基于載波通信技術的低壓配電網設備自動化識別系統

張鳳翱，李國平

（國網浙江省電力公司湖州供電公司，浙江 湖州 313000）

基于載波通信技術的低壓配電網設備自動化識別系統

張鳳翱，李國平

（國網浙江省電力公司湖州供電公司，浙江 湖州 313000）

運用一種低壓配電網設備自動識別技術，通過在表箱、分支表箱、出線開關處安裝各類編碼控制器，實現對臺區低壓側設備、各設備間的拓撲關系的自動化信息管理。為低壓線損分段、分塊的準確分析、基于臺區低壓設備拓撲關系管理的GIS信息管理系統提供一種自動化、信息可識別的實現方法。

低壓配電網；臺區線損；編碼控制器；OFDM PRIME載波

0 引言

低壓配電網是直接面向用戶供電的末端網絡，是電網的重要組成部分，近年來隨著智能電網建設的推進，低壓配電網智能終端監測、用電信息采集、低壓電網GIS（地理信息系統）等系統的建設及應用，為低壓電網的智能化、信息化管理創造了有利條件，大大提高了供電可靠性和安全性。但上述系統在建設過程中，對公用變壓器（以下簡稱公變）以下的用電網設備的數字化信息管理均處于盲區，基本以紙質條形碼人工方式進行信息管理，人力投入較大、工作效率低，設備變化的實時性和正確性得不到保證。實際應用中，基本以公變為單位對臺區的低壓設備進行分類匯總統計，難以對具體低壓設備進行定位與查詢，也不能反應相關設備之間的拓撲層次關系。而隨著各信息系統的逐步推進，電力部門對低壓配電網的應用逐漸深入，相關問題隨之產生，如：出現線路或設備故障時，難以準確定位設備位置進行快速排查；臺區線損偏高時，難以通過分塊、分段的方式縮小排查范圍；配電箱、電纜分支箱、表箱等電氣設備之間缺乏拓撲關系，難以實現臺區內所有設備的對應關系和層次結構的動態管理。

針對上述問題，提出一種解決思路及手段，通過在低壓配電網的各級設備，包括變壓器、出線間隔或配電箱、開關或漏電保護器（以下簡稱漏保）、分支箱、電表箱、電表及采集器上裝設各類編碼通信器，利用新一代通信技術，自動建立全部低壓設備的電子身份信息檔案庫。

1 總體設計思路

對于公變下的電力設備，信息化管理的重點是：出線間隔箱/配電箱、開關或漏保、分支箱、電表箱、電表及采集器。該自動化識別系統的總體設計思路是在上述設備附近并聯安裝編碼通信器，通過設置編碼通信器所在設備的類型、編碼、地理位置信息等，實現對低壓設備的拓撲及信息管理。編碼控制器是一種特殊的數據通信裝置，各類編碼管理器均內置基于PRIME技術的載波通信模塊，采用PRIME載波技術的網絡自發現、自注冊技術，國網RS485電能表的自動搜索表地址技術，由臺區公變編碼管理器實現各級設備編碼、設備類型、電能表與表箱編碼管理器之間拓撲關系的設備信息采集及管理。

2 關鍵技術解決

2.1 關鍵通信技術方案

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。PRIME是由PRIME聯盟推出的開放式多供應商解決方案，采用OFDM技術，使用了97個子載波、2.24 ms的長符號、2 ms的序和4.48的開頭。為了避免重復法和RS糾錯的復雜性，采用了能效高3倍的符號來提高通信穩定性。

PRIME系統是由各臺變的子網構成的，每個子網含有2種節點，包括基礎節點和各業務節點，如圖1所示。

圖1 PRIME系統子網結構

2.1.2 基礎節點

基礎節點是連接子網的主節點，管理子網的資源和連接。每個子網只有1個基礎節點。基礎節點自身對子網做初始化，其他節點按照一定的注冊流程登錄到該子網中。

2.1.3 業務節點

子網的其他節點都是業務節點。這些節點在斷開狀態下按一定的規程啟動建立網路連接，每個這樣的節點都是子網網格的一個點。這些點的作用是：將自身連接到子網、轉接鄰近節點的數據實現中繼連接。

業務節點的工作態在“端接”和“轉接”之間動態轉換。節點功能狀態的轉換根據預先定義好的網路事件來觸發。

如圖2所示，業務節點有3種功能狀態：

（1）斷開：業務節點從斷開開始工作。在此狀態下，節點不能和其他節點通信或通信轉接。在這個狀態下基礎節點的主要功能就是搜尋一個可用的鄰近網絡并主動注冊。

（2）端接：這種狀態下業務節點只能建立連接實現通信傳輸，不能轉接其他節點的通信。

（3）轉接：這種狀態下業務節點除了端接功能外，還有轉接子網其它設備數據的功能。

圖2 業務節點的功能狀態

PRIME協議規定，中繼級別數沒有限制。由于PLC通路的雜音衰耗的隨機時變性，各個中繼節點也非固定，而是有隨機被升降的可能。在找到所有的服務節點組成網絡后，基站還要定期下發廣播信標，進行系統巡檢，任免中繼節點等；網路中所有節點要回應巡檢信標，匯報其通路正常信息，另外中繼節點還要負責轉發信標。這樣，全網路時刻保持暢通無阻，系統無需進行初期規劃，即插即用，可實時自動實現網路的互連互通。

2.1.4 MAC層尋址

每一個節點都有一個通用的MAC地址，這個地址是一個48 bit的字段，在IEE 802-2001中字段被命名為EUI-48。

制造商在生產過程中設置MAC地址，該地址被普遍用于網絡注冊過程中以區別每個節點。每個子網只有一個基礎節點，因此該基礎節點的EUI-48字段由于在全網絡中的唯一性被用于區分子網，被稱作子網地址（簡稱SNA）。

SID（轉接節點編號）是一個8 bit的編碼，子網中每個轉接節點都有唯一的SID，子網的基礎節點在節點升級過程中對轉接節點設置SID。通過SNA和SID才能區別轉接節點。SID=0的情況下該節點就是基礎節點。

在注冊過程中，每個節點都會收到其LNID（本地節點編碼），這是一個14 bit的編碼，由同一轉接節點服務的每個節點會有不同的LNID。在初始化注冊過程中接收到的LNID以及建立該連接的轉接節點的SID，兩者結合起來被稱作NID（22 bit）。NID可以用于在子網中區分每個節點，通過SNA和NID可以區別每一個節點，轉接節點的LNID=0。

在每次連接建立過程中，都將產生一個LCID（本地連接編號），這個字段共9 bit，用于區別每個節點的每一次連接過程。NID加上LCID被稱作CID（31 bit）。CID可以用于區別在一個子網中的每一次連接。通過SNA和CID可以區別每一次連接。

另外還有用于組播和廣播功能的地址，這些地址用于數據以及控制信息的傳送。根據通信流量的實際環境有幾種組播和廣播功能地址類型。

每個業務節點在拓撲結構上都有一個等級。和基礎節點直接連接的節點的等級是0級。從基礎節點帶每個和基礎節點不直接相連的業務節點，等級這樣計算：每過1次轉接節點等級值加1。

2.1.5 載波注冊流程

表箱編碼管理器通過RS485總線與居民表計相連接，并且通過縮位尋址的方式主動發現設備地址，并主動上報到主站。實現設備物理連接的拓撲關系識別。

2.2 各節點設備、相應軟件的功能設計

對于一套完整的能夠實現低壓配電網設備自動識別技術的系統，牽涉到的產品范圍包括：

（1）表箱編碼管理器：通過RS485總線，DL 645-2007規約縮位尋址，廣播自動識別表箱內電表通信地址，采集并存儲表計信息、電表類型，存儲表箱編碼、類型信息等，并通過PRIME載波網絡上傳到臺區公變編碼管理器。其設備地址編碼規則為：03+10位唯一序列號。

（2）分支表箱編碼管理器：存儲分支表箱編碼信息及類型，并上傳到臺區公變編碼管理器。其設備地址編碼規則為：02+10位唯一序列號。

（3）出線開關編碼管理器：存儲出線開關編碼信息及類型，并上傳到臺區公變編碼管理器。其設備地址編碼規則為：01+10位唯一序列號。

（4）臺區公變編碼管理器：采集各類編碼管理器編碼信息、類型，公變下電表表號信息、類型、對應表箱編碼拓撲關系信息的管理及存儲、并通過GPRS上傳到信息采集管理軟件。其設備地址編碼規則為：00+10位唯一序列號。

（5）臺區低壓設備信息采集管理軟件：與臺區公變編碼管理器通信，采集編碼管理器內存儲的臺區下各設備編碼、設備類型、設備間拓撲關系。

（6）GIS軟件：根據采集到的臺區下各設備編碼、設備類型、設備間拓撲關系，生產低壓側拓撲關系及GIS信息圖。

2.3 可實現的樹形拓撲結構

通過如圖3所示的樹形拓撲結構，能有效實現對線路上設備的管理。該樹形結構可以通過上位機導出到XML文件，以便將該樹形結構導入到現有的營銷系統中，能夠大大減少目前營銷系統的人力操作。

圖3 樹形拓撲結構

2.4 與已有系統的互聯應用

系統建設完成后，所有臺區低壓側設備信息及設備間拓撲關系均能夠通過文件方式導出，或通過Web Service技術實現與現有GIS系統、電力營銷管理系統、集抄系統之間的數據信息交互，或直接接入現有的集抄系統。

3 測試情況

在實際測試過程中，采用了居民表4臺、表箱編碼管理器2臺、分支表箱編碼管理器2臺、出線開關編碼管理器2臺、臺區公變編碼管理器1臺，通過PRIME載波組網測試。采用臺區低壓設備信息采集管理軟件讀到的設備拓撲關系如圖4所示。

圖4 通過軟件讀取的設備拓撲關系

導出到XML文件后，使用IE瀏覽器打開后的樹結構如圖5所示。該樹形結構可以導入到現有的GIS系統或者營銷系統中，以備后續的使用。

圖5 IE瀏覽器打開的樹結構頁面

4 結語

根據OFDM PRIME載波技術的網絡自發現、自注冊等關鍵特征，RS485電能表DL/T 645規約的自動搜索表號特征，設計并研制一種內置PRIME載波模塊編碼控制器，針對臺區低壓設備信息管理的應用軟件，實現了對臺區低壓側設備、各設備間拓撲關系的自動化信息管理的試點應用。為下一步即將實施的低壓線損分段、分塊的準確分析、基于臺區低壓設備拓撲關系管理的GIS信息管理系統提供了一種信息自動化、可識別的實現方法。

[1]李晨露.基于OFDM的中壓配電網通信系統的設計[D].北京：華北電力大學，2012.

[2]王斌.基于ADD1021的電力線載波抄表終端設計[D].合肥：合肥工業大學，2012.

[3]朱滿軍.基于PRIME技術的低壓電力線通信模塊的設計[D].合肥：合肥工業大學，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，2014.

[5]李軍.城市低壓配電網通信組網技術研究[D].北京：華北電力大學，2012.

[6]戚佳金.低壓配電網電力線載波通信動態組網方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2009.

[7]徐川子，莊杰，嚴麗芳.通用型低壓集抄智能檢測設備的研發與應用[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，高級工程師，從事電能計量管理工作。