基于電力線載波通信信道阻抗的臺(tái)區(qū)雙電源切換感知技術(shù)

盧德龍，顧慶偉，徐近龍，張 超，繆繼東，王路春，吳 陽(yáng)

（1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司 蘇州供電分公司，江蘇 蘇州 215004；2.清華大學(xué) 電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京 100084）

0 引言

臺(tái)區(qū)是組成龐大電力網(wǎng)絡(luò)的億萬(wàn)個(gè)有各自運(yùn)行特點(diǎn)的微小“細(xì)胞”，臺(tái)區(qū)管理質(zhì)量是體現(xiàn)電網(wǎng)公司營(yíng)銷部門運(yùn)維管理水平的最直觀指標(biāo)［1］。臺(tái)區(qū)一般包含1 臺(tái)變壓器、若干輸電線路和用于電能信息采集的電能表、關(guān)口表、互感器等設(shè)備，典型的電力系統(tǒng)發(fā)輸配用結(jié)構(gòu)如圖1 所示，臺(tái)區(qū)處于電網(wǎng)的末端，也是數(shù)量最為龐大的供電網(wǎng)絡(luò)［2］。

圖1 電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Power system structure

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，對(duì)電能的需求不斷增長(zhǎng)，電網(wǎng)供電運(yùn)營(yíng)的臺(tái)區(qū)規(guī)模日益龐大。特別是對(duì)于蘇州電網(wǎng)，由于其規(guī)模特別龐大，臺(tái)區(qū)運(yùn)維人員難以及時(shí)地消缺導(dǎo)致臺(tái)區(qū)線損的合格率一直不高，無(wú)表用電、電能采集的成功率偏低都是導(dǎo)致此問(wèn)題的直接原因［3］。同時(shí)蘇州電網(wǎng)低壓居民臺(tái)區(qū)的雙電源切換問(wèn)題也不可忽略，“雙電源單表計(jì)”問(wèn)題會(huì)直接導(dǎo)致兩個(gè)相鄰臺(tái)區(qū)的線損均不合格，而且一旦出現(xiàn)則排查困難，處理的時(shí)間較長(zhǎng)，將導(dǎo)致臺(tái)區(qū)線損長(zhǎng)期不合格［4］。

低壓居民臺(tái)區(qū)的負(fù)荷大多數(shù)屬于三類負(fù)荷，供電可靠性要求不高，一般采用的是單電源供電方式，但是對(duì)于低壓居民臺(tái)區(qū)中的重要負(fù)荷，諸如電梯等設(shè)備，為了保證其不間斷可靠運(yùn)行，采用的是雙電源供電方式［5］，但是計(jì)量電費(fèi)的電能表卻是1臺(tái)，雙電源供電“一主一備”的供電形式在正常供電情況下電能表的計(jì)費(fèi)電量屬于某一確定臺(tái)區(qū)，不會(huì)出現(xiàn)電能計(jì)量錯(cuò)誤的情況。

電網(wǎng)的搶修和日常的運(yùn)維是保證用電可靠性的重要手段，但是在工作完成后的合閘送電過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)雙電源負(fù)荷錯(cuò)送電的情況，原來(lái)是由主供電源供電的卻變成了由備用電源直接供電，導(dǎo)致2個(gè)臺(tái)區(qū)的電量1個(gè)多計(jì)1個(gè)少計(jì)，造成線損均不合格。雙電源切換導(dǎo)致的臺(tái)區(qū)線損不合格現(xiàn)象來(lái)源于工程實(shí)際，尚未有相關(guān)的文獻(xiàn)與報(bào)道，如何實(shí)現(xiàn)在提高重要負(fù)荷用電可靠性的前提下及時(shí)感知臺(tái)區(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化是亟需解決的問(wèn)題。

1 雙電源切換臺(tái)區(qū)

1.1 臺(tái)區(qū)線損

根據(jù)電網(wǎng)營(yíng)銷工作經(jīng)驗(yàn)，定義線損率η為

式中：wsu為供電量；wsa為售電量。一般除了小電量臺(tái)區(qū)之外，線損率為-1%～5%的為合格臺(tái)區(qū)，其他的均視為不合格臺(tái)區(qū)［6］。負(fù)線損臺(tái)區(qū)指的是臺(tái)區(qū)線損率一個(gè)月內(nèi)任意一天均小于-1%。負(fù)線損問(wèn)題的長(zhǎng)期出現(xiàn)往往標(biāo)志著雙電源切換的問(wèn)題。圖2給出了2020 年上半年蘇州低壓居民臺(tái)區(qū)出現(xiàn)的負(fù)線損不合格臺(tái)區(qū)數(shù)量。

圖2 蘇州市區(qū)負(fù)線損臺(tái)區(qū)數(shù)量Fig.2 Number of negative line loss transformer area in Suzhou city

蘇州市區(qū)低壓居民臺(tái)區(qū)共計(jì)12 528 個(gè)，由圖2中數(shù)據(jù)按照比例計(jì)算，該類臺(tái)區(qū)約占據(jù)到蘇州市總臺(tái)區(qū)的3%，2 月份由于受到疫情的影響，維護(hù)不及時(shí)導(dǎo)致負(fù)線損臺(tái)區(qū)數(shù)量偏多［7］。考慮到1臺(tái)負(fù)線損臺(tái)區(qū)對(duì)應(yīng)著1 臺(tái)高損臺(tái)區(qū)，因此受到雙電源切換問(wèn)題影響的臺(tái)區(qū)數(shù)量大約為6%，占比相當(dāng)大。

1.2 雙電源切換

為了提高供電的可靠性，對(duì)于重要負(fù)荷采用了雙電源供電的形式，但這樣又大大增加了基層臺(tái)區(qū)治理運(yùn)維的工作量，給臺(tái)區(qū)線損治理工作帶來(lái)了很大的困難［8］，典型的臺(tái)區(qū)雙電源切換形式如圖3所示。

圖3 臺(tái)區(qū)雙電源切換示意圖Fig.3 Diagram of dual power supply switching in transformer area

雙電源切換問(wèn)題來(lái)源于工程實(shí)際，雙電源提高了供電的可靠性，提升了用戶的用能體驗(yàn)，但是一旦出現(xiàn)雙電源切換會(huì)改變臺(tái)區(qū)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，造成實(shí)際供電電源與設(shè)備資產(chǎn)精益管理系統(tǒng)PMS 3.0中的供電電源不一致，導(dǎo)致本來(lái)合格的臺(tái)區(qū)在線損計(jì)算中表現(xiàn)為不合格。如何在保證用電負(fù)荷可靠性的前提下實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)雙電源切換問(wèn)題的自動(dòng)識(shí)別是解決難題的關(guān)鍵［9］。智能電能表是電網(wǎng)營(yíng)銷部門電能數(shù)據(jù)采集的終端，實(shí)時(shí)采集用戶的用能情況。低壓居民臺(tái)區(qū)由變壓器、電能表、采集器與集中器等構(gòu)成，采集器與集中器之間通過(guò)載波、RS-485等通信方式傳輸數(shù)據(jù)。集中器通過(guò)無(wú)線公網(wǎng)等與后臺(tái)主站部分實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，將采集到的數(shù)據(jù)保存在后臺(tái)服務(wù)器中，運(yùn)維人員通過(guò)電力信息采集系統(tǒng)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的調(diào)用和日常的線損維護(hù)。相較于傳統(tǒng)的RS-485等有線數(shù)據(jù)通信方式，電能表短距離的數(shù)據(jù)傳輸越來(lái)越多地采用載波通信的方式，典型的營(yíng)銷數(shù)據(jù)采集情況如圖4所示。

圖4 營(yíng)銷數(shù)據(jù)計(jì)量采集系統(tǒng)Fig.4 Marketing data measurement and acquisition system

2 電力線載波

2.1 載波通信輸入阻抗

電力線載波通信是電力系統(tǒng)特有的通信方式，它是指利用現(xiàn)有電力線，通過(guò)載波方式將信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)。由定義可知，電力線載波通信最大特點(diǎn)是不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，有電力線就能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。低壓電力線載波通信信號(hào)衰減包括耦合衰減和線路衰減兩個(gè)部分。其中耦合衰減與載波機(jī)側(cè)低壓電力線輸入阻抗相關(guān)，即與信號(hào)發(fā)送裝置和信號(hào)接收裝置驅(qū)動(dòng)點(diǎn)處電力線的等效阻抗相關(guān)，主要體現(xiàn)在由于電力線輸入阻抗的劇烈變化，使其難以和載波機(jī)內(nèi)阻抗保持一致，造成載波機(jī)輸出功率的衰減，該現(xiàn)象一般簡(jiǎn)稱為阻抗特性。在載波信號(hào)的注入和接收兩端存在著電力線、用電設(shè)備（照明、空調(diào)、冰箱）等傳輸信號(hào)的通道，其上必然存在著阻礙信號(hào)傳輸?shù)淖杩埂Ｓ捎谠囼?yàn)中所采用的載波頻段為0～500 kHz，為高頻，所以不能采用集中參數(shù)模型而應(yīng)采用傳輸線的分布式參數(shù)模型，如圖5所示。

圖5 傳輸線的電路模型Fig.5 Circuit model of transmission line

均勻傳輸線分布參數(shù)模型可用一段段集成的微小元件表示，即可以用許多無(wú)窮小的單位長(zhǎng)度元dx組成。每段dx可表示為阻性負(fù)荷R0dx和感性負(fù)荷L0dx，2段單位導(dǎo)體之間的電容與電導(dǎo)分量可以分別用C0dx和G0dx表示。

電力線載波通信信道阻抗測(cè)量的方法如圖6所示［10］，為施加的變頻其他載負(fù)波荷信號(hào)源，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量點(diǎn)輸入信號(hào)的頻譜掃描。測(cè)量點(diǎn)電力線載波通信信道阻抗等效為,即ZAimp與Zoth的并聯(lián)值；與串聯(lián)一個(gè)高精度測(cè)量電阻抗B，值已知雙且電源為低溫漂；上的電壓網(wǎng)與上的電壓可負(fù)以荷精確的測(cè)量得到，利用式（載2）波就信可號(hào)計(jì)注入算電力線阻抗的具體數(shù)值。

圖6 輸入阻抗測(cè)量方法Fig.6 Input impedance measurement method

式中：UXX為電力線輸入阻抗上分擔(dān)的電壓實(shí)部；UXY為電力線輸入阻抗上分擔(dān)的電壓虛部；USX為高精度測(cè)量阻抗上分擔(dān)的電壓實(shí)部；USY為高精度測(cè)量阻抗上分擔(dān)的電壓虛部。不同臺(tái)區(qū)、不同時(shí)間點(diǎn)甚至是不同測(cè)量點(diǎn)的電力線載波輸入阻抗的值千差萬(wàn)別，難以進(jìn)行歸一化的處理分析。此外，電力線載波受到信號(hào)衰減和噪聲干擾的影響，難以實(shí)現(xiàn)利用載波信號(hào)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的精準(zhǔn)感知與辨識(shí)，限制了其應(yīng)用領(lǐng)域［11］。雖然如此，但是依托電力線的載波信道輸入阻抗的特性仍然具有潛在的利用價(jià)值。

2.2 臺(tái)區(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

簡(jiǎn)化版的臺(tái)區(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示，2個(gè)臺(tái)區(qū)的結(jié)構(gòu)完全不同，形成“一主一備”向重要負(fù)荷一與重要負(fù)荷二雙電源供電的結(jié)構(gòu)［12］。在重要負(fù)荷的兩端安裝測(cè)量輸入阻抗值，形成重要負(fù)荷與其他負(fù)荷并聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由于重要負(fù)荷的阻抗值相對(duì)較為穩(wěn)定，因此在未發(fā)生雙電源切換時(shí)輸入阻抗的值變化不大［13］。當(dāng)雙電源負(fù)荷從臺(tái)區(qū)一切換到臺(tái)區(qū)二時(shí)，其他負(fù)荷的結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，造成重要負(fù)荷的測(cè)量點(diǎn)的輸入阻抗值發(fā)生大的改變，因此可以利用此原理判別是否發(fā)生雙電源切換，原理圖如圖8所示，電路圖如圖9所示。

圖7 臺(tái)區(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.7 Topological structure of transformer area

圖8 雙電源切換識(shí)別原理圖Fig.8 Schematic diagram of dual power switch identification

圖9 雙電源切換識(shí)別電路圖Fig.9 Circuit diagram of dual power supply switching identification

如圖9所示，重要負(fù)荷點(diǎn)的輸入阻抗可以分為重要負(fù)荷阻抗Zimp和其他負(fù)荷的阻抗Zoth并聯(lián)的形式，通過(guò)載波源注入不同頻率的載波信號(hào)，測(cè)量不同頻率下的輸入阻抗，實(shí)現(xiàn)輸入阻抗的掃頻［14］。需要雙電源供電的重要負(fù)荷在測(cè)量時(shí)間段內(nèi)保持穩(wěn)定，當(dāng)雙電源切換時(shí)，其他負(fù)荷的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和阻抗發(fā)生改變，導(dǎo)致載波源輸入點(diǎn)的輸入阻抗發(fā)生改變。

3 驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提出方法的正確性，研制了可用于發(fā)射載波信號(hào)的主動(dòng)采集識(shí)別終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙電源負(fù)荷點(diǎn)輸入阻抗的掃頻測(cè)量，載波裝置與智能電能表安裝位置相同，處于資產(chǎn)分界點(diǎn)，如圖10所示。

圖10 主動(dòng)采集識(shí)別終端現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖Fig.10 Field test diagram of active acquisition and identification terminal

如圖10所示，在雙電源臺(tái)區(qū)的計(jì)量點(diǎn)增加一個(gè)載波發(fā)射裝置，設(shè)定工作時(shí)間和掃頻范圍，使其在負(fù)荷穩(wěn)態(tài)工況下測(cè)量，盡量減少重要負(fù)荷和其他負(fù)荷波動(dòng)產(chǎn)生的阻抗變化的影響，使得阻抗變化反映雙電源切換的影響，載波收發(fā)單元的原理圖如圖11所示。

圖11 載波發(fā)射接收單元原理圖Fig.11 Schematic diagram of carrier transmitting and receiving unit

圖11 中，B1、B2點(diǎn)之間的電壓VB與電流IB的比值就是信道的輸入阻抗，在變壓器電壓比為1∶1時(shí)，VC可近似看作與VB相等，IC可近似看作與IB相等，且IC=US∕ZS。因此系統(tǒng)輸入阻抗的模值為：

利用開(kāi)發(fā)的主動(dòng)采集識(shí)別終端在圖12 所示的某一含雙電源供電電梯的小區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，圖12中兩個(gè)臺(tái)區(qū)共有38個(gè)計(jì)量點(diǎn)，各個(gè)計(jì)量點(diǎn)的每日用電量如圖13 所示，其中計(jì)量點(diǎn)9 為雙電源供電，保障電梯供電，得到的試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。

圖12 含電梯雙電源切換的某小區(qū)臺(tái)區(qū)拓?fù)鋱DFig.12 Topology of a community with elevator dual power switching

圖13 臺(tái)區(qū)內(nèi)各個(gè)計(jì)量點(diǎn)每日用電量圖Fig.13 Daily power consumption diagram of each metering point in the transformer area

圖14 雙電源切換點(diǎn)輸入阻抗Fig.14 Input impedance of dual power switching point

圖12 中計(jì)量點(diǎn)9 為雙電源用戶，供小區(qū)內(nèi)電梯用，終端具有自動(dòng)切換裝置（automatic transfer switch，ATS），圖13顯示計(jì)量點(diǎn)9在各個(gè)計(jì)量點(diǎn)中屬于用電量最大的。如圖14所示，在發(fā)生雙電源切換的情況下，選取相同時(shí)間盡量減少變量的情況下測(cè)量輸入阻抗，如圖14中黑色線與紅色線所示，2條線代表的輸入阻抗差別不大，當(dāng)發(fā)生雙電源切換動(dòng)作時(shí)，臺(tái)區(qū)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，導(dǎo)致其他負(fù)荷的輸入阻抗發(fā)生了變化，如圖中藍(lán)色曲線所示。基于2 436 組試驗(yàn)得到的阻抗變化差的閾值設(shè)定與識(shí)別正確率的關(guān)系如圖15所示。

圖15 雙電源切換阻抗差閾值與識(shí)別正確率關(guān)系圖Fig.15 Relationship between the impedance difference threshold of dual power supply switching and the recognition accuracy

圖15中，經(jīng)過(guò)多組現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)定雙電源切換帶來(lái)的輸入阻抗變化差的閾值為10%，數(shù)據(jù)的預(yù)處理要實(shí)現(xiàn)歸一化并剔除異常數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)多組訓(xùn)練設(shè)定訓(xùn)練時(shí)間為2 000 s。在蘇州市姑蘇區(qū)、園區(qū)、新區(qū)、吳中區(qū)與相城區(qū)5個(gè)區(qū)選定2 436個(gè)典型的雙電源供電電梯計(jì)量點(diǎn)，測(cè)量正確率如表1所示。

表1 蘇州電網(wǎng)雙電源切換識(shí)別Table 1 Identification of dual power supply switching in Suzhou power grid

由表1可知，雙電源切換識(shí)別正確率在90%以上，基本能夠滿足營(yíng)銷工作的要求，可實(shí)現(xiàn)終端雙電源切換情況的識(shí)別，有效縮短由于雙電源切換導(dǎo)致的臺(tái)區(qū)線損不合格情況的發(fā)生和處理時(shí)間。為了提升雙電源臺(tái)區(qū)切換識(shí)別的正確率，在重點(diǎn)臺(tái)區(qū)應(yīng)調(diào)整雙電源切換載波發(fā)射的頻率帶寬，利用多次雙電源切換的結(jié)果進(jìn)行整體綜合判別，防止單次判別帶來(lái)的誤判。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)現(xiàn)實(shí)電網(wǎng)中存在的雙電源切換導(dǎo)致的臺(tái)區(qū)線損不合格情況進(jìn)行了細(xì)致的分析與推導(dǎo)，給出了蘇州地區(qū)電網(wǎng)受到雙電源切換影響程度的數(shù)據(jù)。此外，本文提出了基于電力線載波通信信道阻抗的雙電源切換感知方法，在不增加硬件條件的情況下，實(shí)現(xiàn)了臺(tái)區(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的自動(dòng)識(shí)別，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果證明了提出方法的有效性與正確性。未來(lái)需要進(jìn)一步改進(jìn)電力線載波發(fā)射接收裝置，將其融合到電網(wǎng)現(xiàn)有的智能電能表之中，實(shí)現(xiàn)所提方法的工程實(shí)際化應(yīng)用，并結(jié)合相關(guān)算法提升對(duì)復(fù)雜臺(tái)區(qū)雙電源切換的識(shí)別準(zhǔn)確率。D