基于載波通信技術(shù)的低壓配電網(wǎng)設(shè)備自動(dòng)化識(shí)別系統(tǒng)

張鳳翱，李國(guó)平

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司湖州供電公司，浙江 湖州 313000）

基于載波通信技術(shù)的低壓配電網(wǎng)設(shè)備自動(dòng)化識(shí)別系統(tǒng)

張鳳翱，李國(guó)平

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司湖州供電公司，浙江 湖州 313000）

運(yùn)用一種低壓配電網(wǎng)設(shè)備自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過(guò)在表箱、分支表箱、出線開(kāi)關(guān)處安裝各類編碼控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)臺(tái)區(qū)低壓側(cè)設(shè)備、各設(shè)備間的拓?fù)潢P(guān)系的自動(dòng)化信息管理。為低壓線損分段、分塊的準(zhǔn)確分析、基于臺(tái)區(qū)低壓設(shè)備拓?fù)潢P(guān)系管理的GIS信息管理系統(tǒng)提供一種自動(dòng)化、信息可識(shí)別的實(shí)現(xiàn)方法。

低壓配電網(wǎng)；臺(tái)區(qū)線損；編碼控制器；OFDM PRIME載波

0 引言

低壓配電網(wǎng)是直接面向用戶供電的末端網(wǎng)絡(luò)，是電網(wǎng)的重要組成部分，近年來(lái)隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)，低壓配電網(wǎng)智能終端監(jiān)測(cè)、用電信息采集、低壓電網(wǎng)GIS（地理信息系統(tǒng)）等系統(tǒng)的建設(shè)及應(yīng)用，為低壓電網(wǎng)的智能化、信息化管理創(chuàng)造了有利條件，大大提高了供電可靠性和安全性。但上述系統(tǒng)在建設(shè)過(guò)程中，對(duì)公用變壓器（以下簡(jiǎn)稱公變）以下的用電網(wǎng)設(shè)備的數(shù)字化信息管理均處于盲區(qū)，基本以紙質(zhì)條形碼人工方式進(jìn)行信息管理，人力投入較大、工作效率低，設(shè)備變化的實(shí)時(shí)性和正確性得不到保證。實(shí)際應(yīng)用中，基本以公變?yōu)閱挝粚?duì)臺(tái)區(qū)的低壓設(shè)備進(jìn)行分類匯總統(tǒng)計(jì)，難以對(duì)具體低壓設(shè)備進(jìn)行定位與查詢，也不能反應(yīng)相關(guān)設(shè)備之間的拓?fù)鋵哟侮P(guān)系。而隨著各信息系統(tǒng)的逐步推進(jìn)，電力部門對(duì)低壓配電網(wǎng)的應(yīng)用逐漸深入，相關(guān)問(wèn)題隨之產(chǎn)生，如：出現(xiàn)線路或設(shè)備故障時(shí)，難以準(zhǔn)確定位設(shè)備位置進(jìn)行快速排查；臺(tái)區(qū)線損偏高時(shí)，難以通過(guò)分塊、分段的方式縮小排查范圍；配電箱、電纜分支箱、表箱等電氣設(shè)備之間缺乏拓?fù)潢P(guān)系，難以實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)內(nèi)所有設(shè)備的對(duì)應(yīng)關(guān)系和層次結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)管理。

針對(duì)上述問(wèn)題，提出一種解決思路及手段，通過(guò)在低壓配電網(wǎng)的各級(jí)設(shè)備，包括變壓器、出線間隔或配電箱、開(kāi)關(guān)或漏電保護(hù)器（以下簡(jiǎn)稱漏保）、分支箱、電表箱、電表及采集器上裝設(shè)各類編碼通信器，利用新一代通信技術(shù)，自動(dòng)建立全部低壓設(shè)備的電子身份信息檔案庫(kù)。

1 總體設(shè)計(jì)思路

對(duì)于公變下的電力設(shè)備，信息化管理的重點(diǎn)是：出線間隔箱/配電箱、開(kāi)關(guān)或漏保、分支箱、電表箱、電表及采集器。該自動(dòng)化識(shí)別系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路是在上述設(shè)備附近并聯(lián)安裝編碼通信器，通過(guò)設(shè)置編碼通信器所在設(shè)備的類型、編碼、地理位置信息等，實(shí)現(xiàn)對(duì)低壓設(shè)備的拓?fù)浼靶畔⒐芾怼＞幋a控制器是一種特殊的數(shù)據(jù)通信裝置，各類編碼管理器均內(nèi)置基于PRIME技術(shù)的載波通信模塊，采用PRIME載波技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)自發(fā)現(xiàn)、自注冊(cè)技術(shù)，國(guó)網(wǎng)RS485電能表的自動(dòng)搜索表地址技術(shù)，由臺(tái)區(qū)公變編碼管理器實(shí)現(xiàn)各級(jí)設(shè)備編碼、設(shè)備類型、電能表與表箱編碼管理器之間拓?fù)潢P(guān)系的設(shè)備信息采集及管理。

2 關(guān)鍵技術(shù)解決

2.1 關(guān)鍵通信技術(shù)方案

2.1.1 PRIME載波通信

集中器與各種編碼管理器之間采用PRIME載波通信技術(shù)。PRIME是由PRIME聯(lián)盟推出的開(kāi)放式多供應(yīng)商解決方案，采用OFDM技術(shù)，使用了97個(gè)子載波、2.24 ms的長(zhǎng)符號(hào)、2 ms的序和4.48的開(kāi)頭。為了避免重復(fù)法和RS糾錯(cuò)的復(fù)雜性，采用了能效高3倍的符號(hào)來(lái)提高通信穩(wěn)定性。

PRIME系統(tǒng)是由各臺(tái)變的子網(wǎng)構(gòu)成的，每個(gè)子網(wǎng)含有2種節(jié)點(diǎn)，包括基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)和各業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 PRIME系統(tǒng)子網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2.1.2 基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)

基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)是連接子網(wǎng)的主節(jié)點(diǎn)，管理子網(wǎng)的資源和連接。每個(gè)子網(wǎng)只有1個(gè)基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)?；A(chǔ)節(jié)點(diǎn)自身對(duì)子網(wǎng)做初始化，其他節(jié)點(diǎn)按照一定的注冊(cè)流程登錄到該子網(wǎng)中。

2.1.3 業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)

子網(wǎng)的其他節(jié)點(diǎn)都是業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)在斷開(kāi)狀態(tài)下按一定的規(guī)程啟動(dòng)建立網(wǎng)路連接，每個(gè)這樣的節(jié)點(diǎn)都是子網(wǎng)網(wǎng)格的一個(gè)點(diǎn)。這些點(diǎn)的作用是：將自身連接到子網(wǎng)、轉(zhuǎn)接鄰近節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)中繼連接。

業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)的工作態(tài)在“端接”和“轉(zhuǎn)接”之間動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換。節(jié)點(diǎn)功能狀態(tài)的轉(zhuǎn)換根據(jù)預(yù)先定義好的網(wǎng)路事件來(lái)觸發(fā)。

如圖2所示，業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)有3種功能狀態(tài)：

（1）斷開(kāi)：業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)從斷開(kāi)開(kāi)始工作。在此狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)不能和其他節(jié)點(diǎn)通信或通信轉(zhuǎn)接。在這個(gè)狀態(tài)下基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)的主要功能就是搜尋一個(gè)可用的鄰近網(wǎng)絡(luò)并主動(dòng)注冊(cè)。

（2）端接：這種狀態(tài)下業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)只能建立連接實(shí)現(xiàn)通信傳輸，不能轉(zhuǎn)接其他節(jié)點(diǎn)的通信。

（3）轉(zhuǎn)接：這種狀態(tài)下業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)除了端接功能外，還有轉(zhuǎn)接子網(wǎng)其它設(shè)備數(shù)據(jù)的功能。

圖2 業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)的功能狀態(tài)

PRIME協(xié)議規(guī)定，中繼級(jí)別數(shù)沒(méi)有限制。由于PLC通路的雜音衰耗的隨機(jī)時(shí)變性，各個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)也非固定，而是有隨機(jī)被升降的可能。在找到所有的服務(wù)節(jié)點(diǎn)組成網(wǎng)絡(luò)后，基站還要定期下發(fā)廣播信標(biāo)，進(jìn)行系統(tǒng)巡檢，任免中繼節(jié)點(diǎn)等；網(wǎng)路中所有節(jié)點(diǎn)要回應(yīng)巡檢信標(biāo)，匯報(bào)其通路正常信息，另外中繼節(jié)點(diǎn)還要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)信標(biāo)。這樣，全網(wǎng)路時(shí)刻保持暢通無(wú)阻，系統(tǒng)無(wú)需進(jìn)行初期規(guī)劃，即插即用，可實(shí)時(shí)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)路的互連互通。

2.1.4 MAC層尋址

每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)通用的MAC地址，這個(gè)地址是一個(gè)48 bit的字段，在IEE 802-2001中字段被命名為EUI-48。

制造商在生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)置MAC地址，該地址被普遍用于網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)過(guò)程中以區(qū)別每個(gè)節(jié)點(diǎn)。每個(gè)子網(wǎng)只有一個(gè)基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)，因此該基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)的EUI-48字段由于在全網(wǎng)絡(luò)中的唯一性被用于區(qū)分子網(wǎng)，被稱作子網(wǎng)地址（簡(jiǎn)稱SNA）。

SID（轉(zhuǎn)接節(jié)點(diǎn)編號(hào)）是一個(gè)8 bit的編碼，子網(wǎng)中每個(gè)轉(zhuǎn)接節(jié)點(diǎn)都有唯一的SID，子網(wǎng)的基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)在節(jié)點(diǎn)升級(jí)過(guò)程中對(duì)轉(zhuǎn)接節(jié)點(diǎn)設(shè)置SID。通過(guò)SNA和SID才能區(qū)別轉(zhuǎn)接節(jié)點(diǎn)。SID=0的情況下該節(jié)點(diǎn)就是基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)。

在注冊(cè)過(guò)程中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)收到其LNID（本地節(jié)點(diǎn)編碼），這是一個(gè)14 bit的編碼，由同一轉(zhuǎn)接節(jié)點(diǎn)服務(wù)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)有不同的LNID。在初始化注冊(cè)過(guò)程中接收到的LNID以及建立該連接的轉(zhuǎn)接節(jié)點(diǎn)的SID，兩者結(jié)合起來(lái)被稱作NID（22 bit）。NID可以用于在子網(wǎng)中區(qū)分每個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)SNA和NID可以區(qū)別每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)接節(jié)點(diǎn)的LNID=0。

在每次連接建立過(guò)程中，都將產(chǎn)生一個(gè)LCID（本地連接編號(hào)），這個(gè)字段共9 bit，用于區(qū)別每個(gè)節(jié)點(diǎn)的每一次連接過(guò)程。NID加上LCID被稱作CID（31 bit）。CID可以用于區(qū)別在一個(gè)子網(wǎng)中的每一次連接。通過(guò)SNA和CID可以區(qū)別每一次連接。

另外還有用于組播和廣播功能的地址，這些地址用于數(shù)據(jù)以及控制信息的傳送。根據(jù)通信流量的實(shí)際環(huán)境有幾種組播和廣播功能地址類型。

每個(gè)業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上都有一個(gè)等級(jí)。和基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)直接連接的節(jié)點(diǎn)的等級(jí)是0級(jí)。從基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)帶每個(gè)和基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)不直接相連的業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)，等級(jí)這樣計(jì)算：每過(guò)1次轉(zhuǎn)接節(jié)點(diǎn)等級(jí)值加1。

2.1.5 載波注冊(cè)流程

表箱編碼管理器通過(guò)RS485總線與居民表計(jì)相連接，并且通過(guò)縮位尋址的方式主動(dòng)發(fā)現(xiàn)設(shè)備地址，并主動(dòng)上報(bào)到主站。實(shí)現(xiàn)設(shè)備物理連接的拓?fù)潢P(guān)系識(shí)別。

2.2 各節(jié)點(diǎn)設(shè)備、相應(yīng)軟件的功能設(shè)計(jì)

對(duì)于一套完整的能夠?qū)崿F(xiàn)低壓配電網(wǎng)設(shè)備自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的系統(tǒng)，牽涉到的產(chǎn)品范圍包括：

（1）表箱編碼管理器：通過(guò)RS485總線，DL 645-2007規(guī)約縮位尋址，廣播自動(dòng)識(shí)別表箱內(nèi)電表通信地址，采集并存儲(chǔ)表計(jì)信息、電表類型，存儲(chǔ)表箱編碼、類型信息等，并通過(guò)PRIME載波網(wǎng)絡(luò)上傳到臺(tái)區(qū)公變編碼管理器。其設(shè)備地址編碼規(guī)則為：03+10位唯一序列號(hào)。

（2）分支表箱編碼管理器：存儲(chǔ)分支表箱編碼信息及類型，并上傳到臺(tái)區(qū)公變編碼管理器。其設(shè)備地址編碼規(guī)則為：02+10位唯一序列號(hào)。

（3）出線開(kāi)關(guān)編碼管理器：存儲(chǔ)出線開(kāi)關(guān)編碼信息及類型，并上傳到臺(tái)區(qū)公變編碼管理器。其設(shè)備地址編碼規(guī)則為：01+10位唯一序列號(hào)。

（4）臺(tái)區(qū)公變編碼管理器：采集各類編碼管理器編碼信息、類型，公變下電表表號(hào)信息、類型、對(duì)應(yīng)表箱編碼拓?fù)潢P(guān)系信息的管理及存儲(chǔ)、并通過(guò)GPRS上傳到信息采集管理軟件。其設(shè)備地址編碼規(guī)則為：00+10位唯一序列號(hào)。

（5）臺(tái)區(qū)低壓設(shè)備信息采集管理軟件：與臺(tái)區(qū)公變編碼管理器通信，采集編碼管理器內(nèi)存儲(chǔ)的臺(tái)區(qū)下各設(shè)備編碼、設(shè)備類型、設(shè)備間拓?fù)潢P(guān)系。

（6）GIS軟件：根據(jù)采集到的臺(tái)區(qū)下各設(shè)備編碼、設(shè)備類型、設(shè)備間拓?fù)潢P(guān)系，生產(chǎn)低壓側(cè)拓?fù)潢P(guān)系及GIS信息圖。

2.3 可實(shí)現(xiàn)的樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

通過(guò)如圖3所示的樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)線路上設(shè)備的管理。該樹(shù)形結(jié)構(gòu)可以通過(guò)上位機(jī)導(dǎo)出到XML文件，以便將該樹(shù)形結(jié)構(gòu)導(dǎo)入到現(xiàn)有的營(yíng)銷系統(tǒng)中，能夠大大減少目前營(yíng)銷系統(tǒng)的人力操作。

圖3 樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.4 與已有系統(tǒng)的互聯(lián)應(yīng)用

系統(tǒng)建設(shè)完成后，所有臺(tái)區(qū)低壓側(cè)設(shè)備信息及設(shè)備間拓?fù)潢P(guān)系均能夠通過(guò)文件方式導(dǎo)出，或通過(guò)Web Service技術(shù)實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有GIS系統(tǒng)、電力營(yíng)銷管理系統(tǒng)、集抄系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)信息交互，或直接接入現(xiàn)有的集抄系統(tǒng)。

3 測(cè)試情況

在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，采用了居民表4臺(tái)、表箱編碼管理器2臺(tái)、分支表箱編碼管理器2臺(tái)、出線開(kāi)關(guān)編碼管理器2臺(tái)、臺(tái)區(qū)公變編碼管理器1臺(tái)，通過(guò)PRIME載波組網(wǎng)測(cè)試。采用臺(tái)區(qū)低壓設(shè)備信息采集管理軟件讀到的設(shè)備拓?fù)潢P(guān)系如圖4所示。

圖4 通過(guò)軟件讀取的設(shè)備拓?fù)潢P(guān)系

導(dǎo)出到XML文件后，使用IE瀏覽器打開(kāi)后的樹(shù)結(jié)構(gòu)如圖5所示。該樹(shù)形結(jié)構(gòu)可以導(dǎo)入到現(xiàn)有的GIS系統(tǒng)或者營(yíng)銷系統(tǒng)中，以備后續(xù)的使用。

圖5 IE瀏覽器打開(kāi)的樹(shù)結(jié)構(gòu)頁(yè)面

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)OFDM PRIME載波技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)自發(fā)現(xiàn)、自注冊(cè)等關(guān)鍵特征，RS485電能表DL/T 645規(guī)約的自動(dòng)搜索表號(hào)特征，設(shè)計(jì)并研制一種內(nèi)置PRIME載波模塊編碼控制器，針對(duì)臺(tái)區(qū)低壓設(shè)備信息管理的應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)臺(tái)區(qū)低壓側(cè)設(shè)備、各設(shè)備間拓?fù)潢P(guān)系的自動(dòng)化信息管理的試點(diǎn)應(yīng)用。為下一步即將實(shí)施的低壓線損分段、分塊的準(zhǔn)確分析、基于臺(tái)區(qū)低壓設(shè)備拓?fù)潢P(guān)系管理的GIS信息管理系統(tǒng)提供了一種信息自動(dòng)化、可識(shí)別的實(shí)現(xiàn)方法。

[1]李晨露.基于OFDM的中壓配電網(wǎng)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].北京：華北電力大學(xué)，2012.

[2]王斌.基于ADD1021的電力線載波抄表終端設(shè)計(jì)[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2012.

[3]朱滿軍.基于PRIME技術(shù)的低壓電力線通信模塊的設(shè)計(jì)[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2012.

[4]趙昆.基于OFDM的低壓電力線載波通信的研究及仿真分析[D].昆明：云南大學(xué)，2014.

[5]李軍.城市低壓配電網(wǎng)通信組網(wǎng)技術(shù)研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2012.

[6]戚佳金.低壓配電網(wǎng)電力線載波通信動(dòng)態(tài)組網(wǎng)方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

[7]徐川子，莊杰，嚴(yán)麗芳.通用型低壓集抄智能檢測(cè)設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)用[J].浙江電力，2016，35（8）∶36.

（本文編輯：徐 晗）

Automatic Identification System of Low-voltage Distribution Network Equipment Based on Carrier Communication Technology

ZHANG Fengao，LI Guoping

（State Grid Huzhou Electric Power Company，Huzhou Zhejiang 313000，China）

∶By use of automatic identification technology for low-voltage distribution network equipment，information of equipment at low voltage side in transformer areas and topology relationship of all equipment are automatically managed.Therefore，an automatic and information-identification method is provided for accuracy analysis of low-voltage line loss sections and blocks as well as GIS information management system based on low-voltage equipment topology relationship management in the transformer area.

∶low-voltage distribution network；transformer area line loss；coding controller；OFDM PRIME carrier

.201704015

1007-1881（2017）04-0060-04

：TM727

：B

2016-11-07

張鳳翱（1965），男，高級(jí)工程師，從事電能計(jì)量管理工作。