基于中壓載波的信號(hào)盲區(qū)配電網(wǎng)智能終端數(shù)字化集聯(lián)技術(shù)研究

江 泓 張 浩 王碧香 程 穎 莊志偉

(1.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司浦城縣供電公司，福建 南平 353400;2.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司南平供電公司，福建 南平 353000)

1 研究背景

目前我國(guó)新冠肺炎疫情防控形勢(shì)逐步穩(wěn)定，用電需求穩(wěn)步回暖，在此次防疫中大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、AI分析、5G互聯(lián)等智能化新技術(shù)手段廣泛運(yùn)用，作用顯著。但在電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)中，因受限于地形及通訊運(yùn)營(yíng)商布點(diǎn)等因素，部分配電網(wǎng)仍處于無信號(hào)區(qū)域，無法使用智能化終端，使配電網(wǎng)處于電網(wǎng)智能化改造中最薄弱的環(huán)節(jié)，這與當(dāng)今科技的發(fā)展，社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的提升格格不入，亟待解決[2]。

福建省山區(qū)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱，地處山區(qū)的電網(wǎng)公司在工作中智能終端(三遙開關(guān))應(yīng)用嚴(yán)重受限于運(yùn)營(yíng)商基站布點(diǎn)，偏遠(yuǎn)線路信號(hào)盲區(qū)無法安裝三遙設(shè)備，相較城鎮(zhèn)區(qū)域故障，供電所核查故障點(diǎn)巡線難度更大，夜間排障還有危險(xiǎn)，屬于電網(wǎng)智能化盲區(qū)，若有方案能在經(jīng)濟(jì)性、適用性上平衡，實(shí)現(xiàn)偏遠(yuǎn)線路信號(hào)盲區(qū)的信號(hào)傳輸，將徹底解決電網(wǎng)智能化“最后一公里”問題。理論上本成果可以做到有電力線的地方就有網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，且成本極低，不僅用于三遙開關(guān)部署，乃至今后其它功能電力智能終端在電力線路上應(yīng)用，都可提供接入方案。

目前電力行業(yè)中，中壓載波技術(shù)多用于用電信息采集系統(tǒng)，以及少量配電室信號(hào)傳輸，國(guó)內(nèi)尚無針對(duì)應(yīng)用于山區(qū)配電網(wǎng)智能終端的研究[3]。

2 四項(xiàng)組網(wǎng)集聯(lián)應(yīng)用方案

本文提出的四項(xiàng)組網(wǎng)集聯(lián)應(yīng)用方案，分別對(duì)應(yīng)四種應(yīng)用場(chǎng)景?！盁o信號(hào)區(qū)域智能設(shè)備上線方案”是總技術(shù)方案，適用于全國(guó)各地供電企業(yè)、通訊企業(yè)作為偏遠(yuǎn)地區(qū)信號(hào)覆蓋方案的補(bǔ)充。

另外三項(xiàng)是針對(duì)全國(guó)各地供電企業(yè)配電網(wǎng)目前普遍共性的三遙開關(guān)使用局限而設(shè)計(jì)。其中“單相方案”適用于對(duì)供電可靠性要求不高的無信號(hào)配網(wǎng)線路(低故障、普通用電線路)智能終端應(yīng)用；“三相方案”適用于對(duì)供電可靠性要求高的配網(wǎng)線路(高故障、保電線路)智能終端應(yīng)用；“線路斷點(diǎn)信號(hào)傳輸方案”適用于采用中壓載波集聯(lián)上線方案時(shí)，線路中存在斷點(diǎn)設(shè)備的解決。

四項(xiàng)方案共同構(gòu)成完整的信號(hào)盲區(qū)數(shù)字化集聯(lián)技術(shù)方案，優(yōu)點(diǎn)是低成本、高穩(wěn)定性、易復(fù)制推廣，并充分利用電網(wǎng)公司網(wǎng)架優(yōu)勢(shì)，具有深入研究潛力。

2.1 信號(hào)盲區(qū)智能設(shè)備上線方案

2．1．1 方案原理及實(shí)施方式

該方案是總技術(shù)方案，可解決山區(qū)配電網(wǎng)無信號(hào)區(qū)智能終端信號(hào)難題，推廣后將對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定，更先進(jìn)級(jí)別智能終端應(yīng)用提供信號(hào)網(wǎng)絡(luò)支撐，將對(duì)今后配電網(wǎng)智能化發(fā)展起到重要作用。

如圖1所示，將無信號(hào)區(qū)域數(shù)據(jù)信號(hào)通過耦合電容器的耦合作用原理轉(zhuǎn)換為載波信號(hào)，利用中壓電力線傳輸至有無線公網(wǎng)信號(hào)的主機(jī)安裝地點(diǎn)匯聚，通過耦合電容器將載波還原成數(shù)據(jù)信號(hào)，再經(jīng)主機(jī)處理后轉(zhuǎn)為網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，通過多臺(tái)無線通信模塊與網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通；可實(shí)現(xiàn)通訊基站未覆蓋的無信號(hào)線路，三遙開關(guān)及其它智能終端接入應(yīng)用。

圖1 信號(hào)盲區(qū)智能設(shè)備上線方案

2．1．2 方案對(duì)比

將中壓載波通信方案與其它通信方案從業(yè)務(wù)架構(gòu)流向、帶寬、傳輸距離、實(shí)時(shí)性、可靠性、安全性、成本、技術(shù)成熟度等多個(gè)角度分析對(duì)比，詳見表1，得出中壓載波通信方案具有較高優(yōu)勢(shì)的結(jié)論。

表1 中壓載波通信方案與其他方案對(duì)比

2.2 單相傳輸方案(基于中壓載波的信號(hào)盲區(qū)硬加密三遙開關(guān)集聯(lián)上線方案)

2．2．1 方案原理及實(shí)施方式

如圖2所示，在無信號(hào)區(qū)域安裝N臺(tái)三遙開關(guān)，控制器通過載波調(diào)制模塊(從設(shè)備)將數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為載波信號(hào)，再通過耦合電容器的耦合作用原理，在10kV線路上傳輸載波信號(hào)，N臺(tái)三遙開關(guān)的載波信號(hào)匯總至首端耦合電容器向下傳輸，通過載波解調(diào)模塊(主設(shè)備)還原成數(shù)據(jù)信號(hào)，輸入通信管理主機(jī)，經(jīng)處理后再輸出為網(wǎng)絡(luò)信號(hào)至交換機(jī)，交換機(jī)下聯(lián)N臺(tái)無線通信模塊，這些模塊需安裝在有信號(hào)區(qū)域，每個(gè)模塊內(nèi)插有一張SIM卡，通過硬加密的網(wǎng)絡(luò)證書實(shí)現(xiàn)IP綁定與遠(yuǎn)端安裝在無信號(hào)區(qū)域的三遙開關(guān)一一對(duì)應(yīng)，再在主站數(shù)據(jù)庫中作好載波標(biāo)記設(shè)置，即可實(shí)現(xiàn)無信號(hào)區(qū)域硬加密三遙開關(guān)集聯(lián)應(yīng)用，上線的N臺(tái)三遙開關(guān)都具備硬加密三遙開關(guān)的一切功能，包括遙控、遙信、電度、遠(yuǎn)方修改定值、召喚錄波等。

圖2 單相傳輸方案

2．2．2 單相傳輸方案實(shí)施效果

優(yōu)點(diǎn)：低成本，該方案一臺(tái)通信管理主機(jī)可使無信號(hào)區(qū)域安裝的多臺(tái)三遙開關(guān)上線，解決信號(hào)盲區(qū)硬加密三遙開關(guān)無法上線的缺點(diǎn)，且具備與普通硬加密三遙開關(guān)完全一樣的功能。經(jīng)信號(hào)衰減量測(cè)算，載波最大傳輸距離約為20km，一臺(tái)通信管理主機(jī)最大集聯(lián)量為30臺(tái)。

缺點(diǎn)：該方案需選擇中壓電力線三相中的一相，優(yōu)選B相，斷線概率相對(duì)小。但是若B相斷線，信號(hào)將丟失，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，適用于低發(fā)斷線故障的低負(fù)荷線路。

圖3 單相傳輸方案實(shí)物圖

2.3 三相傳輸方案(基于中壓載波的信號(hào)盲區(qū)硬加密三遙開關(guān)集聯(lián)上線方案)

2．3．1 方案原理及實(shí)施方式

如圖4所示，在單相方案基礎(chǔ)上，在載波解調(diào)模塊(主)、載波調(diào)制模塊(從)處加裝三通，分出三相，在三遙開關(guān)安裝處共裝三個(gè)耦合電容，首端主機(jī)安裝處也安裝三個(gè)耦合電容，即可確保信號(hào)在三相中傳輸，只要沒有出現(xiàn)三相全斷的情況就可保證信號(hào)正常傳輸。

圖4 三相傳輸方案

2．3．2 三相傳輸方案實(shí)施效果

優(yōu)點(diǎn)：高穩(wěn)定性，解決單相方案載波信號(hào)受單線路傳輸限制，安全性不足的缺點(diǎn)，該方案只要不發(fā)生三相全斷故障，都將保證信號(hào)正常上送，可靠性高，適用于重要供電線路或易發(fā)斷線故障區(qū)段。

缺點(diǎn)：成本較高，信號(hào)衰減較大，具體承載節(jié)點(diǎn)數(shù)量和最大傳輸距離需進(jìn)行測(cè)算，或加裝信號(hào)增強(qiáng)裝置。

2.4 線路斷點(diǎn)信號(hào)傳輸方案

2．4．1 方案原理及實(shí)施方式

如圖5所示，在單相方案基礎(chǔ)上，如遇到傳輸線路中有斷路器，在開斷情況下，載波傳輸會(huì)中斷，如傳輸線路必須經(jīng)過斷路器，則可在斷路器兩端各加裝一個(gè)耦合電容，采用弱電信號(hào)線連通，將不影響載波信號(hào)傳輸。該種做法中耦合電容內(nèi)部具備保護(hù)機(jī)制，弱電信號(hào)線僅能傳輸弱電信號(hào)，經(jīng)驗(yàn)證不存在安全隱患。

圖5 線路斷點(diǎn)信號(hào)傳輸方案

2．4．2 斷點(diǎn)傳輸方案實(shí)施效果

該方案解決載波傳輸線路中存在聯(lián)絡(luò)開關(guān)，開斷后信號(hào)傳輸中斷缺點(diǎn)，應(yīng)用后在載波傳輸線路中有聯(lián)絡(luò)開關(guān)等線路斷點(diǎn)設(shè)備，將不影響載波信號(hào)傳輸。

2.5 四種方案集聯(lián)組網(wǎng)

四種方案基本覆蓋了信號(hào)盲區(qū)的絕大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景，可針對(duì)實(shí)際場(chǎng)景功能需求，組合搭配，實(shí)現(xiàn)區(qū)域范圍內(nèi)信號(hào)盲區(qū)的智能終端覆蓋應(yīng)用。

3 技術(shù)方案驗(yàn)證

2020年10月采用本集聯(lián)方案的試驗(yàn)設(shè)備在閩浙贛三省交界的浦城縣湖山線試產(chǎn)。

圖6 試產(chǎn)設(shè)備安裝位置

圖7 試產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝照片

圖8 配網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)圖紙

經(jīng)驗(yàn)證，本方案切實(shí)解決目前電力系統(tǒng)山區(qū)配電網(wǎng)中信號(hào)盲區(qū)的智能化設(shè)備(三遙開關(guān)等)上線問題。

方案實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)中有電力線的地方即有網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，利用中壓載波加無線公網(wǎng)信號(hào)傳輸無信號(hào)區(qū)域安裝的三遙開關(guān)數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)中壓載波主機(jī)一機(jī)帶多臺(tái)從設(shè)備(三遙開關(guān))上線。實(shí)現(xiàn)在中壓載波主機(jī)一機(jī)帶多臺(tái)從設(shè)備(三遙開關(guān))上線的情形下，滿足目前最新的三遙開關(guān)硬加密通信機(jī)制防護(hù)要求。

4 技術(shù)方案應(yīng)用價(jià)值分析

4.1 經(jīng)濟(jì)性

經(jīng)試點(diǎn)粗算，在偏遠(yuǎn)山區(qū)線路安裝的一套設(shè)備(按1臺(tái)通信管理主機(jī)帶3臺(tái)從設(shè)備計(jì)算)成本約為5萬元，

將解決3處線路故障點(diǎn)盲區(qū)，解決供電所無智能化處置措施、只能依靠人工的問題。信號(hào)盲區(qū)配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)智能終端安裝，將提升供電可靠性，提質(zhì)增效，顯著減少供電所人員、車輛占用的運(yùn)維經(jīng)濟(jì)成本。

4.2 安全性

本技術(shù)將使信號(hào)盲區(qū)配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化應(yīng)用，快速恢復(fù)線路供電，減少供電所人工操作，巡線排障工作量，可保留應(yīng)急力量提升其它線路故障維護(hù)能力，并且避免惡劣天氣電網(wǎng)員工的工作風(fēng)險(xiǎn)，尤其夜晚巡線，將緩解電力工人線路運(yùn)維安全壓力。

4.3 先進(jìn)性

中壓載波通信技術(shù)雖不是新技術(shù)，但是結(jié)合無線公網(wǎng)，利用手機(jī)卡唯一綁定，數(shù)據(jù)接入配網(wǎng)安全接入?yún)^(qū)應(yīng)用，解決一直困擾電網(wǎng)企業(yè)的配電網(wǎng)智能化設(shè)備應(yīng)用信號(hào)覆蓋問題，尚是全國(guó)首創(chuàng)。

5 技術(shù)方案總結(jié)與應(yīng)用展望

本技術(shù)可在極低成本下實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)智能化建設(shè)擺脫通訊運(yùn)營(yíng)商基站掣肘，以載波加無線公網(wǎng)的模式使智能終端設(shè)備上線，并且利用電網(wǎng)公司獨(dú)有的最廣闊電力線路網(wǎng)優(yōu)勢(shì)，具有顯著應(yīng)用推廣優(yōu)勢(shì)，不僅可實(shí)現(xiàn)信號(hào)盲區(qū)智能終端集聯(lián)上線，更為今后山區(qū)電網(wǎng)搭建更高層次應(yīng)用的能源互聯(lián)網(wǎng)，應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析等數(shù)字化高新技術(shù),打造智能配電網(wǎng)提供可能。