內(nèi)嵌長壽命EEPROM 能長期保存關(guān)鍵數(shù)據(jù)，避免斷電丟失。 片內(nèi)大容量RAM 滿足一般場合使用的同時(shí)，能更有效地支持高級(jí)語言開發(fā)系統(tǒng)程序。

(4)單方向過零檢測模塊。 單方向過零檢測指一個(gè)周期中，只選取電流信號(hào)的一個(gè)過零點(diǎn)來獲知相位信息。 當(dāng)正弦信號(hào)在過零點(diǎn)時(shí)，其導(dǎo)數(shù)可以取到極大值，能夠有效保證相位測量的準(zhǔn)確度[12]。 要求延遲時(shí)間小于0.5 μs。

(5)載波通信模塊。 載波調(diào)制的基本原理是:在發(fā)送時(shí)，先把數(shù)字信號(hào)設(shè)置成高頻信號(hào)，通過功率放大后耦合到電力線上，隨后通過電力線路傳輸?shù)浇邮斩?，接收端中的耦合電路將高頻信號(hào)接收，最后由解調(diào)電路將其還原為數(shù)字信號(hào)[13]。 如圖3 所示，載波通信模塊可以分為以下幾個(gè)部分[14]:

①信號(hào)耦合電路。 將需要發(fā)送的信號(hào)耦合到電力線路上，或從電力線上接收信號(hào)，將強(qiáng)電與弱電部分分隔開；

②帶通濾波電路。 消除有效信號(hào)頻帶之外的干擾；

③信號(hào)發(fā)送電路。 把待發(fā)送的信號(hào)放大到合適的功率；

④載波處理芯片。 用于調(diào)制和解調(diào)信號(hào)，并對(duì)數(shù)據(jù)幀做進(jìn)一步處理，如通信幀識(shí)別轉(zhuǎn)發(fā)；

⑤路由處理芯片。 用于管理和維護(hù)路由信息。

此處選用UT-6204-PLC 電力載波通信模塊，波特率默認(rèn)115 200 bit/s。

圖3 載波模塊原理框圖

1.3 現(xiàn)場臺(tái)區(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

現(xiàn)有的用電信息采集終端對(duì)于上文所述的發(fā)送接收端適用。 現(xiàn)場檢測與采集系統(tǒng)框架如圖4 所示:在配變臺(tái)區(qū)配變側(cè)、分支箱、表箱分別安裝配變終端、分支監(jiān)測單元、末端終端，自動(dòng)識(shí)別變壓器-分支箱-用戶之間關(guān)系，由配變終端將“臺(tái)區(qū)-分支箱-用戶”三級(jí)關(guān)系上傳到用電信息系統(tǒng)，經(jīng)系統(tǒng)自行匹配后將“臺(tái)區(qū)-分支箱-用戶”異常關(guān)系推送到供電服務(wù)指揮系統(tǒng)。 發(fā)送接收端可以便捷地安裝在這些終端上，接著可以用本文提到的方法對(duì)異常和未知的臺(tái)區(qū)進(jìn)行檢測。

圖4 現(xiàn)場檢測與采集系統(tǒng)框圖

2 實(shí)現(xiàn)方法

2.1 發(fā)送端工作流程

發(fā)送端部署在相線和分支線都已知的終端上，通過載波模塊把存有自身相位與地址信息的報(bào)文耦合到電力線上。 當(dāng)發(fā)送端電流單向過零時(shí)報(bào)文開始發(fā)送，持續(xù)時(shí)間為Tm。

因?yàn)殡娏ο辔蛔R(shí)別是動(dòng)態(tài)的過程，所以以TS為周期，當(dāng)和上一次發(fā)送開始的時(shí)間間隔大于TS后，發(fā)送端準(zhǔn)備重新發(fā)送報(bào)文。 此時(shí)處理器模塊控制單向過零檢測模塊檢測下一次單向過零時(shí)間。 記t0為下一次正向過零的時(shí)刻，此時(shí)單向過零檢測模塊停止檢測，處理器模塊控制載波通信模塊重新發(fā)送報(bào)文，同時(shí)計(jì)時(shí)模塊記錄報(bào)文開始與結(jié)束發(fā)送的時(shí)間間隔Tm。

載波通信速率不高，發(fā)送端發(fā)送報(bào)文的持續(xù)時(shí)間Tm遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工頻周期T，Tm＝L/V，L 是報(bào)文的總發(fā)送位數(shù)，V 是載波通信的速率，其中TS＞Tm＞T。

2.2 接收端工作流程

接收端部署在分支線與相位未知仍需判別的終端上。 接收端是利用自身的載波通信模塊來接收電力線上的載波信息，然后處理器將接收到的這些載波信息還原成報(bào)文。 因?yàn)榘l(fā)送端與接收端中間會(huì)發(fā)生跨相耦合，所以即使兩者不處在同一相位，接收端依舊能夠接收到發(fā)送端發(fā)出的報(bào)文。 但與此同時(shí)，跨相耦合也會(huì)對(duì)接收端實(shí)際接收?qǐng)?bào)文的時(shí)間造成干擾。 一般通信距離越短，干擾越大，所造成誤差的也越大，在實(shí)際操作時(shí)需要對(duì)距離進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

為了保證能夠收到電力線上連續(xù)有效的載波數(shù)據(jù)，需要讓接收端的載波通信模塊一直處于接收模式，以此實(shí)現(xiàn)電力相位以及臺(tái)區(qū)分支線的動(dòng)態(tài)識(shí)別。載波通信模塊將接收到的所有有效數(shù)據(jù)送到處理器模塊中。 當(dāng)發(fā)送端的載波開始發(fā)送后，接收端的處理器模塊將從電力線上連續(xù)檢測到的32 位數(shù)據(jù)與同步頭比較，若完全相同，則判定是發(fā)送端發(fā)送出的報(bào)文，隨后通知載波模塊繼續(xù)接收后面的數(shù)據(jù)。 假如與同步頭不一樣，則將其判定為其他干擾信號(hào)。這種方法對(duì)防止誤判，減少干擾，減少對(duì)戶變識(shí)別的影響具有顯著的效果。 然后處理器把所有的有效數(shù)據(jù)合并為字節(jié)，還原出完整的報(bào)文。

接收端的處理器模塊在識(shí)別到報(bào)文的結(jié)束符后，命令計(jì)時(shí)模塊開始計(jì)時(shí)，并且讓單方向過零檢測模塊檢測所處相線下一個(gè)單向過零時(shí)刻。 當(dāng)單向過零檢測模塊檢測到下個(gè)單向過零時(shí)刻后計(jì)時(shí)模塊停止計(jì)時(shí)，并將單向過零時(shí)刻t1發(fā)送至處理器模塊，處理器模塊計(jì)算出接收端收到結(jié)束符時(shí)刻與下一個(gè)單向過零時(shí)刻之間的時(shí)間差TZ。

2.3 相位判別方法

當(dāng)不考慮各個(gè)模塊之間的交互時(shí)間以及信號(hào)傳輸時(shí)間時(shí)，可以近似認(rèn)為發(fā)送端的發(fā)送時(shí)刻為t0＝t1-TZ-Tm，記時(shí)間段Tk＝TZ+Tm，因?yàn)槿嘟涣麟娦盘?hào)單向過零點(diǎn)的時(shí)間差為T/3，因此計(jì)算接收端單向過零點(diǎn)的時(shí)間差ΔT ＝(Tz+Tm)%T，通過計(jì)算后的結(jié)果可以判斷接收端所處相位，公式中的%表示取余。 假設(shè)發(fā)送端位于A 相:假如Tk是工頻電流周期T 的整數(shù)倍(ΔT＝Tk%T≈0)，則判定接收端位于A 相；如果ΔT近似為T/3，則判定接收端位于B 相:如果ΔT 近似為2T/3，則判定接收端位于C 相。

但是實(shí)際操作時(shí)，如果不考慮各個(gè)模塊之間的交互和信號(hào)傳輸時(shí)間，會(huì)對(duì)計(jì)時(shí)結(jié)果產(chǎn)生干擾，對(duì)最后判定結(jié)果產(chǎn)生影響，所以現(xiàn)在把判別點(diǎn)拓展成一個(gè)區(qū)間:當(dāng)0≤ΔT≤T/6 或5T/6≤ΔT≤T，接收端與發(fā)送端同相位；T/6≤ΔT≤T/2，接收端延遲發(fā)送端1 個(gè)相位；T/2≤ΔT≤5T/6，接收端延遲發(fā)送端2 個(gè)相位。 具體流程如下:

(1)根據(jù)自然停上電發(fā)生(例如計(jì)劃停電，故障停電等)事件獲取上電時(shí)間，按時(shí)間歸類獲得準(zhǔn)確的戶變關(guān)系；

(2)采集任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)依據(jù)終端上報(bào)的停上電事件，定期對(duì)臺(tái)區(qū)的停電事件分析，生成搜表任務(wù)，篩選出需要分析的混淆臺(tái)區(qū)；

(3)對(duì)于混淆臺(tái)區(qū)發(fā)送端在電流單向過零時(shí)開始發(fā)送報(bào)文，報(bào)文存儲(chǔ)著發(fā)送端的相位與地址信息，報(bào)文發(fā)送持續(xù)時(shí)間為Tm；

(4)接收端記錄接收到報(bào)文結(jié)束符的時(shí)刻與自身所處相位下一個(gè)單向過零時(shí)刻之間的間隔TZ；

(5)接收端的處理器計(jì)算ΔT ＝(TZ+Tm)%T，通過ΔT 和發(fā)送端的相位進(jìn)行相位識(shí)別，通過地址信息進(jìn)行戶變關(guān)系識(shí)別。

2.4 時(shí)序分析

假設(shè)發(fā)送端位于A 相，如圖5 所示，記t0時(shí)刻A相一次正向過零，此時(shí)發(fā)送端的載波模塊開始發(fā)送報(bào)文，經(jīng)過Tm時(shí)間，報(bào)文發(fā)送結(jié)束。 接收端在待測區(qū)域的A 相識(shí)別到結(jié)束符后過了TZA時(shí)間到達(dá)下一次過零時(shí)刻t1A；待測區(qū)域的B 相識(shí)別到結(jié)束符后過了TZB時(shí)間到達(dá)下一次過零時(shí)刻t1B；待測區(qū)域的C 相識(shí)別到結(jié)束符后過了TZC時(shí)間到達(dá)下一次過零時(shí)刻t1C。

圖5 時(shí)序圖

3 仿真與分析

3.1 模型搭建

為了驗(yàn)證相位識(shí)別方法的可實(shí)現(xiàn)性，現(xiàn)基于PSCAD 進(jìn)行模擬仿真。 其仿真模型如圖6 所示，模擬低壓臺(tái)區(qū)用戶，電壓經(jīng)過三相雙圈變壓器后降低為0.4 kV，從配電變壓器低壓側(cè)開始，往下依次為JP 柜、分支箱、光力柜和用戶電表。 以配電變壓器低壓側(cè)A 相為發(fā)送端，以電流I1、I2、I3、I4所在相位為接收端，模擬待測臺(tái)區(qū)用戶1、2、3、4。

圖6 低壓臺(tái)區(qū)仿真模型

3.2 仿真分析

PSCAD 仿真時(shí)，一般設(shè)置仿真時(shí)間為0.3 s～0.5 s，繪圖步長一般設(shè)為10 μs，故設(shè)置仿真時(shí)間為0.5 s，繪圖步長為10 μs。 經(jīng)過實(shí)際仿真測試，控制電路中的過零檢測模塊在計(jì)算步長設(shè)為10 μs 時(shí)的過零記錄最為完整，故將計(jì)算步長設(shè)為10 μs，其控制模塊如圖7 所示。

圖7 控制模塊

用Mono-stable 模塊來模擬報(bào)文的發(fā)送，報(bào)文發(fā)送持續(xù)時(shí)間Tm＝L/V，故將脈沖持續(xù)時(shí)間設(shè)置為0.2 s，表示報(bào)文的發(fā)送持續(xù)時(shí)間Tm為0.2 s，其波形如圖8 所示，用信號(hào)O3表示報(bào)文的發(fā)送，1 表示處于發(fā)送狀態(tài)，0表示停止發(fā)送。 在t0＝0.055 2 s A 相正向過零的時(shí)刻開始發(fā)送報(bào)文。 記變壓器二次側(cè)A 相電流為Ia，其周期T 為0.021 4 s。

圖8 模擬報(bào)文發(fā)送波形

信號(hào)O4、O5、O6、O7分別表示接收端的用戶1、2、3、4 在收到發(fā)送端發(fā)出的結(jié)束符的時(shí)刻與下一次單向過零時(shí)刻之間的時(shí)間差TZ，1 表示正處于收到結(jié)束符與下一個(gè)正向過零之間的時(shí)刻。 如圖9 所示，由圖可知收到最后一個(gè)字符與下次第一次正向過零的時(shí)間間隔TZ1＝0.012 9 s，TZ2＝0.018 4 s，TZ3＝0.004 6 s，TZ4＝0.005 5 s。

將結(jié)果代入ΔT ＝(Tz+Tm)%T 中即可得到ΔT，得到的結(jié)果與最后判別的結(jié)果如表1 所示。 最后判別的結(jié)果為接收端用戶1 屬于A 相，接收端用戶2 屬于B 相，接收端用戶3 屬于C 相，接收端用戶4 屬于C 相，而得到的結(jié)果也與事實(shí)相符。 結(jié)果證明此方法用來判別相位是準(zhǔn)確且有效的。

圖9 接收端Tz 波形

表1 判別結(jié)果

4 結(jié)論

本文提出了一種基于電力載波通信的戶變關(guān)系識(shí)別與相位識(shí)別技術(shù)，此方法可以應(yīng)用于現(xiàn)有的用電信息采集設(shè)備上。 現(xiàn)有采集終端的硬件組成部分包括了發(fā)送接收端所需的模塊，所以此方法的成本相對(duì)較低，操作也較為簡便，只需完成軟件上的嵌入和部署工作。發(fā)送端的功能可以通過軟件部署到載波集中器等設(shè)備中實(shí)現(xiàn)，接收端的功能可以通過軟件部署到載波采集器或者載波智能電表等設(shè)備中來實(shí)現(xiàn)。 最后通過PSCAD 仿真軟件模擬臺(tái)區(qū)進(jìn)行仿真分析，實(shí)現(xiàn)了臺(tái)區(qū)的相位識(shí)別。 本次仿真僅考慮了同一臺(tái)區(qū)的用戶，對(duì)于不同臺(tái)區(qū)的用戶的相位識(shí)別還有待研究。