低壓供電網(wǎng)絡(luò)暗埋式線路走向識(shí)別儀設(shè)計(jì)

胡越月，熊丙權(quán)，鄧薇，田栗

（國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司南岸供電分公司，重慶 400060）

隨著城市化進(jìn)程日漸加快，居民小區(qū)等集中用電區(qū)域越來(lái)越多。暗埋線路憑借安全性高、美觀性好等優(yōu)勢(shì)，成為新建小區(qū)的低壓（220V/380V）供電網(wǎng)絡(luò)的主要走線方式。然而，暗埋式線路的一個(gè)缺點(diǎn)是：在進(jìn)行“表計(jì)接線錯(cuò)誤”、老舊小區(qū)表后線排查、投訴處理、新上小區(qū)戶表關(guān)系核對(duì)驗(yàn)收等需要進(jìn)行戶表關(guān)系核對(duì)時(shí)，無(wú)法直觀地看到暗埋線路的走向。最傳統(tǒng)的方法是通過依次開斷電能表空開或者增加負(fù)荷的方法，排查戶表對(duì)應(yīng)關(guān)系，該方法的前提是多位住戶同時(shí)在家，并且用戶家里需要短時(shí)停電或增加額外電費(fèi)，這不僅增加了排查工作的難度，也給用戶造成不小的困擾。目前市場(chǎng)上的串戶排查設(shè)備多需要在用戶家中安裝檢測(cè)設(shè)備來(lái)確定戶表對(duì)應(yīng)關(guān)系，并不是完全的“不入戶”前提下進(jìn)行的戶表核對(duì)[1-3]。在建設(shè)智能電網(wǎng)的大趨勢(shì)下，改進(jìn)現(xiàn)有方法或研制新型裝置以提高暗埋線路走向識(shí)別的處理效率和提升用戶體驗(yàn)成為一個(gè)亟待解決的問題。目前對(duì)于暗埋線路走向的判斷，尚沒有一種完全不入戶、不停電、高效準(zhǔn)確識(shí)別暗埋線路走向的裝置或手段。

本文提出利用高速信號(hào)采集處理的數(shù)字化線路走向識(shí)別儀，來(lái)實(shí)現(xiàn)暗埋線路識(shí)別過程不入戶、不停電的目標(biāo)。當(dāng)輸電線上有交變電流流動(dòng)時(shí)，就可以在線路周圍發(fā)生電磁波的輻射，此時(shí)的輸電線路就具有了作為天線的特性，能夠進(jìn)行信號(hào)傳播[4-8]。本文利用該原理，在待檢測(cè)線路的一端注入特征信號(hào)，使信號(hào)沿輸電線路進(jìn)行傳播，通過沿線路收集并判斷有無(wú)特征信號(hào)，來(lái)識(shí)別出線路的走向。由于低壓電力線的設(shè)計(jì)不同于光纖、雙絞線等通信傳輸線，并未考慮高頻信號(hào)傳輸?shù)男枰?，因此載波信號(hào)在低壓電力網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)信號(hào)衰減十分嚴(yán)重，且易受到多徑效應(yīng)的影響。為了在檢測(cè)終端能夠可靠地檢出信號(hào)，必須保證信號(hào)在傳輸路徑上的強(qiáng)度和信號(hào)完整性。

本文通過分析低壓電力線的電磁場(chǎng)特性，對(duì)其進(jìn)行基于傳輸線理論的建模，在該模型基礎(chǔ)上分析高頻信號(hào)在電力線中的衰減特性，得出了高頻信號(hào)在低壓電力線中的衰減特性曲線，并通過建立居民樓內(nèi)實(shí)際傳輸線距離模型排除相鄰傳輸線耦合效應(yīng)對(duì)于檢測(cè)結(jié)果的干擾。形成一套不停電、不入戶、高效準(zhǔn)確識(shí)別暗埋線路走向的裝置，居民樓中的實(shí)地測(cè)試表明該系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果的可信性。

1 理論基礎(chǔ)

高頻特征信號(hào)注入低壓電力線之后，會(huì)在線路周圍產(chǎn)生輻射，由于特征信號(hào)的頻率較高，傳輸信號(hào)模型為分布參數(shù)模型。為了精確地描述高頻特征信號(hào)在低壓電力線中的衰減情況，我們對(duì)電力線周圍的電磁場(chǎng)分布情況進(jìn)行分析，建立了基于電磁場(chǎng)理論的電力線傳輸線模型。由于電力線在電能表到用戶間會(huì)有一段并行排線的情況，相鄰之間的導(dǎo)線之間會(huì)相互干擾，因此需要考慮多導(dǎo)體存在下的電力線模型。

假設(shè)傳輸線平行分布，電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量平行于XOY平面。因此，將導(dǎo)體軸向方向設(shè)為z軸，圖1所示為n+1個(gè)導(dǎo)體構(gòu)成的傳輸線，其中n個(gè)導(dǎo)體為諧振單元導(dǎo)體，另一個(gè)為參考導(dǎo)體。

圖1 多導(dǎo)體傳輸線模型Fig.1 Multi-conductor transmission line model

根據(jù)圖1，在參考導(dǎo)體與第i個(gè)導(dǎo)體之間選取一段長(zhǎng)度為Δz的微元，在這段微元內(nèi)兩導(dǎo)體圍成的表面Si，外圍路徑Ci，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，可得外圍路徑內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：

式中：Exy表示位于平行于XOY平面的橫向電場(chǎng)；El表示沿著導(dǎo)體表面的電場(chǎng)，或z方向電場(chǎng)；Hxy為磁場(chǎng)強(qiáng)度；en為該點(diǎn)的外法線單位向量；μ為導(dǎo)體的磁導(dǎo)率。

每個(gè)導(dǎo)體的電壓電流均可寫成上述形式，于是可以將其整合成矩陣形式：

設(shè)第i個(gè)導(dǎo)體與第j個(gè)導(dǎo)體之間的電導(dǎo)為Gij，它表示橫向平面上兩個(gè)導(dǎo)體間流過的傳導(dǎo)電流與導(dǎo)體間的電壓之比，那么傳輸線單位長(zhǎng)度的電荷可以根據(jù)每對(duì)導(dǎo)體間的單位長(zhǎng)度電容cij定義，將每個(gè)導(dǎo)體的電流方程列出，可以得到矩陣形式的方程：

如果將第i個(gè)導(dǎo)體上單位長(zhǎng)度的總電荷表示為qi，則電容矩陣C滿足：

式中：Q為每個(gè)導(dǎo)體單位長(zhǎng)度電荷組成的列向量。類似地，可以得到電導(dǎo)矩陣滿足的表達(dá)式：

式中：It為全部導(dǎo)體單位長(zhǎng)度上流過的橫向傳導(dǎo)電流。

式（2）～式（5）中單位長(zhǎng)度的電阻矩陣R、電感矩陣L、電容矩陣C和電導(dǎo)矩陣G是反映多導(dǎo)體傳輸線結(jié)構(gòu)特性的參數(shù)，對(duì)于導(dǎo)體中的電壓、電流分布至關(guān)重要，而對(duì)于特定的傳輸線結(jié)構(gòu)，可以通過計(jì)算得到各個(gè)參數(shù)矩陣。針對(duì)傳輸線方程特點(diǎn)，將整個(gè)傳輸線方程組解耦：

由于低壓電力線特征參數(shù)的復(fù)雜性，單位長(zhǎng)度的電阻矩陣R、電感矩陣L、電容矩陣C和電導(dǎo)矩陣G需通過實(shí)際測(cè)量得到，代入式（6）便可以得到低壓電力線中各個(gè)位置的電流和電壓分布，進(jìn)而得到空間磁場(chǎng)分布情況。

基于該傳輸線方程，結(jié)合居民樓走線特點(diǎn)和距離模型，可以得到對(duì)應(yīng)住戶家特征信號(hào)的強(qiáng)度范圍，從而判定戶表關(guān)系的對(duì)應(yīng)性。如圖2所示，dp為電能表出線端多傳輸線并列部分的長(zhǎng)度，df為跨樓層走線長(zhǎng)度，dh為住戶所在樓層的走線長(zhǎng)度。

圖2 不同樓層住戶電力線距離模型Fig.2 Distance model of household power lines on different floors

以圖2所示的距離模型為例，利用式（6）進(jìn)行計(jì)算，假設(shè)在戶表關(guān)系核對(duì)時(shí)，在202戶所對(duì)應(yīng)的電能表出口端耦合高頻特征信號(hào)，由于電能表出線端存在一段并行排線的情況，特征信號(hào)會(huì)通過電磁耦合串?dāng)_到其他住戶的電力線中，因此無(wú)論是否202戶的戶表關(guān)系是否對(duì)應(yīng)，202的入戶端的電力線中都有可能存在特征信號(hào)，如何判斷接收到的是真實(shí)特征信號(hào)還是串?dāng)_特征信號(hào)，是正確判斷戶表關(guān)系的重要基礎(chǔ)。由上面推導(dǎo)出來(lái)的多導(dǎo)體傳輸線模型可知，鄰近電力線串?dāng)_信號(hào)的幅值明顯小于原特征信號(hào)的幅值，因此為了排除串?dāng)_對(duì)判斷結(jié)果的影響，我們對(duì)于檢測(cè)端的信號(hào)幅值設(shè)置一個(gè)閾值，當(dāng)檢測(cè)到的信號(hào)大于該閾值時(shí)，才能判定為接受到特征信號(hào)，從而確定戶表關(guān)系對(duì)應(yīng)正確。

2 設(shè)計(jì)方案

本線路識(shí)別系統(tǒng)按照作用位置的不同可以分為信號(hào)加載模塊、信號(hào)擾變模塊和信號(hào)識(shí)別模塊三部分，如圖3。信號(hào)加載模塊作用在低壓配電網(wǎng)電能表用戶側(cè)的輸電線上；信號(hào)擾變模塊的作用是消除反向信號(hào)對(duì)于原信號(hào)的串?dāng)_，因此作用在信號(hào)加載模塊靠近電能表的一側(cè)；信號(hào)識(shí)別模塊是手持式可移動(dòng)的模塊，作用在待檢測(cè)暗埋線路附近。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 System structure diagram

2.1 信號(hào)加載模塊

信號(hào)加載單元負(fù)責(zé)產(chǎn)生具有特征值的調(diào)制信號(hào)，并將其注入到電能表空開或室內(nèi)配電箱空開的負(fù)載側(cè)。該模塊又可以分為信號(hào)產(chǎn)生模塊、信號(hào)注入模塊兩個(gè)子模塊，如圖4所示。

圖4 信號(hào)加載模塊分解示意圖Fig.4 Decomposition diagram of signal loading module

2.1.1 信號(hào)產(chǎn)生模塊

信號(hào)發(fā)生裝置產(chǎn)生的信號(hào)必須滿足所需信號(hào)的頻率、強(qiáng)度的要求。為了減少環(huán)境信號(hào)對(duì)于有效信號(hào)的干擾，需選擇實(shí)際測(cè)量環(huán)境中干擾信號(hào)最小的頻段作為發(fā)生信號(hào)的頻段。使用信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)儀進(jìn)行了多個(gè)新舊小區(qū)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的干擾頻段及強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：500 MHz～1 GHz頻段內(nèi)干擾信號(hào)最弱。另外，還進(jìn)行了線纜、隔離材料對(duì)信號(hào)衰減程度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：注入特征信號(hào)的強(qiáng)度應(yīng)至少達(dá)到15 dBm。

綜上，我們對(duì)于信號(hào)發(fā)生裝置的要求是：能夠產(chǎn)生頻率在500 MHz～1 GHz內(nèi)、強(qiáng)度在0～15 dBm內(nèi)的信號(hào)，執(zhí)行準(zhǔn)確率達(dá)到99.7%以上。根據(jù)以上指標(biāo)，最終采用了基于FPGA芯片的DDS信號(hào)發(fā)生器。

2.1.2 信號(hào)注入模塊

信號(hào)注入模塊負(fù)責(zé)將信號(hào)產(chǎn)生模塊中發(fā)出的信號(hào)高質(zhì)量注入到低壓網(wǎng)絡(luò)中。在注入過程中，該模塊需要確保供電網(wǎng)絡(luò)的高壓交流側(cè)與信號(hào)產(chǎn)生模塊的低壓直流側(cè)在物理意義上保持隔離狀態(tài)。

信號(hào)注入模塊的核心部分是信號(hào)耦合電路，本文采用電容耦合的方式，相比于電感耦合，電路結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，傳輸特性更優(yōu)秀[9]。電容耦合的主要元件是耦合電容器，電路圖如圖5所示，該耦合電路將高頻特征信號(hào)直接注入到低壓電網(wǎng)中。

圖5 電容耦合電路Fig.5 Capacitive coupling circuit

圖5中，C1一端接入低壓電網(wǎng)，因此需要采用高壓電容，耐壓值大于300 V；高頻電容C1不僅起到耦合高頻載波信號(hào)的作用，而且還能隔離高壓工頻信號(hào)；T1的初級(jí)線圈與C1組成高通濾波電路，阻止來(lái)自電網(wǎng)的工頻信號(hào)，削弱低頻噪聲和干擾信號(hào)，同時(shí)保證高頻特征信號(hào)的通過，并盡量減少對(duì)其的衰減作用；R2是一個(gè)阻值非線性的壓敏電阻，正常情況下漏電流很小，對(duì)電路的作用可以忽略，當(dāng)其兩端的電壓超過了自身的額定值時(shí)，R2阻抗明顯減小，電流主要從該通路流過，對(duì)電路中其他元件起到保護(hù)作用；R1為C1的卸荷電阻，用于消耗積累在C1兩端的電荷。

2.2 信號(hào)擾變模塊

考慮到信號(hào)注入后傳播沒有方向性，為防止反向信號(hào)反射后與原信號(hào)發(fā)生串?dāng)_，還需在反向加入擾變模塊對(duì)反向信號(hào)進(jìn)行抑制。夾式電源線濾波磁環(huán)因?yàn)榭蓡斡|式安裝，不必切割電纜，且具有極佳的高頻噪聲吸收性能，在高頻信號(hào)抑制中應(yīng)用最廣。根據(jù)信號(hào)衰減程度的要求，我們選擇了ZCAT 2035-0930型號(hào)的磁環(huán)濾波器，對(duì)于該磁環(huán)進(jìn)行掃頻測(cè)試，得到了其對(duì)應(yīng)的伯德圖，如圖6所示。幅頻特性圖表明該濾波器對(duì)500 MHz～1 GHz的信號(hào)衰減程度≥52 dB。

圖6 濾波磁環(huán)幅頻特性圖Fig.6 Amplitude-frequency characteristic curve of filter

2.3 信號(hào)識(shí)別模塊

信號(hào)識(shí)別單元負(fù)責(zé)對(duì)伴隨線路走向的信號(hào)進(jìn)行接收，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、解調(diào)、判斷，最后將結(jié)果顯示出來(lái)。信號(hào)識(shí)別單元又可以分為信號(hào)接收模塊和采集處理模塊。

圖7 信號(hào)識(shí)別模塊組成框圖Fig.7 Composition block diagram of signal identification module

2.3.1 信號(hào)接收模塊

信號(hào)接收模塊用于接收待測(cè)線路中具有特征值的無(wú)線信號(hào)，使用天線裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。選用摩托羅拉PMAE4002/3 GP系列全向天線。

2.3.2 采集處理模塊

使用DSP數(shù)字信號(hào)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于高頻信號(hào)的實(shí)時(shí)處理[10]，硬件系統(tǒng)板選用FMC6416P/PA，為了檢驗(yàn)其響應(yīng)速度，我們對(duì)該類元件進(jìn)行1 000次中斷響應(yīng)速度試驗(yàn)。測(cè)試時(shí)，采集處理板供電電壓5 V，數(shù)據(jù)口連接電腦，測(cè)試表明，該采集處理板的中斷響應(yīng)用時(shí)均小于1 μs，滿足我們高速信號(hào)采集的需求。運(yùn)用Java語(yǔ)言編寫了軟件程序，程序流程圖如圖8所示。

圖8 程序流程圖Fig.8 Procedure flow chart

對(duì)編寫的程序進(jìn)行調(diào)試、仿真，檢驗(yàn)其信號(hào)采集和處理仿真準(zhǔn)確率。測(cè)試時(shí)，將不同頻率下有特征值的信號(hào)和無(wú)特征值的信號(hào)都輸入程序中，檢驗(yàn)程序是否能成功輸出結(jié)果。測(cè)試結(jié)果表明：程序的信號(hào)采集和處理仿真準(zhǔn)確率達(dá)到100%，滿足工程實(shí)踐要求。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及結(jié)果分析

低壓供電網(wǎng)絡(luò)暗埋式線路走向識(shí)別儀研發(fā)完成后，為了驗(yàn)證整體效果，我們選取了共10處居民小區(qū)（5處老小區(qū)和5處新小區(qū)），使用本儀器對(duì)其暗埋式線路分別進(jìn)行了表后線排查工作和表后線竣工驗(yàn)收工作。

為實(shí)現(xiàn)不入戶不斷電識(shí)別暗埋線路走向，最大探測(cè)深度、最大探測(cè)距離是該識(shí)別儀必要的兩個(gè)性能指標(biāo)。

3.1 最大探測(cè)深度模擬測(cè)試

最大探測(cè)深度表明了該識(shí)別儀能檢測(cè)到的輸電線的最大埋線深度。測(cè)試時(shí)，測(cè)試信號(hào)頻率為1 GHz，強(qiáng)度為15 dBm，線纜長(zhǎng)度150 m，隔離材料密度為2 500 kg/m3，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖9 最大探測(cè)深龐測(cè)試結(jié)果Fig.9 Test results of maximum detection depth

由圖9可知，10次測(cè)試得到的最大探測(cè)深度平均值為256.61 mm，最小值為255.8 mm，大于一般情況下的暗埋線路深度。

3.2 最遠(yuǎn)探測(cè)距離模擬測(cè)試

最遠(yuǎn)探測(cè)距離是指手持的信號(hào)接收模塊能接收到信號(hào)處與信號(hào)注入點(diǎn)處的最大距離。測(cè)試信號(hào)頻率為1 GHz，強(qiáng)度為15 dBm，暗埋線纜與探測(cè)儀之間間隔240 mm，隔離材料為2 500 kg/m3的混凝土，進(jìn)行了10次測(cè)試，結(jié)果如圖10所示。

圖10 最遠(yuǎn)探測(cè)距離測(cè)試結(jié)果Fig.10 Test results of farthest detection distance

由圖10可知，10次測(cè)試的平均最大探測(cè)距離為205.29 m，最小值為204.7 m，滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試要求。

綜上所述，識(shí)別儀能夠?qū)崿F(xiàn)不入戶、不斷電識(shí)別低壓供電網(wǎng)絡(luò)線路走向的功能?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試通過后，使用本儀器共完成1 470戶新老小區(qū)的表后線核對(duì)工作，現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)不入戶率、不停電率均達(dá)到100%，大大降低了戶表關(guān)系核對(duì)的人力和時(shí)間成本。

4 結(jié)論

文中提出了一種基于高速信號(hào)采集處理的低壓供電網(wǎng)絡(luò)暗埋式線路走向識(shí)別儀設(shè)計(jì)思路，利用電容耦合電路將特征信號(hào)注入傳輸線中，并利用傳輸線的天線特性檢測(cè)其輻射出的特征信號(hào)，從而判斷暗埋式線路的走向。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該識(shí)別儀可探測(cè)暗埋深度小于等于255.8 mm的線路，可以在信號(hào)加載點(diǎn)204.7 m之內(nèi)探測(cè)到特征信號(hào)。將本文中提出的低壓供電網(wǎng)絡(luò)暗埋式線路走向識(shí)別儀用于實(shí)際居民樓戶表關(guān)系核對(duì)案例中，實(shí)現(xiàn)了不停電、不入戶的情況下檢測(cè)到暗埋線路的走向從而核對(duì)戶表關(guān)系的目標(biāo)，極大地節(jié)約了人力，有效提高戶表關(guān)系核對(duì)的效率。