低壓用電臺(tái)區(qū)智能表瞬時(shí)凍結(jié)技術(shù)研究及應(yīng)用

關(guān) 艷，王志斌，趙宇東，王浩淼，高曦瑩

(1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006)

低壓用電臺(tái)區(qū)智能表瞬時(shí)凍結(jié)技術(shù)研究及應(yīng)用

關(guān) 艷1，王志斌2，趙宇東2，王浩淼2，高曦瑩1

(1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006)

針對(duì)集抄系統(tǒng)深化應(yīng)用的需求，通過智能表瞬時(shí)凍結(jié)技術(shù)提供高同步性的用電信息原始數(shù)據(jù)。詳細(xì)介紹了瞬時(shí)凍結(jié)技術(shù)的關(guān)鍵依據(jù)和技術(shù)細(xì)節(jié)，克服了原有方案下臺(tái)區(qū)復(fù)雜拓?fù)湟约氨碛?jì)時(shí)鐘偏差對(duì)數(shù)據(jù)同步性的制約。

瞬時(shí)凍結(jié)；同步性；低壓臺(tái)區(qū)；深化應(yīng)用；遠(yuǎn)程抄表

隨著用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)的快速推進(jìn)，集抄覆蓋總數(shù)與覆蓋率均迅速增長(zhǎng)。采集系統(tǒng)的遠(yuǎn)程抄表成功率也不斷提高，一般臺(tái)區(qū)普遍高于99%。可見，集抄系統(tǒng)的底層通信已具備較高的可靠性[1]。因此，在低壓臺(tái)區(qū)集抄系統(tǒng)中，除了執(zhí)行用電量采集等基本業(yè)務(wù)，已經(jīng)具備承載更多深化應(yīng)用的條件。這些深化應(yīng)用包括計(jì)量裝置檢測(cè)，供電質(zhì)量監(jiān)測(cè)，用電需求預(yù)測(cè)等，它們對(duì)電力公司提高服務(wù)質(zhì)量，提升服務(wù)水平與用戶體驗(yàn)具有重要意義[2]。

低壓用電臺(tái)區(qū)負(fù)荷變化比較頻繁，而集抄系統(tǒng)深化應(yīng)用中所需的原始分析數(shù)據(jù)對(duì)同步性要求又較高?；诂F(xiàn)有的采集方法，想要獲取同步數(shù)據(jù)只能采集指定時(shí)刻凍結(jié)值或采集各電能表當(dāng)前值。由于表計(jì)時(shí)鐘不可避免存在偏差以及路由組網(wǎng)存在中繼等因素的影響，兩種方法均無法保證數(shù)據(jù)的同步性[3]。本文提出的瞬時(shí)凍結(jié)技術(shù)可以解決這一現(xiàn)實(shí)問題。

1 數(shù)據(jù)采集中的同步性問題

在集抄系統(tǒng)深化應(yīng)用中，絕大多數(shù)應(yīng)用對(duì)原始數(shù)據(jù)有較高的同步性需求。例如，臺(tái)區(qū)要監(jiān)測(cè)用戶實(shí)時(shí)電壓、臺(tái)區(qū)實(shí)時(shí)負(fù)荷曲線，若采集時(shí)間不一致，不能正確反映臺(tái)區(qū)電能表在同一時(shí)刻的表現(xiàn)，無法為進(jìn)一步分析提供可靠的原始材料。而現(xiàn)有的業(yè)務(wù)類型不足以支持如此高的同步性要求。首先，召測(cè)電能表某時(shí)刻的凍結(jié)數(shù)據(jù)并不能保證數(shù)據(jù)的同步性。因電能表時(shí)鐘偏差，采集回的電能表凍結(jié)數(shù)據(jù)不能確保取自同一時(shí)間點(diǎn)。采集當(dāng)前值亦不可行，因?yàn)閷?duì)全臺(tái)區(qū)來說采集任務(wù)本身無法瞬時(shí)完成，所謂當(dāng)前值對(duì)各電能表并不相同，所以也無法通過采集當(dāng)前值的方法來形成全臺(tái)區(qū)同一時(shí)間點(diǎn)的凍結(jié)數(shù)據(jù)。

可見，無論是抄讀某時(shí)刻的凍結(jié)值還是抄讀當(dāng)前值都不能保證數(shù)據(jù)的同步性。電能表彼此時(shí)鐘差別越大，凍結(jié)值的時(shí)間差別也就越大；臺(tái)區(qū)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)越復(fù)雜，中繼級(jí)別越深，不同表的“當(dāng)前時(shí)間”差別越大。而時(shí)間差別越大，在此時(shí)間段內(nèi)用戶負(fù)載變化的可能性也就越大，因此無法為深化應(yīng)用提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)材料。

為解決以上為問題，本文提出一種全新的瞬時(shí)凍結(jié)技術(shù)來保證采集數(shù)據(jù)的同步性。

2 瞬時(shí)凍結(jié)技術(shù)

瞬時(shí)凍結(jié)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)通信模塊對(duì)同一時(shí)間點(diǎn)所需任意數(shù)據(jù)項(xiàng)的凍結(jié)及抄讀，理論時(shí)間偏差可以控制在10 ms。主要依靠路由組網(wǎng)的中繼級(jí)別調(diào)節(jié)采集時(shí)間，從而達(dá)到較精確的數(shù)據(jù)采集同步。其相對(duì)時(shí)間調(diào)節(jié)的模式可以保證采集結(jié)果不受表計(jì)數(shù)量、臺(tái)區(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與表計(jì)時(shí)鐘偏差的影響。

瞬時(shí)凍結(jié)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)關(guān)鍵有兩點(diǎn)，一是電力線載波通信的過零同步，二是根據(jù)路由中繼級(jí)別實(shí)施的瞬時(shí)同步。

2.1 過零同步

電力線載波通信的過零通信模式利用低壓電力線三相交流市電電壓相差120°的特性，如圖1所示，以各相交流市電電壓過零時(shí)間點(diǎn)為時(shí)間基準(zhǔn)進(jìn)行同步處理，有效進(jìn)行各相交流市電通信時(shí)間的微分劃分，在工頻(50 Hz)的半個(gè)周波10 ms時(shí)間里，各相交流電均有一個(gè)電壓過零時(shí)間點(diǎn)，集中器與各載波模塊間進(jìn)行低壓電力線載波通信時(shí)使用各自過零的3.3 ms，利用此時(shí)段的低噪特性提高整體的通信成功率；基于過零傳輸載波信號(hào)，一個(gè)臺(tái)區(qū)的低壓電力線載波通信系統(tǒng)便具備了相同的同步基準(zhǔn)，其最大誤差僅為3個(gè)過零時(shí)隙的長(zhǎng)度，即半個(gè)周波10 ms。

圖1 三相電過零時(shí)隙圖

2.2 瞬時(shí)凍結(jié)

瞬時(shí)凍結(jié)過程由主站發(fā)起，向集中器發(fā)送瞬時(shí)凍結(jié)命令，集中器向下經(jīng)過路由、電力線、載波模塊幾個(gè)環(huán)節(jié)將命令發(fā)至電能表。電能表載波模塊接收命令，根據(jù)路由組網(wǎng)的實(shí)際情況，可以定義為0級(jí)中繼接收(直接接收)，1級(jí)中繼接收，2級(jí)中繼接收，…，n級(jí)中繼接收。經(jīng)0級(jí)中繼接收到瞬時(shí)凍結(jié)命令的載波模塊，需等待經(jīng)1，2，…，n級(jí)中繼的載波模塊接收到瞬時(shí)凍結(jié)命令后，各級(jí)中繼級(jí)別載波模塊同時(shí)執(zhí)行凍結(jié)命令,如圖2所示。

圖2 瞬時(shí)同步等待時(shí)間與中繼關(guān)聯(lián)示意圖

路由在發(fā)出的瞬時(shí)凍結(jié)命令報(bào)文中包含最大轉(zhuǎn)發(fā)級(jí)別信息，載波模塊接收到報(bào)文后，根據(jù)報(bào)文長(zhǎng)度以及自身中繼級(jí)別，進(jìn)行采集等待時(shí)間計(jì)算。到達(dá)等待時(shí)間載波模塊同時(shí)執(zhí)行凍結(jié)命令，向電能表索要所需數(shù)據(jù)，計(jì)算過程如下。

由報(bào)文長(zhǎng)度及通信速率可計(jì)算出需要的交流過零個(gè)數(shù)，具體算式與速率以及時(shí)隙的承載數(shù)據(jù)位數(shù)有關(guān)，這里將此關(guān)系抽象為函數(shù)f(x)，即M=f(L)，可得

t1=M×10=f(L)×10

(1)

經(jīng)n級(jí)中繼接收到命令的載波模塊，需等待時(shí)間為

T=(N-n)×t1

(2)

式中：L為報(bào)文長(zhǎng)度；N為最大中繼數(shù)；M為過零點(diǎn)個(gè)數(shù)；T為等待時(shí)間；t1為單級(jí)傳輸時(shí)間。

因正確運(yùn)行的系統(tǒng)中繼級(jí)別不會(huì)出錯(cuò)，可見T的理論精確度即為t1的精確度。由式(1)知，報(bào)文長(zhǎng)度在一次下發(fā)行為中為常數(shù)，函數(shù)f(x)為固定函數(shù)映射，所以t1的誤差為10 ms以內(nèi)。

3 瞬時(shí)凍結(jié)參數(shù)的應(yīng)用舉例

隨著人們生活水平不斷提高，家用電器增多，電網(wǎng)負(fù)荷不斷增大，引起線路電流增大，因而在線路上損失的電壓增大，到達(dá)末端用戶的電壓就會(huì)降低。這一問題在農(nóng)村臺(tái)區(qū)尤為明顯，為了提高用戶電能質(zhì)量和載波抄表成功率，在配電環(huán)節(jié)對(duì)采集系統(tǒng)提出了采集監(jiān)測(cè)用戶電壓信息的要求[4]。

電壓監(jiān)測(cè)顯然對(duì)電壓數(shù)據(jù)的同步性有很高的要求，若采集數(shù)據(jù)時(shí)刻有偏差，那么分析結(jié)果將失去意義。利用本文的瞬時(shí)凍結(jié)技術(shù)可以靈活召測(cè)臺(tái)區(qū)用戶電壓同步數(shù)據(jù)，精確定位真實(shí)的低電壓用戶，可依據(jù)此數(shù)據(jù)縱向分析臺(tái)區(qū)內(nèi)各用戶電壓之間的關(guān)系，以及橫向?qū)Ρ炔煌瑫r(shí)間臺(tái)區(qū)低電壓用戶出現(xiàn)的頻率，為低電壓臺(tái)區(qū)整治工作提供精確豐富的數(shù)據(jù)支持。

現(xiàn)以某供電公司某臺(tái)區(qū)為例，采集臺(tái)區(qū)內(nèi)67戶用戶表某日零點(diǎn)瞬時(shí)凍結(jié)電壓數(shù)據(jù)，瞬時(shí)電壓離散點(diǎn)圖如圖3所示，瞬時(shí)電壓柱狀圖如圖4所示。

圖3 瞬時(shí)電壓離散點(diǎn)圖

圖4 瞬時(shí)電壓柱狀圖

此外，該技術(shù)的應(yīng)用還包括：凍結(jié)瞬時(shí)電流，獲取臺(tái)區(qū)真實(shí)的用電情況；凍結(jié)瞬時(shí)功率，對(duì)供電高峰期的負(fù)荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并依據(jù)歷史數(shù)據(jù)預(yù)調(diào)節(jié)供電參數(shù)；凍結(jié)電能表自身參數(shù)，如時(shí)鐘等，統(tǒng)計(jì)電能表產(chǎn)品性能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況；凍結(jié)三相表的分相實(shí)時(shí)電量作為分相凍結(jié)數(shù)據(jù)，為分相線損的計(jì)算提供精確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

依托當(dāng)前集抄系統(tǒng)穩(wěn)定的通信性能，各種深化應(yīng)用需求變得可能且緊迫。本文提出的瞬時(shí)凍結(jié)技術(shù)可以為集抄系統(tǒng)的深化應(yīng)用提供高同步性的基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，避免了臺(tái)區(qū)拓?fù)浜蜁r(shí)鐘偏差等因素對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的限制。該技術(shù)同步誤差可控制在10 ms以內(nèi)，滿足了各種數(shù)據(jù)分析的同步需求。

[1] 李 楠,屈百達(dá).基于電力線載波與GPRS相結(jié)合的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)[J].電測(cè)與儀表,2007,44(9):33-37.

[2] 李榮升, 王 橋, 孫亞男. 淺談?dòng)秒娦畔⒉杉到y(tǒng)深化應(yīng)用[J].中國(guó)科技博覽, 2015,35(17):282.

[3] 祝 婧, 劉 水, 朱 亮.時(shí)鐘同步在用電信息采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電測(cè)與儀表, 2016,53(S1): 157-159.

[4] Chang C S, Loh P C. Integration of fault current limiters on power systems for voltage quality improvement[J], Electric power systems research, 2001, 57(2): 83-92.

Research and Application on Instantaneous Freezing Technology of Intelligent Electric Energy Meter in Low Voltage Power Station

GUAN Yan1,WANG Zhibin2,ZHAO Yudong2,WANG Haomiao2,GAO Xiying1

(1. Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China;2.State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China)

To deepen the application of power centralized meter reading system requirements, this paper proposes instantaneous freezing technology of smart meter is used to provide high synchronicity raw data of electricity information. The key gist and technical details of instantaneous freezing technology is introduced in detail in this paper. This technology overcomes complex topologies of original plan in power station and the restricts of the clock deviation to data synchronization.

instantaneous freezing；synchronicity；low voltage power station；further application；remote meter reading

TM76

A

1004-7913(2017)02-0025-03

關(guān) 艷(1974)，女，高級(jí)工程師，主要從事電能計(jì)量、用電采集在營(yíng)銷業(yè)務(wù)中的應(yīng)用研究。

2016-12-22)