信噪比與過零時刻聯(lián)合智能臺區(qū)識別算法優(yōu)化研究與應(yīng)用

羨慧竹 李季巍 潘全成 宋瑋瓊 趙 成

（國網(wǎng)北京市電力公司）

0 引言

低壓臺區(qū)戶變關(guān)系的準確識別對于臺區(qū)精益化管理十分重要，實際工作中臺區(qū)線路改造后，營銷系統(tǒng)中的檔案信息沒有及時訂正；電力線路圖紙存檔年代久遠造成用戶所屬饋線混淆；埋地電纜走向由于城市規(guī)劃在探測時非常困難；現(xiàn)有保留客戶計量裝置的資料、接戶線的路徑等不全面的現(xiàn)象時常發(fā)生。近年來，隨著城市化發(fā)展，居民小區(qū)不斷增加，用電負荷加大，一些低壓戶違約用電，私自搭接線路，造成用戶電能表臺區(qū)歸屬不清，不僅影響臺區(qū)線損指標，甚至引發(fā)客戶間的計量、債權(quán)糾紛，影響供電企業(yè)形象的事情時有發(fā)生，加重了供電企業(yè)的經(jīng)營風險，同時對供電企業(yè)的效益也造成一定程度的影響。

傳統(tǒng)的臺區(qū)識別方法大多是通過基于電力線載波通信的臺區(qū)識別儀等設(shè)備，人工現(xiàn)場進行逐一識別，費時費力還無法發(fā)現(xiàn)臺區(qū)用戶遺漏的情況。對于非電力線載波通信的自動抄表系統(tǒng)，電力線與通信信道分離，因此不能在未安裝脈沖信號接收器的情況下通過傳統(tǒng)的臺區(qū)識別儀方式查詢節(jié)點信息來確定臺區(qū)歸屬。因此臺區(qū)識別儀的實用性和便捷性均不理想。

為解決上述問題，北京電力公司開展相關(guān)技術(shù)研究，實現(xiàn)了基于高速電力線載波通信信噪比和過零點聯(lián)合的無擾臺區(qū)識別算法，在不增加外部設(shè)備的情況下，實現(xiàn)臺區(qū)歸屬關(guān)系的快速、準確識別。該技術(shù)方案自2018年在北京地區(qū)進行推廣應(yīng)用，截至2020年10月底，已覆蓋32000個臺區(qū)，300萬低壓用戶，平均采集成功率99.75%，平均臺區(qū)識別成功率99.4%。

1 臺區(qū)識別技術(shù)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 臺區(qū)識別技術(shù)基本原理

現(xiàn)有臺區(qū)識別技術(shù)方案是在不增加外部設(shè)備的情況下，借助高速載波技術(shù)特點和電網(wǎng)信號特性，在高速載波互聯(lián)互通協(xié)議構(gòu)建的用電信息采集系統(tǒng)本地通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，通過電表節(jié)點獲取電力網(wǎng)絡(luò)自身信號特征，感知周邊鄰居網(wǎng)絡(luò)信號差異，進行綜合統(tǒng)計和運算分析，實現(xiàn)低壓臺區(qū)電能表戶變關(guān)系自動、精準識別。

1.2 實現(xiàn)機制

HPLC信號在多個臺區(qū)間存在串擾的原因主要有兩個，一是共零線導(dǎo)致，二是空間耦合。鄰居網(wǎng)絡(luò)串擾信號強度通常要比本網(wǎng)絡(luò)弱，利用這一特性，可以優(yōu)先進行臺區(qū)歸屬識別，即為SNR方式的無擾識別。

基于不同變壓器下用電負載不同而導(dǎo)致工頻零點變化趨勢不同，同一物理臺區(qū)變化趨勢相近的特性，也可以進行臺區(qū)識別，即為NTB方式的無擾識別。

將SNR和NTB兩種識別方式融合來進行臺區(qū)歸屬的判斷，兼顧識別效率和識別準確性。

在完成HPLC網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)優(yōu)化后，主節(jié)點周期性下發(fā)過零NTB信息。節(jié)點在入網(wǎng)后的運行過程中也在持續(xù)收集周圍臺區(qū)的SNR和NTB數(shù)據(jù)，不斷進行相似度計算，修正識別結(jié)果。

如圖1所示，識別階段流程如下：

圖1 識別階段流程圖

STA節(jié)點在入網(wǎng)后持續(xù)收集各個網(wǎng)絡(luò)SNR數(shù)據(jù)，為了防止SNR數(shù)據(jù)抖動進行滑窗處理，累計統(tǒng)計多個窗口的數(shù)據(jù)，到期后綜合每個網(wǎng)絡(luò)的SNR值和NTB數(shù)據(jù)，進行相似度分析，判斷相似度最高的為真實所屬臺區(qū)，STA從當前網(wǎng)絡(luò)離線，向真正歸屬臺區(qū)申請加入。集中器定期發(fā)送命令向CCO收集臺區(qū)識別結(jié)果，并上報采集主站。

1.3 存在問題

基于上述SNR＋NTB結(jié)合的技術(shù)方案，可以實現(xiàn)在大部分臺區(qū)線路環(huán)境下戶變關(guān)系的準確識別，整體識別成功率較高，但仍存在部分臺區(qū)識別結(jié)果存在較大偏差，影響采集、購電等業(yè)務(wù)的情況。經(jīng)分析，一部分是臺區(qū)NTB數(shù)據(jù)受臺區(qū)負荷和大噪聲影響，導(dǎo)致識別算法準確性出現(xiàn)錯誤，進而影響識別結(jié)果正確性。另一部分是受臺區(qū)共零等因素影響，整體識別結(jié)果出現(xiàn)頻繁跳變，影響識別結(jié)果穩(wěn)定性。本文針對上述兩方面的問題，分別從NTB識別算法數(shù)據(jù)處理方案優(yōu)化和識別流程優(yōu)化兩方面給出解決方案。

2 臺區(qū)識別技術(shù)優(yōu)化方案

2.1 NTB識別算法數(shù)據(jù)處理方案優(yōu)化

以工頻過零周期為特征的無擾識別算法是基于不同變壓器下用電負載不同而導(dǎo)致工頻零點變化趨勢不同，同一物理臺區(qū)變化趨勢相近的特性，HPLC載波STA站點收集各臺區(qū)工頻周期抖動偏差值與自身采集的工頻周期抖動偏差值進行相似度計算，評估出歸屬臺區(qū)，如圖2所示。

圖2 工頻周期抖動相關(guān)曲線

理論上，同臺區(qū)STA與CCO間，NTB信息存在較高的擬合度，但在實際的臺區(qū)中，會由于一些原因，導(dǎo)致部分NTB采集數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大失真，代入擬合度算式中會使計算結(jié)果出現(xiàn)偏差。

其中最主要的原因是臺區(qū)短時負荷波動、噪聲干擾造成NTB數(shù)據(jù)出現(xiàn)大抖動偏差。為了甄別這種大抖動偏差，引入工頻周期特征擾動幅值J（單位：320ns）：

T為CCO或STA的工頻周期偏差序列數(shù)值，n為工頻周期偏差序列個數(shù)，若某節(jié)點連續(xù)一段時間Q內(nèi)接受的總數(shù)據(jù)包數(shù)為P，工頻周期擾動幅值門限為D，則超過擾動幅值門限的包數(shù)占比R為：

實際應(yīng)用中，Q值取10min，D值取100，R值取80%。即R≥80%，則認為節(jié)點在該段時間內(nèi)NTB值存在大擾動，需要對該段時間數(shù)據(jù)進行過濾處理。

如果該時間段內(nèi)，僅STA存在大擾動，CCO無大擾動，則表示此擾動來自局部STA節(jié)點，則此段NTB數(shù)據(jù)無效，需做丟棄處理。

如果該時間段內(nèi)，某臺區(qū)CCO出現(xiàn)大擾動，且根據(jù)STA與CCO的歷史數(shù)據(jù)看，此大噪聲導(dǎo)致相似度大幅度降低，則此段NTB數(shù)據(jù)無效，需做丟棄處理。

表1、表2為北京通州地區(qū)某臺區(qū)實采CCO和STA的部分原始NTB數(shù)據(jù)，采集10輪，每輪采集17個過零NTB值。

表1 CCO采集的過零NTB數(shù)據(jù)

表2 STA采集的過零NTB數(shù)據(jù)

按照每5輪進行一次工頻周期特征擾動幅值評 估，分析結(jié)果見表3、表4。CCO在采集時段內(nèi)無大擾動影響。STA在第1～5輪的采集周期內(nèi)，有4輪的工頻周期特征擾動幅值J超過門限，R≥80%，故將該期間內(nèi)數(shù)據(jù)做剔除處理。

表3 CCO工頻周期特征擾動幅值分析

表4 STA工頻周期特征擾動幅值分析

基于該臺區(qū)數(shù)據(jù)，在對工頻周期大擾動數(shù)據(jù)進行過濾前，計算的STA與CCO的相似度值為：

在對STA進行大擾動偏差濾除后，計算的STA與CCO的相似度值為：

實際應(yīng)用中，還發(fā)現(xiàn)兩個因素可能導(dǎo)致NTB采集數(shù)據(jù)出現(xiàn)失真或異常，需對NTB采集數(shù)據(jù)進行處理。

1）電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)用戶側(cè)容性或感性負載出現(xiàn)較大波動引起工頻短時畸變，導(dǎo)致STA側(cè)和CCO側(cè)的過零NTB周期偏差了1個周期，影響相似度計算準確性，此時需對數(shù)據(jù)組進行整體偏移，保證數(shù)據(jù)起始時刻在同一個周期內(nèi)。

2）由于HPLC芯片硬件設(shè)計缺陷或通信網(wǎng)絡(luò)傳輸異常，導(dǎo)致STA側(cè)和CCO側(cè)的過零NTB數(shù)據(jù)存在丟失過零現(xiàn)象，對于連續(xù)兩個周期偏差大于40ms的數(shù)據(jù)判定為丟失過零，需進行剔除處理。

2.2 識別流程優(yōu)化方案

原有臺區(qū)識別方案中，為避免STA節(jié)點運行過程中頻繁更換網(wǎng)絡(luò)，引入網(wǎng)絡(luò)鎖定機制，CCO完成一輪搜表后發(fā)送鎖定命令，STA接收到CCO的搜表鎖定命令進入鎖定階段，在鎖定階段的處理機制與識別階段相同，僅是數(shù)據(jù)統(tǒng)計時間進行延長，累計統(tǒng)計N個窗口的數(shù)據(jù)后進行一次臺區(qū)評估。如圖3所示，STA共存在初始化、未入網(wǎng)、已入網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)鎖定四種狀態(tài)。

圖3 狀態(tài)切換示意圖

1）初始化：STA上電后處于初始化階段，在初始化階段主要進行信噪比數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，評選出歸屬的臺區(qū)，進入“未入網(wǎng)”狀態(tài)。

2）未入網(wǎng)：進入“未入網(wǎng)”狀態(tài)后，向已選擇的CCO網(wǎng)絡(luò)發(fā)起關(guān)聯(lián)請求，STA通過CCO的入網(wǎng)認證后，進入“已入網(wǎng)”狀態(tài)。

3）已入網(wǎng)：進入“已入網(wǎng)”狀態(tài)后，在運行過程中會持續(xù)統(tǒng)計信噪比數(shù)據(jù)，若STA評估過程中發(fā)現(xiàn)真實屬于臺區(qū)有變化，則從當前網(wǎng)絡(luò)離線，進入“未入網(wǎng)”狀態(tài)。若STA在當前網(wǎng)絡(luò)接收到CCO的網(wǎng)絡(luò)鎖定命令，則進入“網(wǎng)絡(luò)鎖定”狀態(tài)。

4）網(wǎng)絡(luò)鎖定：進入“網(wǎng)絡(luò)鎖定”狀態(tài)后，STA會進行長期的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，長期統(tǒng)計結(jié)果發(fā)現(xiàn)真正所屬臺區(qū)發(fā)生變化，則從當前網(wǎng)絡(luò)離線，進入“未入網(wǎng)”狀態(tài)。

網(wǎng)絡(luò)鎖定機制具體描述如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)鎖定機制示意圖

1）集中器下發(fā)“啟動搜表“命令，通知CCO啟動搜表。

2）CCO廣播通知全網(wǎng)“開始搜表”。

a）單相表或者三相表載波模塊，不需要搜表；

b）Ⅱ采收到“啟動搜表“命令，開始搜表流程。

3）CCO根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲信息，單播向各個沒有查到搜表結(jié)果的Ⅱ采和STA的發(fā)送“查詢搜表結(jié)果”報文。

4）Ⅱ采或STA收到CCO“查詢搜表結(jié)果”命令時，上報搜表結(jié)果。若之前未收到“開始搜表”消息，立即開始搜表。STA收到命令直接回復(fù)表地址。

5）CCO收到Ⅱ采或STA的搜表結(jié)果，若狀態(tài)為搜表完成，向Ⅱ采或STA發(fā)送“鎖定“命令。Ⅱ采或STA收到“鎖定”命令后，鎖定網(wǎng)絡(luò)成功后，回復(fù)“確認”報文。

6）CCO收到針對“鎖定”報文的“確認”報文時，將對應(yīng)Ⅱ采或STA的搜表結(jié)果上報到集中器。

7）搜表結(jié)束，分以下兩類情況：

a）搜表時間超過集中器通知的時間，結(jié)束搜表；

b）集中器下發(fā)“結(jié)束搜表”的命令。

8）集中器根據(jù)搜表結(jié)果，和CCO同步表檔案。

在原有識別流程中，允許STA在一段時間統(tǒng)計后，發(fā)現(xiàn)歸屬臺區(qū)發(fā)生變化時從當前網(wǎng)絡(luò)離線，經(jīng)分析，現(xiàn)場部分共零或噪聲干擾嚴重臺區(qū)，SNR值受線路環(huán)境影響波動明顯，造成識別結(jié)果跳變，進而影響抄表、購電等營銷業(yè)務(wù)開展，造成一定的服務(wù)風險。為此，針對識別流程中狀態(tài)切換和鎖定機制進行分析研究，提出相關(guān)流程優(yōu)化方案，即調(diào)整STA鎖定階段自主離網(wǎng)條件，增加集中器鎖定解鎖命令，形成集中器側(cè)主導(dǎo)的每日定時解鎖和節(jié)點切換模式，減少因節(jié)點跳變導(dǎo)致的營銷業(yè)務(wù)中斷。

優(yōu)化后的臺區(qū)識別方案中，STA接收到CCO的搜表鎖定命令后，進入鎖定階段，在鎖定階段站點僅持續(xù)計算與周圍各網(wǎng)絡(luò)的相似度，不主動進行網(wǎng)絡(luò)切換。數(shù)據(jù)統(tǒng)計機制與識別階段相同，僅是SNR數(shù)據(jù)統(tǒng)計時間進行延長，累計統(tǒng)計N個窗口的數(shù)據(jù)進行一次臺區(qū)評估。如圖5所示，STA共存在初始化、未入網(wǎng)、已入網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)鎖定四種狀態(tài)。

圖5 優(yōu)化后狀態(tài)切換示意圖

1）初始化：STA上電后處于初始化階段，在初始化階段主要進行信噪比數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，評選出屬于優(yōu)化后的臺區(qū)，進入“未入網(wǎng)”狀態(tài)。

2）未入網(wǎng)：進入“未入網(wǎng)”狀態(tài)后，向已選擇的CCO網(wǎng)絡(luò)發(fā)起關(guān)聯(lián)請求，STA通過CCO的入網(wǎng)認證后，進入“已入網(wǎng)”狀態(tài)。

3）已入網(wǎng)：進入“已入網(wǎng)”狀態(tài)后，在運行過程中會持續(xù)計算與周圍網(wǎng)絡(luò)的相似度，若STA評估過程中發(fā)現(xiàn)真實屬于臺區(qū)有變化，則從當前網(wǎng)絡(luò)離線，進入“未入網(wǎng)”狀態(tài)。若STA在當前網(wǎng)絡(luò)接收到CCO的網(wǎng)絡(luò)鎖定命令，則進入“網(wǎng)絡(luò)鎖定”狀態(tài)。

4）網(wǎng)絡(luò)鎖定：進入“網(wǎng)絡(luò)鎖定”狀態(tài)后，STA會進行長期的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，將統(tǒng)計結(jié)果記錄在本地。收到加入CCO的解鎖命令后，STA進入“已入網(wǎng)”狀態(tài)，可根據(jù)評估結(jié)果切換網(wǎng)絡(luò)。若站點因為通信原因，長時間無法加入鎖定網(wǎng)絡(luò)（3h），允許自動解鎖離網(wǎng)，選擇相似度最高的網(wǎng)絡(luò)加入。

網(wǎng)絡(luò)鎖定機制的調(diào)整如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后網(wǎng)絡(luò)鎖定機制示意圖

1）每日搜表30min前，集中器下發(fā)“設(shè)置從節(jié)點解鎖”命令，觸發(fā)CCO通知STA解除網(wǎng)絡(luò)鎖定，CCO接收到從節(jié)點解鎖命令后在5min內(nèi)廣播5輪。STA解除鎖定后，自動向相似度最高的網(wǎng)絡(luò)申請加入。

2）30min后，集中器下發(fā)“啟動搜表”命令，通知CCO啟動搜表。

3）CCO廣播通知全網(wǎng)“開始搜表”。

a）單相表或者三相表載波模塊，不需要搜表；

b）Ⅱ采收到“啟動搜表“命令，開始搜表流程。

4）CCO根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲信息，單播向各個沒有查到搜表結(jié)果的Ⅱ采和STA的發(fā)送“查詢搜表結(jié)果”報文。

5）Ⅱ采或STA收到CCO“查詢搜表結(jié)果”命令時，上報搜表結(jié)果。若之前未收到“開始搜表”消息，立即開始搜表。STA收到命令直接回復(fù)表地址。

6）CCO收到Ⅱ采或STA的搜表結(jié)果，若狀態(tài)為搜表完成，無需集中器發(fā)送“鎖定”命令，CCO直接向Ⅱ采或STA發(fā)送“鎖定”命令。Ⅱ采或STA收到“鎖定”命令后，鎖定網(wǎng)絡(luò)成功后，回復(fù)“確認”報文。

7）CCO收到針對“鎖定”報文的“確認”報文時，將對應(yīng)Ⅱ采或STA的搜表結(jié)果上報到集中器。

8）搜表結(jié)束，分以下兩類情況：

a）搜表時間超過集中器通知的時間，結(jié)束搜表；

b）集中器下發(fā)“結(jié)束搜表”的命令。

9）集中器根據(jù)搜表結(jié)果，和CCO同步表檔案。

通過上述方案對識別流程進行優(yōu)化后，識別結(jié)果穩(wěn)定性得到明顯提升。識別檔案每日更新至采集主站系統(tǒng)，系統(tǒng)將新識別結(jié)果與現(xiàn)有檔案進行比對，形成差異檔案同步至營銷系統(tǒng)后，系統(tǒng)可自動調(diào)整、更新臺區(qū)檔案，避免傳統(tǒng)因人工調(diào)整不及時、不準確影響營銷業(yè)務(wù)的情況，進一步提升了臺區(qū)管理的自動化、精益化水平。

3 優(yōu)化方案效果驗證

確定上述臺區(qū)識別優(yōu)化方案后，選取運行過程中存在典型問題的臺區(qū)分別進行驗證。在通州地區(qū)某臺區(qū)進行實測，存在大擾動影響NTB采集數(shù)據(jù)情況，通過計算工頻周期特征擾動幅值對NTB數(shù)據(jù)進行處理，大幅度提升相似度判斷的準確性，臺區(qū)識別準確率由89.1%提升至97.9%。在密云一部分臺區(qū)進行實測，存在負荷擾動造成工頻短時畸變和NTB數(shù)據(jù)丟失情況，通過對數(shù)據(jù)組進行偏移計算和處理，相似度數(shù)據(jù)波動明顯減小，臺區(qū)識別準確率由90.3%提升至99.6%。

表5 應(yīng)用成效統(tǒng)計表

通過對運行集中器、通信單元和相關(guān)信息系統(tǒng)進行升級優(yōu)化，實現(xiàn)上文所述臺區(qū)識別流程優(yōu)化方案，強串擾臺區(qū)的識別穩(wěn)定性有顯著提升，高頻跳變節(jié)點的日數(shù)據(jù)抄讀成功率由47.6%提升至99.4%。

4 結(jié)束語

綜上所述，文中提出的基于NTB識別算法數(shù)據(jù)處理和識別流程的優(yōu)化方案對臺區(qū)局部存在時變大擾動和跳變明顯的臺區(qū)場景的識別準確率會有較大提升，具有較好應(yīng)用價值。