基于能源控制器的低壓配網(wǎng)臺區(qū)拓?fù)渥R別技術(shù)研究

于振超 朱德良 苗興 張珊珊 張碩

摘 ?要：隨著泛在電力物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略的有序推進(jìn)，能源控制器能夠?qū)崿F(xiàn)臺區(qū)的物聯(lián)管理和智能感知，是電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的重要組成部分。臺區(qū)拓?fù)渥R別是基于工頻畸變和特征電流的技術(shù)，結(jié)合寬帶載波通信即可實現(xiàn)自動繪制出各級分支、表箱、電表的供電關(guān)系圖，從而識別出該臺區(qū)下有多少個設(shè)備節(jié)點以及各設(shè)備節(jié)點的上級供電節(jié)點。再通過理論數(shù)據(jù)的支撐和實驗?zāi)M環(huán)境論證進(jìn)一步證明該種方案現(xiàn)場運行的可行性，并做出復(fù)雜環(huán)境兼容性優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：泛在電力物聯(lián)網(wǎng);能源控制器;臺區(qū)拓?fù)渥R別;工頻畸變;特征電流

中圖分類號：TM933.4;TN929.5 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2021）13-0159-04

Research on Topology Recognition Technology of Low Voltage Distribution Network Station Area Based on Energy Controller

YU Zhenchao， ZHU Deliang， MIAO Xing， ZHANG Shanshan， ZHANG Shuo

（CET Shandong Electronics Co.， Ltd.， Jinan ?250101， China）

Abstract： With the orderly advancement of the ubiquitous power internet of things strategy， the energy controller can realize the internet of things management and intelligent perception in the station area， which is an important part of the construction of the power internet of things. Station area topology identification is a technology based on power frequency distortion and characteristic current， combined with broadband carrier communication， it can automatically draw the power supply relationship diagrams of branches， meter boxes， and meters at all levels， so as to identify the number of equipment nodes under the station area and the superior power supply node of each device node. The support of theoretical data and the demonstration of the experimental simulation environment further prove the feasibility of the on-site operation of this kind of scheme， and make the optimization of the compatibility of the complex environment.

Keywords： ubiquitous power internet of things; energy controller; station area topology identification; power frequency distortion; characteristic current

0 ?引 ?言

隨著國家電網(wǎng)公司加快打造具有全球競爭力的世界一流能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的目標(biāo)引導(dǎo)下，正在加大“云、管、邊、端”設(shè)備從上到下的部署新產(chǎn)品的研發(fā)工作。能源控制器集配電臺區(qū)供用電信息采集、電能表或采集終端數(shù)據(jù)收集、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及通訊組網(wǎng)、就地化分析決策、協(xié)同計算等功能于一體的智能化終端設(shè)備，硬件采用平臺化設(shè)計，支持邊緣計算框架，軟件上采用容器化設(shè)計，硬件與軟件實現(xiàn)了最大限度地解耦，能夠以軟件定義的方式實現(xiàn)功能靈活擴展?；谀茉纯刂破髋c端設(shè)備通過寬帶載波進(jìn)行通信，結(jié)合能源控制器自帶工頻畸變特征電流技術(shù)可以實現(xiàn)整個低壓配電臺區(qū)的拓?fù)渥R別功能。

能源控制器是臺區(qū)拓?fù)渥R別系統(tǒng)中的關(guān)鍵核心設(shè)備，其既需要與主站系統(tǒng)進(jìn)行交互，獲取主站下發(fā)的拓?fù)渥R別特征參數(shù)及拓?fù)渥R別啟動命令、響應(yīng)主站召測終端的拓?fù)渥R別結(jié)果;還需要下行控制檔案設(shè)備發(fā)送特征信號，讀取識別設(shè)備的識別結(jié)果等功能。此外，終端自身還需要具有信號識別功能和精準(zhǔn)對時功能。

1 ?研發(fā)背景

通常在低壓配電臺區(qū)中電壓器側(cè)的終端CCO模塊與末端設(shè)備（電表、量測開關(guān)、智能表箱等）STA之間只是單純的高速寬帶電力線載波通信（HPLC），如果需要在能源控制器側(cè)J僅通過HPLC來實現(xiàn)戶邊識別和分支識別進(jìn)而形成低壓拓?fù)涫潜容^困難的。而且一個小區(qū)會有多臺變壓器供電，HPLC的通信技術(shù)，由于使用的通信頻段較高0.7 MHz-12 MHz，在共高壓、共電纜溝、共零線的情況下，非常容易跨變壓器串?dāng)_，實際應(yīng)用中，通常一個小區(qū)只要安裝1臺集中器，就可以和小區(qū)下所有HPLC節(jié)點通信，有時甚至?xí)缧^(qū)串?dāng)_。通過HPLC自身技術(shù)實現(xiàn)的臺區(qū)識別功能，在上述環(huán)境下，識別效果并不是很理想，存在識別時間長（幾小時甚至幾天），準(zhǔn)確率差（各芯片廠家HPLC混裝后，準(zhǔn)確率更差），識別結(jié)果長時間不能穩(wěn)定下來。

如果能有一種技術(shù)，提前將CCO的主節(jié)點地址通過電力線進(jìn)行廣播，而且只有當(dāng)前臺區(qū)下的所有STA能收到，則每個STA就可以有目的的入各自的CCO，從而解決戶變識別的問題。所以需要尋找一種識別速度快、準(zhǔn)確率100%，而且性價比高的技術(shù)，來解決戶變識別，滿足戶變識別的技術(shù)，必須滿足以下兩個條件：（1）識別信號不允許跨臺區(qū);（2）識別信號在臺區(qū)內(nèi)無死角，可直達(dá)任何節(jié)點。

2 ?方案設(shè)計

2.1 ?一種基于工頻畸變技術(shù)的戶變識別原理

基于HPLC技術(shù)的STA模塊，均有過零檢測電路，假設(shè)某相電壓波形的周期為T，前后周期做差為deltaT。當(dāng)有工頻畸變信號發(fā)生時，deltaT會變化，通過檢測deltaT的峰值，就可以獲取到相應(yīng)的信號。如果把CCO的主節(jié)點地址按照某種規(guī)則調(diào)制成畸變信號，則STA按相同的規(guī)則，是可以解調(diào)出主節(jié)點地址的，從而提前知道自己應(yīng)該入哪個CCO，所以實現(xiàn)了快速臺區(qū)識別。如圖1所示。

安裝在0.4 kV變壓器二次側(cè)的工頻畸變發(fā)射裝置，如圖1（b）所示：在過零點前30度打開可控硅。在打開可控硅后會在過零點有ic產(chǎn)生，從而在過零點產(chǎn)生V（t），從而讓過零的周期發(fā)生變化。

某相電壓工頻周期發(fā)生變化，會引起整個臺區(qū)下該相電壓的工頻周期均在同一時刻發(fā)生變化，確保該臺區(qū)下所有STA節(jié)點均可以檢測到該信號。

工頻畸變發(fā)射雖然可以引起當(dāng)前變壓器下電壓頻率發(fā)生變化，但沒法透過變壓器進(jìn)入10 kv，并傳遞到另外一個變壓器，引起另外一個變壓器的電壓頻率發(fā)生變化，所以基于工頻畸變技術(shù)，可以滿足戶變識別的兩個要求。

2.2 ?一種特征電流的分支識別技術(shù)原理

為保證臺區(qū)實現(xiàn)完整的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，ECU型智能融合終端需具備特征電流識別功能，能源控制器應(yīng)一直處于采樣檢測狀態(tài)，實時采集電力線上的電流信號，解析并識別特征電流信息，若識別到特征電流信號，則將特征電流大小、相位和識別時間保存在終端本地。

計量節(jié)點以電阻投切方式在線路零火線之間產(chǎn)生滿足一定頻域規(guī)律的特征電流信號，在有供電關(guān)系的線路的上級節(jié)點出，進(jìn)行電流通道高速采樣，并進(jìn)行DFT分析，可以識別下級節(jié)點產(chǎn)生的特征信號并記錄識別到的特征信號的時間標(biāo)簽，待當(dāng)前臺區(qū)下所有歸屬節(jié)點都執(zhí)行一次特征電流發(fā)射后，臺區(qū)管理終端將所有節(jié)點保存的時間戳記錄都讀走，并對時間戳進(jìn)行對比分析，從而實現(xiàn)供電關(guān)系上下級的識別。

信號發(fā)送：開關(guān)通斷的方式會在線路產(chǎn)生圍繞開關(guān)頻率正負(fù)50 Hz偏移的電流信號，以5 000/6=833.3 Hz頻率通斷開關(guān)（1.2 ms為一個周期，通400 us，斷800 us），發(fā)送電流信號峰值為420 mA（220 V電壓下），在電路上會產(chǎn)生頻率為783.3 Hz和883.3 Hz的電流信號。通過檢測此兩點信號的有無，進(jìn)行識別。具體為16位二進(jìn)制編碼：1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1。其中，碼位0時，無特征電流發(fā)送，碼位1時，有特征電流發(fā)送。圖2和圖3為相應(yīng)示意圖。

單次發(fā)送時間為9.6 s，即每位編碼發(fā)送時間長度為0.6 s。單次發(fā)送總體時間偏差±40 ms，每位編碼允許發(fā)送時間偏差為±15 ms。信號識別：在接收端，對電流取樣信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，采用滑動DFT，實時提取線路上的電流信號，計算783 Hz和883 Hz頻域分量幅值，用二者的和作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行解碼。電流波形解碼圖，能清晰地看到1010 1010 1110 1001的，也就是0xAAE9，當(dāng)啟動某個節(jié)點發(fā)射特征電流，只有具有供電關(guān)系的所有源節(jié)點才能收到特征信號，從而實現(xiàn)了分支識別。

3 ?實驗論證與應(yīng)用

3.1 ?實驗論證

上文將拓?fù)渥R別的技術(shù)得到了理論證實，后面需要將能源控制器與端設(shè)備以及戶表進(jìn)行模擬，通過大量的實驗數(shù)據(jù)來證實確實能夠形成拓?fù)渥R別的方案。實驗需要能源控制器、分支測開關(guān)以及分支測的表箱、電能表，通過模擬現(xiàn)場的安裝環(huán)境，在能源控制器的CCO與末端的STA完成載波組網(wǎng)后，進(jìn)行拓?fù)渥R別的讀取。根據(jù)兩個分支測的模擬環(huán)境進(jìn)行搭建形成如圖4所示的電路架構(gòu)圖。

在公司實驗室進(jìn)行能源控制器與開關(guān)和單相表的組合方案的拓?fù)渥R別驗證，試驗結(jié)果與實際供電關(guān)系完全一致，準(zhǔn)確率全部100%。經(jīng)過組網(wǎng)后能源控制器將通過HPLC下行采集到開關(guān)和電表的信息進(jìn)行了匯總，能源控制器中臺區(qū)狀態(tài)管理應(yīng)用算法，經(jīng)過算法分析后通過上行模塊通信將分支狀態(tài)和戶表狀態(tài)組幀發(fā)送給主站接收軟件，主站接收軟件將接收到的幀，做解幀處理后顯示出該臺區(qū)的拓?fù)渥R別狀態(tài)，如圖5所示。

3.2 ?應(yīng)用方案

針對分支箱不裝智能斷路器的臺區(qū)，通過現(xiàn)場的簡單改造即可實現(xiàn)拓?fù)涔δ?，主要有以下兩種解決方案。

方案1：若所有分支開關(guān)均安裝智能斷路器，表箱內(nèi)安裝量測開關(guān)的臺區(qū)，表箱內(nèi)量測開關(guān)通過485口和電能表進(jìn)行通信，實現(xiàn)箱表關(guān)系識別，則電表內(nèi)的模塊，除升級軟件，其他無須改動，既可以實現(xiàn)變壓器、分支箱、表箱、戶表關(guān)系的拓?fù)渥R別，確保已招標(biāo)的模塊不浪費。

方案2：量測開關(guān)與電能表無485連接，則要求將電能表內(nèi)的HPLC模塊，更換成能接受工頻畸變信號，也能發(fā)射特征電流的HPLC模塊。

4 ?結(jié) ?論

經(jīng)過實驗論證和現(xiàn)場應(yīng)用方案的設(shè)計，可以證實利用工頻畸變和特征電流的拓?fù)渥R別技術(shù)在能源控制器應(yīng)用方面取得了很好的效果。主要有以下優(yōu)點：

利用工頻畸變技術(shù)，快速實現(xiàn)戶變識別，確保只有物理歸屬關(guān)系的STA才能正確入網(wǎng)到CCO，由于采用廣播方式，使得無論多大的臺區(qū)，識別時間是固定的，每相廣播一次一共需要3分鐘;由于在對每個節(jié)點進(jìn)行特征電流點名前，已經(jīng)準(zhǔn)確的知道了一共需要點名的節(jié)點個數(shù)，所以能源控制器自身無須具備特征電流信號接收功能，簡化了能源控制器的技術(shù)難度，而且克服了純特征電流技術(shù)在一個小區(qū)有多個變壓器的情況下，不能并行識別的致命缺陷;工頻畸變+特征電流相結(jié)合的識別技術(shù)，識別過程中，無須主站參與分析和控制，每個臺區(qū)可以獨立完成，同一個小區(qū)下多個臺區(qū)可以并發(fā)進(jìn)行，簡化了開發(fā)用采主站擴展功能的難度，更方便在各省推廣應(yīng)用;已經(jīng)批量安裝在現(xiàn)場的各家HPLC模塊，可以通過軟件升級的方式實現(xiàn)性能一致的戶變識別功能，實現(xiàn)存量臺區(qū)無須增加投資即解決問題。

雖然工頻畸變會對電能質(zhì)量產(chǎn)生影響，但由于在發(fā)射過程中，會引起整個電網(wǎng)電壓工頻周期的變化，以一個工頻周期20 ms來計算，變化量是10～20 us。由于每個畸變脈沖間隔在400 ms以上，一共發(fā)射40個脈沖，且一般都是初次安裝的時候發(fā)射一次，所以雖然有影響，但影響極小。而且畸變電路不工作時，不會污染電能質(zhì)量，也不會消耗能源控制器電流。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊志淳，沈煜，楊帆，等.基于數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析的低壓配電網(wǎng)拓?fù)渥R別方法 [J].電測與儀表，2020，57（18）：5-11+35.

[2] 孫保華，李永輝，杜紅衛(wèi)，等.基于電力線通信的配電網(wǎng)拓?fù)渥詣幼R別與應(yīng)用 [J].電氣自動化，2021，43（4）：54-56.

[3] 李琮琮，范學(xué)忠，王清，等.基于用電信息采集系統(tǒng)的配電網(wǎng)臺區(qū)識別 [J].電測與儀表，2019，56（24）：109-114.

[4] 閆衛(wèi)國，王高猛，林濟鏗，等.基于AMI量測信息的低壓配電網(wǎng)拓?fù)湫ｒ灧椒?[J].中國電力，2019，52（2）：125-133.

[5] 李虹，張占龍，高亞靜.一種配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)辨識方法的探討 [J].中國電力，2015，48（5）：133-138+143.

[6] 李培亮，王敬華，張新慧，等.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥R別在配電網(wǎng)分布式控制中的應(yīng)用 [J].齊魯工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，29（2）：61-65.

[7] 王守相，梁棟，葛磊蛟.智能配電網(wǎng)態(tài)勢感知和態(tài)勢利導(dǎo)關(guān)鍵技術(shù) [J].電力系統(tǒng)自動化，2016，40（12）：2-8.

[8] 王宗暉，陳羽，徐丙垠，等.基于邏輯節(jié)點的分布式饋線自動化拓?fù)渥R別 [J].電力系統(tǒng)自動化，2020，44（12）：124-130.

[9] 張寧，馬國明，關(guān)永剛，等.全景信息感知及智慧電網(wǎng) [J].中國電機工t程學(xué)報，2021，41（4）：1274-1283+1535.

[10] 唐冬來，倪平波，張捷，等.基于離散弗雷歇距離的戶變關(guān)系識別方法 [J].電力系統(tǒng)自動化，2021，45（6）：223-230.

作者簡介：于振超（1992—），男，漢族，山東濟南人，工程師，碩士研究生，研究方向：無線通信、嵌入式。