基于特征電流原理的手持式臺區(qū)識別儀系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

李帥，李柏茂

（1.山東德源電力科技股份有限公司，山東濟(jì)南，250101；2.山東新澤儀器有限公司，山東濟(jì)南，250031）

0 引言

國家電網(wǎng)堅決落實降損增效目標(biāo)，積極推動低壓臺區(qū)精益化移動式管理的方式，節(jié)能與竊電監(jiān)測工作取得很大的作用。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷深入，低壓臺區(qū)電能設(shè)備的全面覆蓋，物聯(lián)網(wǎng)+、傳感器等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為實現(xiàn)低壓臺區(qū)準(zhǔn)確識別與臺區(qū)節(jié)能竊電等管理發(fā)展建立了有利的環(huán)境，但在現(xiàn)場線損管理過程中依然存在人工治理效率低下、疑難線損問題無有效解決方案的難題。

(1)在低壓臺區(qū)供電范圍廣、用戶數(shù)量多的情況下，在高損臺區(qū)逐戶拉網(wǎng)式反偷查漏耗時耗力；線損異常臺區(qū)、戶表關(guān)系錯亂臺區(qū)、表計失準(zhǔn)臺區(qū)、互感器失準(zhǔn)臺區(qū)等問題，該手持式臺區(qū)識別儀可以最大效率的提高低壓臺區(qū)的線損計算以及線損管理；

(2)低壓臺區(qū)線損分析儀功能過單一，已不能滿足現(xiàn)場線損管理；現(xiàn)場線損管理不僅對電能表采集電壓、電流和功率因數(shù)，進(jìn)行線損計算分析；對臺區(qū)識別、相位識別、分支識別、竊電分析等功能也有極大的需求；

(3)現(xiàn)有設(shè)備使用載波HPLC線路實現(xiàn)臺區(qū)識別、分支識別、線損分析等，無法避免臺區(qū)之間的串地干擾，大大地降低了臺區(qū)識別的精確度；創(chuàng)新式地使用載波HPLC、工頻畸變與特征電流的融合技術(shù)；在識別技術(shù)中，在一定程度上實現(xiàn)了臺區(qū)、分支、表箱、電能表關(guān)系識別的精確度；

(4)在現(xiàn)有技術(shù)下，多采用多主機+多從機設(shè)備實現(xiàn)線損分析；在設(shè)備投入上增加了成本投入，創(chuàng)新式采用不區(qū)別主從關(guān)系的原理，在一定程度上，降低了低壓臺區(qū)線損管理技術(shù)與管理費用的投入。

基于特征電流的電力線相位識別技術(shù)，通過電力線下端設(shè)備發(fā)送特征電流，電力線上端設(shè)備采用分相電流互感器識別電流的方式，識別電力線上端的相位及其分支線。其原理通過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，在線路的一個支路終端注入特征電流、其余支路終端識別特征電流的方式，利用交采對線路電流信號進(jìn)行實時采樣分析，記錄信號識別到的時間標(biāo)，對時間標(biāo)進(jìn)行對比分析，可以自動識別低壓臺區(qū)的電力系統(tǒng)的拓?fù)溥壿?，自動化、智能化水平高，大大降低了低壓臺區(qū)電力線路拓?fù)涞墨@取難度并提高了獲取準(zhǔn)確度。

1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計

基于特征電流原理的手持式臺區(qū)識別儀采用特殊過零低頻載波技術(shù)以及特征電流發(fā)射、特征電流識別、交流采樣技術(shù)，能有效保證臺區(qū)戶變關(guān)系、臺區(qū)關(guān)系、分支關(guān)系的準(zhǔn)確識別，不存在多臺變壓器短距離共高壓情況下電力載波存在串?dāng)_等問題；識別成功率可達(dá) 99%。再者，臺區(qū)識別儀通過內(nèi)置高精度計量芯片與外置0.5s級卡扣式或電流鉗式互感器，完成臺區(qū)各節(jié)點側(cè)精準(zhǔn)計量，同時結(jié)合“變-分-箱-戶”低壓臺區(qū)供電關(guān)系功能，以節(jié)點數(shù)據(jù)自動對比次節(jié)點數(shù)據(jù)，實現(xiàn)“變-分”、“分-箱”、“箱-戶”等多級分段線損計算。其次，臺區(qū)識別儀自動采集電能表零火線電流、電壓對比數(shù)據(jù)、電能表開蓋次數(shù)及表箱與電能表總分電流對比數(shù)據(jù)，借助臺區(qū)識別儀內(nèi)置大量竊電分析模型，初步預(yù)判竊電節(jié)點，對竊電異常預(yù)判的準(zhǔn)確性與及時性。最后，通過臺區(qū)識別儀內(nèi)置大容量存儲器，將現(xiàn)場采集與識別或預(yù)判分析數(shù)據(jù)保存下來，可存儲 2000 組現(xiàn)場識別采集結(jié)果，將結(jié)果上傳至云端，實現(xiàn)云數(shù)據(jù)管理。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。STM32 主控制器通過其引腳和各子模塊、電源模塊相接，使各模塊有條不紊的工作，實現(xiàn)預(yù)定的各項功能。顯示模塊用于顯示當(dāng)前設(shè)備所處的電參量、時間參數(shù)、設(shè)置數(shù)據(jù)、電力線下端或上端發(fā)出的特征電流代碼信息、G401t 模塊的信號強度、入平臺狀態(tài)等基本信息。G401t 模塊主要實現(xiàn)控制器和云平臺之間的通信，進(jìn)而實現(xiàn)應(yīng)用管理平臺的數(shù)據(jù)采集和命令下發(fā)。存儲模塊用于存儲電參量、電能表的全參量、執(zhí)行任務(wù)日志信息。系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖

■2.1 STM32主控模塊

主控制模塊采用M482KG單片機作為主控芯片，與晶振電路、復(fù)位電路、看門狗電路、電源電路，配合形成單片機最小系統(tǒng)，保證主控制器下的主控芯片能正常工作。主控模塊電路圖如圖2所示。

圖2 主控電路圖

■2.2 計量電路

通過被測三相電壓線分別接到UA、UB、UC、UN，電流使用穿心式互感器；直接將被測電流線路穿過互感器；圖3電路實現(xiàn)對于當(dāng)前的電參量的采集，在主控制器上設(shè)有多組485接口、藍(lán)牙接口與載波通道，根據(jù)不同設(shè)備的設(shè)備地址不同實現(xiàn)臺區(qū)識別儀的電參量數(shù)據(jù)通信。

圖3 計量電路

■2.3 無線通訊模塊

G401t是一種高性能、低功耗的無線通信模塊。與WIFI、藍(lán)牙、NB等其它無線通信模塊相比，具有覆蓋面積更強、連接性能強、功耗低和成本投入低等優(yōu)點。工作電路主要包括:電源模塊、復(fù)位模塊、串口通信模塊、RS485通信、抄電能表接口、2G/4G天線模塊、SIM卡接口模塊。本系統(tǒng)采用 G401t無線通訊模塊與主控制器的串口1的UART1-RX0和UART1-TX0 相連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)功能。

■2.4 電源模塊

電源部分通過 MP2359降壓芯片將12 V直流電分別降壓為 5V，通過SGM2019將5V降為3.3 V，為主控芯片、RS485模塊，G401t 模塊以及其它功能模塊提供穩(wěn)定范圍的工作電壓。主控根據(jù)需要控制是否對RS485模塊、G401t 模塊供電，從而實現(xiàn)系統(tǒng)低功耗運行。電源模塊電路圖如圖5所示。

圖5 電源模塊電路圖

■2.5 特征電流發(fā)射與識別模塊

通過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，在線路的關(guān)鍵位置安裝臺區(qū)識別儀，通過臺區(qū)識別儀的交采對線路電流信號進(jìn)行實時采樣分析，記錄信號識別到的時間標(biāo)，對時間標(biāo)進(jìn)行對比分析，繪制線路物理拓?fù)洹?/p>

特征電流發(fā)射：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)50Hz偏移的電流信號，以5000/6=833.3Hz頻率通斷開關(guān)（1.2ms為一個周期，通400μs，斷800μs），發(fā)送電流信號峰值為420m A（220V電壓下），在電路上會產(chǎn)生頻率為783.3Hz和883.3Hz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：1010101011101001。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。單次發(fā)送時間為9.6s，即每位編碼發(fā)送時間長度為0.6s。單次發(fā)送總體時間偏差±40ms，每位編碼允許發(fā)送時間偏差為±15ms。

特征電流識別：采用滑動DFT實時提取線路上的電流信號，計算783Hz和883Hz頻域分量幅值，用二者的和作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行解碼。算法處理后，波形如圖6所示。

圖4 無線通訊模塊

圖6 解碼波形圖

要求：采樣率5K，芯片RAM60K，主頻50M（全性能運算）。

通過對三相電流解碼分析，比較大小，確定電表的戶變關(guān)系和相位歸屬：三相實時檢測，在識別到特征電流信號時，特征最強的一相即為電表所屬相位。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計是在 MDK5平臺下進(jìn)行開發(fā)設(shè)計，軟件開發(fā)設(shè)計語言是通過C語言，軟件設(shè)計包括 G401t初始化程序、通信交互程序和主程序控制設(shè)計。

■3.1 G401t通信交互程序設(shè)計

G401t模塊入網(wǎng)通信流程如圖 7 所示。

圖7 主程序流程圖

圖7 入網(wǎng)通信流程圖

■3.2 主程序設(shè)計

主程序主要由電參量采集、特征電流發(fā)射、特征電流識別、結(jié)果顯示、4G傳輸數(shù)據(jù)、實時抄電能表全量采集等功能組成。系統(tǒng)上電后，優(yōu)先進(jìn)入初始化工作，初始化工作完成后，M482KG單片機進(jìn)入待機模式，等待電參量數(shù)據(jù)采集等任務(wù)指令到達(dá)后，主控制器被喚醒，將線路所在電參量數(shù)據(jù)，任務(wù)指令結(jié)果等信息存儲到內(nèi)部f lash中。在特征電流發(fā)射與識別階段中，發(fā)射端識別儀在線路上端或下端將特征電流信息發(fā)至線路下端或上端，接收端臺區(qū)識別儀中的臺區(qū)識別、相位識別、分支識別等信息，通過M482KG單片機與相關(guān)信息驗證發(fā)射端與接收端是否在同一個線路中；同時，當(dāng)上傳主站的心跳周期到后，內(nèi)部f lash中的電參量數(shù)據(jù)等信息通過G401t模塊實現(xiàn)上傳，M482KG單片機將系統(tǒng)的時間、臺區(qū)識別儀中的電池電壓、臺識識別結(jié)果、相位識別結(jié)果、分支識別結(jié)果等信息通過G401t模塊一并上傳，從而可以實現(xiàn)現(xiàn)場便捷識別臺區(qū)關(guān)系、相位關(guān)系、分支關(guān)系、線損統(tǒng)計數(shù)據(jù)、竊電分析結(jié)果功能，并且掌握臺區(qū)識別儀的各個運行狀態(tài)與采集記錄日志，與此同時，云平臺下發(fā)命令給主控制器，主控制器接收相關(guān)命令后，進(jìn)行處理執(zhí)行相應(yīng)的功能。

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)設(shè)計相應(yīng)的硬件和軟件系統(tǒng)，通過搭建相應(yīng)的測試環(huán)境中線路采集或識別的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與分析，下發(fā)等功能進(jìn)行測試，系統(tǒng)測試主要對線路電參量、臺區(qū)識別功能、相位識別功能、線損分析功能、竊電預(yù)判斷功能等進(jìn)行測試，通過平臺接收數(shù)據(jù)、臺區(qū)識別儀顯示與識別結(jié)果；與測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比結(jié)果顯示數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率高達(dá)99%。數(shù)據(jù)測試如表1所示。

表1

5 結(jié)束語

根據(jù)測試結(jié)果，基于特征電流的便攜式臺區(qū)識別儀系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)，能夠滿足供電臺區(qū)關(guān)系識別與線損治理的需求，并且具有成本低、功耗低、覆蓋范圍廣、攜帶便捷等優(yōu)點。通過在不同環(huán)境下測試，便攜式臺區(qū)識別儀即使在信號條件較差的情況下，也能保持穩(wěn)定性采集、分析、識別、傳輸。基于特征電流的便攜式臺區(qū)識別儀系統(tǒng)，具有較高的應(yīng)用前景和應(yīng)用價值。