電力線路線損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

張曉新王國偉林 峰王宇鵬

(1.沈陽航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136；2.沈陽航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

線損率是量化線損的衡量標(biāo)準(zhǔn)，是綜合體現(xiàn)電力系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及經(jīng)營管理水平的重要標(biāo)準(zhǔn)，與電力供應(yīng)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益密切相關(guān)，是電力供應(yīng)企業(yè)的一項(xiàng)重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)[1-2]。臺(tái)區(qū)是指一臺(tái)變壓器的供電區(qū)域，低壓臺(tái)區(qū)指變壓器用戶側(cè)380 V/220 V所覆蓋的區(qū)域。在電力供應(yīng)系統(tǒng)總體線損中，低壓臺(tái)區(qū)產(chǎn)生的線損占60%～70%，不僅給電力供應(yīng)企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，也給用戶的用電安全來了一定的隱患[3-4]。

如今，大多數(shù)電力供應(yīng)企業(yè)所采取的線損監(jiān)測(cè)方法為:電能表定時(shí)上傳用戶用電數(shù)據(jù)至電網(wǎng)管理平臺(tái)，由工作人員分析是否存在線損超標(biāo)的情況，若發(fā)現(xiàn)該臺(tái)區(qū)內(nèi)存在線損超標(biāo)情況，電力供應(yīng)企業(yè)會(huì)派出工作人員在該臺(tái)區(qū)內(nèi)進(jìn)行逐點(diǎn)排查，找出線損超標(biāo)原因[5]。目前主要存在的兩個(gè)問題:絕大多數(shù)的智能型電表在長時(shí)間的運(yùn)行后，時(shí)鐘基準(zhǔn)會(huì)發(fā)生偏移，造成電表的用電數(shù)據(jù)上傳時(shí)間點(diǎn)相差很大，從而導(dǎo)致所計(jì)算出的線損率與實(shí)際線損率相差較大；在已知線損超標(biāo)的情況發(fā)生后，現(xiàn)有平臺(tái)缺乏對(duì)故障點(diǎn)定位功能，人工排查費(fèi)時(shí)費(fèi)力。隨著電力計(jì)量系統(tǒng)的建設(shè)和國家電力體制改革的深化，如何有效加強(qiáng)低壓臺(tái)區(qū)的線損管理，變得尤為重要[5]。

本文提出一種物聯(lián)網(wǎng)方案，以STM32 控制器為核心，使用電量計(jì)量芯片、645 規(guī)約、698 規(guī)約實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)低壓臺(tái)區(qū)的線損情況。結(jié)合NB-IoT 技術(shù)，與OneNet 云平臺(tái)之間通過MQTT 協(xié)議通訊，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上報(bào)與用戶命令下發(fā)功能。通過上位機(jī)網(wǎng)頁，獲取OneNet 云平臺(tái)中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并計(jì)算分析，實(shí)現(xiàn)一鍵線損率計(jì)算、故障點(diǎn)定位的功能。

1 線損監(jiān)測(cè)理論依據(jù)

本節(jié)介紹的電流、線損率公式推導(dǎo)是上位機(jī)線損率計(jì)算、故障點(diǎn)定位功能的理論依據(jù)。根據(jù)低壓臺(tái)區(qū)的情況，建立臺(tái)區(qū)的樹形結(jié)構(gòu)如圖1 所示，此臺(tái)區(qū)包括城鎮(zhèn)線路、散戶線路共有k條。每條線路上有n個(gè)節(jié)點(diǎn)，用于監(jiān)測(cè)此節(jié)點(diǎn)所在線上實(shí)際電流。每條線路包含n-1 條支路，在城鎮(zhèn)線路中，支路與安裝在樓道內(nèi)的電表箱相連；在散戶線路中，支路與安裝在戶外的電能表相連。

圖1 低壓臺(tái)區(qū)線路樹形結(jié)構(gòu)

圖1 中每條支路所通過的實(shí)際電流可通過相鄰兩節(jié)點(diǎn)電流的差值求出，表達(dá)式為:

式(1)中，Ibypath(i，j)為支路[i，j]的電流，i=1，2，…，n，j=1，2，…，k；Inode(i，j)、Inode(i，j+1)分別為節(jié)點(diǎn)[i，j]、節(jié)點(diǎn)[i，j+1]所流過的電流。各個(gè)線路中的總電流表達(dá)式:

在式(2)中，ILi為第i條線路的總電流；Ibypath(i，j)為支路[i，j]的電流；Inode(i，n)為節(jié)點(diǎn)[i，n]所經(jīng)過的電流。

由式(1)可得出各個(gè)支路的線損率表達(dá)式:

在式(3)中，Rbypath(i，j)為支路[i，j]的線損率；Imeter(i，j)為電表箱[i，j]或電表[i，j]所流過的總電流值；Inode(i，j)、Inode(i，j+1)分別為節(jié)點(diǎn)[i，j]、節(jié)點(diǎn)[i，j+1]所流過的電流。各個(gè)線路的線損率表達(dá)式:

在式(4)中Ri為第i條線路的線損率；Imeter(i，j)為電表箱[i，j]或電表[i，j]所流過的總電流值；Inode(i，1)、Inode(i，n)分別為節(jié)點(diǎn)[i，1]、節(jié)點(diǎn)[i，n]所流過的電流。

低壓臺(tái)區(qū)總體線損率為各條線路線損率平均值，表達(dá)式為:

在式(5)中Rsum為圖1 中變壓器所覆蓋的低壓臺(tái)區(qū)的線損率，Ri為各條線路的線損率。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

本文所設(shè)計(jì)的電力線路線損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)初步處理、數(shù)據(jù)上傳、云端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、云端數(shù)據(jù)計(jì)算、原始數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果顯示的功能[6]?？筛鶕?jù)典型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備架構(gòu)分為三層:感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、應(yīng)用層[7-8]，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

感知層負(fù)責(zé)臺(tái)區(qū)內(nèi)用戶用電量數(shù)據(jù)的采集、初步處理、上傳，共包含三種設(shè)備:設(shè)備α、設(shè)備β、設(shè)備γ。設(shè)備α 安裝在城鎮(zhèn)線路樓道內(nèi)的電表箱中，功能是對(duì)城鎮(zhèn)線路的線損進(jìn)行監(jiān)測(cè)，包括電表箱進(jìn)線總電流的采集、電表箱內(nèi)各用戶電能表統(tǒng)計(jì)電流的讀取以及線損的計(jì)算。設(shè)備β 功能是采集圖1中散戶線路節(jié)點(diǎn)上流過的實(shí)際電流。設(shè)備γ 的功能是讀取圖1 中散戶線路上用戶電能表所統(tǒng)計(jì)的電流。設(shè)備β、設(shè)備γ 相互配合監(jiān)測(cè)散戶線路的線損情況，服務(wù)器接收到設(shè)備β、設(shè)備γ 的數(shù)據(jù)后進(jìn)行散戶線路的線損計(jì)算。

網(wǎng)絡(luò)傳輸層中的基站負(fù)責(zé)與感知層中的設(shè)備α、設(shè)備β、設(shè)備γ 通過NB-IoT 模塊建立連接?；咀鳛橹虚g樞紐將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存入服務(wù)器，服務(wù)器對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存、計(jì)算。

應(yīng)用層由Web 上位機(jī)、手機(jī)App 組成，調(diào)取服務(wù)器中儲(chǔ)存的原始數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果，呈現(xiàn)于用戶面前。用戶可通過應(yīng)用層向設(shè)備α、設(shè)備β、設(shè)備γ 發(fā)送指令控制設(shè)備立即上傳數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件部分所包含的三個(gè)設(shè)備:設(shè)備α、設(shè)備β、設(shè)備γ。其中，設(shè)備α 負(fù)責(zé)城鎮(zhèn)居民臺(tái)區(qū)的用電數(shù)據(jù)采集；設(shè)備β、設(shè)備γ 相互配合，完成散戶居民臺(tái)區(qū)的用電數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 城鎮(zhèn)臺(tái)區(qū)集中表箱端(設(shè)備α)硬件設(shè)計(jì)

設(shè)備α 組成如圖3 中城鎮(zhèn)臺(tái)區(qū)設(shè)備α 框圖所示，共包含7 部分:電流采集單元、NB-IoT、控制器、顯示屏、485 接口、輸入按鍵、單相型智能電表。電流采集單元用于采集線纜上流過的電流，并將數(shù)據(jù)通過串口傳送至控制器，485 接口使用645 規(guī)約、698 規(guī)約與單相智能型電表建立通訊，讀取電表中的電流數(shù)據(jù)，并將電流數(shù)據(jù)送至控制器，控制器將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，并通過NB-IoT 將原始數(shù)據(jù)及分析結(jié)果統(tǒng)一上報(bào)至云平臺(tái)[9-10]。用戶可通過顯示屏、輸入按鍵查看臺(tái)區(qū)內(nèi)用電數(shù)據(jù)和設(shè)置電流互感器變比。

3.2 散戶臺(tái)區(qū)節(jié)點(diǎn)端(設(shè)備β)硬件設(shè)計(jì)

設(shè)備β 其組成如圖3 中散戶臺(tái)區(qū)設(shè)備β 框圖所示，設(shè)備β 共包含3 部分:控制器、電流采集單元、NB-IoT。控制器通過電流采集單元采集線上電流，將電流數(shù)據(jù)通過NB-IoT 上傳至云平臺(tái)。

3.3 散戶臺(tái)區(qū)單表位端(設(shè)備γ)硬件設(shè)計(jì)

設(shè)備γ 組成如圖3 中散戶臺(tái)區(qū)設(shè)備γ 框圖所示，設(shè)備γ 共包括4 部分:控制器、485 接口、NB-IoT、單相型智能電表。控制器通過485 接口使用645 規(guī)約、698 規(guī)約讀取單相智能電表中的電流值，并通過NB-IoT 上傳至云平臺(tái)。

3.4 電流采集單元硬件設(shè)計(jì)

在設(shè)備α、設(shè)備β 硬件設(shè)計(jì)中都用到了電流采集單元，這部分關(guān)系到線損檢測(cè)的準(zhǔn)確性。電流采集單元由電量計(jì)量芯片、電流互感器所構(gòu)成[11]，電流采集單元如圖4 所示。為了提高測(cè)量精度，采用多項(xiàng)式擬合算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

圖4 電流采集單元

以200/5 A 電流互感器為例，借助MATLAB 工具，使用數(shù)據(jù)擬合的手段將電流采集精度提升至0.3%，滿足了電力線路線損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所需的精度要求。數(shù)據(jù)擬合所使用的數(shù)據(jù)由實(shí)驗(yàn)所得，采集電流的數(shù)據(jù)擬合樣本如表1 所示。

表1 采集電流的數(shù)據(jù)擬合樣本

由表1 中數(shù)據(jù)擬合所得多項(xiàng)式為:

在式(6)中，x是控制器從電量計(jì)量芯片所接收的數(shù)據(jù)，作為多項(xiàng)式的輸入量；y是被測(cè)電力線纜中流過的實(shí)際電流，是多項(xiàng)式的輸出量，表2 所列為多項(xiàng)式中的各項(xiàng)系數(shù)。

表2 多項(xiàng)式系數(shù)

4 上位機(jī)介紹及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)分析

4.1 上位機(jī)軟件介紹

上位機(jī)采用Java 語言進(jìn)行開發(fā)，利用MySQL 數(shù)據(jù)庫獲取OneNet 云平臺(tái)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)命令下發(fā)、監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、線損率實(shí)時(shí)計(jì)算、故障點(diǎn)定位的功能[12-13]，圖5 為低壓臺(tái)區(qū)上位機(jī)監(jiān)測(cè)頁面。

根據(jù)低壓臺(tái)區(qū)電網(wǎng)的分布特點(diǎn)，上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面左側(cè)呈樹形結(jié)構(gòu)[12]?！癤X 片區(qū)”為實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)中某一低壓臺(tái)區(qū)，根據(jù)用戶居住環(huán)境的不同，“XX 片區(qū)”分為兩部分:(1)城鎮(zhèn)居民臺(tái)區(qū)(圖中“樓房臺(tái)區(qū)1”)；(2)散戶居民臺(tái)區(qū)(圖中“胡同臺(tái)區(qū)1”)。

城鎮(zhèn)居民臺(tái)區(qū)包括1 號(hào)樓、2 號(hào)樓，每棟樓中又包含五個(gè)單元，系統(tǒng)以單元為單位對(duì)城鎮(zhèn)居民臺(tái)區(qū)進(jìn)行線損監(jiān)測(cè)。散戶居民臺(tái)區(qū)包含1-5 號(hào)胡同線路。每個(gè)胡同線路中包含若干分支段路，例如在圖5 中1 號(hào)胡同線路包含1 號(hào)段路、2 號(hào)段路、3 號(hào)段路，系統(tǒng)以段路為單位對(duì)散戶居民臺(tái)區(qū)進(jìn)行線損監(jiān)測(cè)。上位機(jī)根據(jù)多節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)計(jì)算各分支的線損率及低壓臺(tái)區(qū)內(nèi)總體線損率，用戶可點(diǎn)擊左側(cè)樹形結(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)查看。

圖5 低壓臺(tái)區(qū)上位機(jī)監(jiān)測(cè)頁面

例如，點(diǎn)擊圖5 樹形結(jié)構(gòu)中的1 單元，可查到此單元的總電流為80.38 A，線損率為9.976%；點(diǎn)擊1號(hào)段路，可查到此段路的總電流為50.323 A，線損率為4.283%。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)分析

在某線損率超標(biāo)嚴(yán)重的臺(tái)區(qū)內(nèi)，按照此臺(tái)區(qū)供電線路的樹形結(jié)構(gòu)安裝設(shè)備，建立監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)啟動(dòng)約2 min 后，上位機(jī)陸續(xù)顯示監(jiān)測(cè)信息，此時(shí)臺(tái)區(qū)的線損率為16.3%，總損失電流為82.47 A，其中城鎮(zhèn)居民臺(tái)區(qū)的線損率為7.3%，損失電流為22.82 A，占整個(gè)臺(tái)區(qū)總損失電流的27.67%；散戶居民臺(tái)區(qū)的線損率為30.9%，損失電流為59.65 A，占整個(gè)臺(tái)區(qū)損失電流的72.33%。

經(jīng)以上監(jiān)測(cè)信息得知，散戶居民臺(tái)區(qū)的線損率嚴(yán)重超過國網(wǎng)管理規(guī)定的9%[6]。系統(tǒng)通過上位機(jī)對(duì)圖5 左側(cè)樹形結(jié)構(gòu)中胡同臺(tái)區(qū)1 的各個(gè)胡同線路的線損獲取分析，胡同臺(tái)區(qū)的胡同線路共有5 條，記為Li，i=1，2，…，5，RLi為各條胡同線路的線損率，ILi為各條胡同線路的損失電流，胡同線路監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 胡同線路監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

其中，RL1嚴(yán)重超過其他胡同線路的線損率，系統(tǒng)進(jìn)一步對(duì)胡同線路1 的各個(gè)分支段路的線損獲取并分析。R(L1，j)、I(L1，j)，j=1，2，3 為胡同線路1 各分支段路的線損率、損失電流數(shù)據(jù)如表4 所示。

表4 胡同線路1 分支段路監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

其中R(L1，2)遠(yuǎn)超正常的線損率，說明胡同線路1中的分支段路2 存在故障點(diǎn)。工作人員對(duì)胡同線路1的分支段路2 展開排查，在此段路的電力井中發(fā)現(xiàn)有非法私接線路現(xiàn)象。解決此故障后再次對(duì)此段路監(jiān)測(cè)，I(L1，2)由19.4 A 減小為0.9 A，R(L1，2)由60.1%減小為2.8%；此低壓臺(tái)區(qū)總線損率由16.3%減小為12.6%。以此方法類推，解決其余各路的線損超標(biāo)問題，最終將此低壓臺(tái)區(qū)總線損率降低至5.8%。

5 結(jié)語

針對(duì)電力供應(yīng)企業(yè)降低低壓臺(tái)區(qū)線損的需求，本文中提出的方案，基于現(xiàn)有的低壓臺(tái)區(qū)電力系統(tǒng)，在不改變現(xiàn)有電力線路的情況下，實(shí)時(shí)采集用戶用電數(shù)據(jù)并迅速判斷是否發(fā)生線損超標(biāo)，定位故障點(diǎn)。用戶可通過上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)低壓臺(tái)區(qū)內(nèi)線損情況?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的電力線路線損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有較好的實(shí)用性，實(shí)現(xiàn)了低壓臺(tái)區(qū)內(nèi)線損監(jiān)測(cè)和故障點(diǎn)定位功能。