新型配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)戶變關(guān)系檢測(cè)方案研究

郁志良，劉 飛，周冰成，張歡歡，潘 達(dá)，常雪蓮

(1.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司奉賢供電公司，上海 201400;2.上海歐憶能源科技有限公司，上海 200040)

在智能電網(wǎng)的架構(gòu)中，配電網(wǎng)占據(jù)著非常重要的一環(huán)。配電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)中用戶與電網(wǎng)的接口，擁有著龐大且復(fù)雜的架構(gòu)，在未來(lái)的智能電網(wǎng)建設(shè)中，配電網(wǎng)管理在整個(gè)電網(wǎng)的管理中將扮演著重要的角色。在同一配電網(wǎng)中，包含著若干臺(tái)區(qū)，電網(wǎng)的智能化管理正是需要從臺(tái)區(qū)著手，進(jìn)而完善整個(gè)配電網(wǎng)的管理工作。未來(lái)配電網(wǎng)管理的趨勢(shì)將從傳統(tǒng)的粗放式管理逐步向現(xiàn)代的精細(xì)化管理轉(zhuǎn)型，而精細(xì)化管理的實(shí)現(xiàn)需要對(duì)臺(tái)區(qū)結(jié)構(gòu)即臺(tái)區(qū)的戶變關(guān)系有準(zhǔn)確的把握。

1 傳統(tǒng)戶變關(guān)系檢測(cè)方案

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)的精細(xì)化管理，需要對(duì)臺(tái)區(qū)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行識(shí)別，即找出低壓配電變壓器與用戶之間的匹配關(guān)系，并在電力公司內(nèi)進(jìn)行用戶資料歸檔，便于后期管理。在圖1中給出了臺(tái)區(qū)的戶變關(guān)系檢測(cè)過(guò)程的示意圖，即通過(guò)有效的手段，將每個(gè)用戶和其連接的臺(tái)區(qū)變壓器一一對(duì)應(yīng)起來(lái)，從而為后期精確的線損計(jì)算，負(fù)荷預(yù)測(cè)及配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供可靠的資料。

圖1 臺(tái)區(qū)戶變關(guān)系檢測(cè)過(guò)程

該方案中，電力工作人員需要對(duì)臺(tái)區(qū)變壓器下的線路進(jìn)行觀察，并對(duì)線路走向進(jìn)行記錄，從而人為地判斷臺(tái)區(qū)內(nèi)的戶變連接關(guān)系。然而由于配電網(wǎng)下結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且早期很多線路連接不規(guī)范，有些臺(tái)區(qū)下線路錯(cuò)綜復(fù)雜甚至肉眼難以識(shí)別。在這種情況下，需要進(jìn)行“拉閘驗(yàn)電”的操作，這將嚴(yán)重影響用戶的用電體驗(yàn)，在今天嚴(yán)格的用電管理要求下是更加不可取的[4]。后期，電力線載波技術(shù)逐漸成熟并被運(yùn)用到戶變關(guān)系的檢測(cè)中來(lái)。電力線載波技術(shù)以電力線作為傳輸通道，在臺(tái)區(qū)變壓器側(cè)和用戶側(cè)安裝調(diào)制解調(diào)設(shè)備，通過(guò)將臺(tái)區(qū)信息調(diào)制成高頻信號(hào)后利用電力線進(jìn)行傳輸[5]。該方案將信息調(diào)制成高頻信號(hào)進(jìn)行傳輸，而實(shí)際操作中高頻信號(hào)很容易在電力線之間和電纜溝之間發(fā)生耦合現(xiàn)象，即高頻信號(hào)耦合到其他線路，造成用戶側(cè)的誤讀。此外，高頻信號(hào)可以穿越變壓器進(jìn)入其他臺(tái)區(qū)，造成跨臺(tái)區(qū)的誤讀現(xiàn)象。為了提高識(shí)別率，脈沖電流技術(shù)被引入進(jìn)來(lái)和電力線載波技術(shù)協(xié)同工作。脈沖電流技術(shù)通過(guò)一個(gè)脈沖變壓器向電力線上注入一個(gè)脈沖電流，工作人員在另一側(cè)進(jìn)行檢測(cè)，從而提高識(shí)別率。但是脈沖電流技術(shù)不僅存在安全隱患，且仍然需要人力的參與，不符合智能電網(wǎng)系統(tǒng)自動(dòng)化的未來(lái)愿景。

2 新型戶變關(guān)系檢測(cè)方案

2.1 新型方案技術(shù)背景

在傳統(tǒng)的戶變關(guān)系檢測(cè)方案中，人為排查耗費(fèi)大量人力，易出錯(cuò);電力線載波方案需要在變壓器側(cè)和用戶側(cè)同時(shí)添加額外設(shè)備，大量額外設(shè)備的引入既不經(jīng)濟(jì)也會(huì)影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性，且高頻載波的耦合問(wèn)題會(huì)影響識(shí)別的準(zhǔn)確度;脈沖電流存在安全隱患，且需要人力的參與。為了保證電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和電網(wǎng)建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性，需要減少額外設(shè)備的引入，而為了提高識(shí)別的準(zhǔn)確度和電網(wǎng)的智能化，需要減少人力的參與，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)戶變關(guān)系檢測(cè)的自動(dòng)化。

目前國(guó)內(nèi)的電力系統(tǒng)中，一方面集中抄表系統(tǒng)已經(jīng)在許多城市普及開(kāi)來(lái)，另一方面智能電能表的量測(cè)功能和通信功能日臻完善，因此集抄系統(tǒng)與智能電能表是一個(gè)“天然”的信號(hào)接收器，如果可以將智能電能表的量測(cè)對(duì)象作為調(diào)制目標(biāo)，則可以僅在臺(tái)區(qū)變壓器側(cè)加入調(diào)制設(shè)備，大大提高了經(jīng)濟(jì)性。另一方面，集抄系統(tǒng)可以自動(dòng)將臺(tái)區(qū)下電能表的數(shù)據(jù)獲取并存儲(chǔ)在配電網(wǎng)下的數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，提供歷史數(shù)據(jù)的查詢功能，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。用戶的電能表會(huì)由一個(gè)本地的收集器進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集，該收集器會(huì)將數(shù)據(jù)上報(bào)給配電網(wǎng)內(nèi)的集中器，而集中器會(huì)最終將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在電力公司內(nèi)的數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)。因此，在電網(wǎng)公司內(nèi)可以從數(shù)據(jù)庫(kù)中導(dǎo)出歷史數(shù)據(jù)并根據(jù)前期約定好的調(diào)制規(guī)則和編碼規(guī)則對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)和解碼操作，進(jìn)而提取出臺(tái)區(qū)變壓器側(cè)發(fā)送的臺(tái)區(qū)識(shí)別信息，自動(dòng)完成用戶電能表與臺(tái)區(qū)變壓器的匹配工作，而不需要電力工作人員的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，節(jié)省了人力成本。

圖2 集抄系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 新型方案架構(gòu)設(shè)計(jì)

智能電能表可以量測(cè)的信號(hào)有很多，我們需要根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行特性和技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難易程度選出合適的調(diào)制目標(biāo)。一種簡(jiǎn)單的方案是向系統(tǒng)內(nèi)部注入電壓或電流的高頻諧波，在電能表側(cè)對(duì)電壓或電流的THD值進(jìn)行收集分析。電力系統(tǒng)由于比較龐雜，存在著多種干擾，若注入的諧波太小會(huì)導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確觀測(cè)，若注入的幅值太大則可能造成對(duì)電能質(zhì)量的污染如圖3所示。

圖3 諧波注入方案

電流由于變化較大且不規(guī)律，因此不適合作為載波。在電力系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓的有效值被控制在一個(gè)極小的范圍內(nèi)變動(dòng)，且短時(shí)間內(nèi)一般比較穩(wěn)定，因此適合作為文中所提出方案的信號(hào)載波。無(wú)功功率注入可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的調(diào)整，但是容易對(duì)系統(tǒng)造成影響，因此，提出基于電力電子技術(shù)的信號(hào)調(diào)制設(shè)備，可以在臺(tái)區(qū)變壓器側(cè)通過(guò)直接調(diào)整電壓有效值實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制發(fā)送。

為了通過(guò)改變電壓有效值來(lái)發(fā)送信號(hào)，需要在電網(wǎng)內(nèi)注入一個(gè)和原始電網(wǎng)電壓頻率相位相同但幅值不等的小電壓，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電壓有效值的微調(diào)，在任意瞬時(shí)時(shí)刻，總的電壓需要滿足:

式中:u o(t)為原始電網(wǎng)電壓;u s(t)為注入的信號(hào)電壓;u min和u max分別為國(guó)標(biāo)允許的電網(wǎng)電壓的瞬時(shí)值下限和上限。

在用戶側(cè)，智能電能表會(huì)實(shí)時(shí)地對(duì)電壓的有效值進(jìn)行測(cè)量，但是集抄系統(tǒng)每經(jīng)過(guò)一個(gè)固定的時(shí)間段才會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一次記錄，通常是每15 min對(duì)電能表的數(shù)據(jù)在后臺(tái)進(jìn)行一次記錄。因此需要引入一個(gè)時(shí)間窗口的概念，時(shí)間窗口的函數(shù)表達(dá)式定義如下:

式中:t recor d為集抄系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)的時(shí)刻;T w為時(shí)間窗口的長(zhǎng)度。

由于集抄系統(tǒng)和調(diào)制設(shè)備可能存在著時(shí)間同步上的偏差，因此需要?jiǎng)討B(tài)的去調(diào)整時(shí)間窗口的長(zhǎng)度，從而保證在數(shù)據(jù)記錄時(shí)刻能夠發(fā)送對(duì)電壓有效值進(jìn)行調(diào)整，從而發(fā)送出信息。在數(shù)據(jù)中心，通過(guò)對(duì)用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以找出電壓有效值的變動(dòng)點(diǎn)，提取出信號(hào)電壓的特征波形，與調(diào)制設(shè)備預(yù)設(shè)的發(fā)送信息進(jìn)行比對(duì)，從而得到戶變關(guān)系檢測(cè)的結(jié)果。

3 信號(hào)調(diào)制設(shè)備設(shè)計(jì)

3.1 拓?fù)湓O(shè)計(jì)

根據(jù)方案設(shè)計(jì)，在用戶側(cè)利用智能電能表和集抄系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)接收側(cè)，不需要添加額外的設(shè)備。因此，在提出的以電壓有效值作為載波的方案中，需要在臺(tái)區(qū)變壓器側(cè)加入一個(gè)可以根據(jù)指令在時(shí)間窗口內(nèi)對(duì)電力線上的電壓有效值進(jìn)行調(diào)整，從而發(fā)送信號(hào)的設(shè)備。對(duì)于用戶側(cè)記錄的電壓有效值，可以表示為:

可以看到，經(jīng)過(guò)調(diào)制后的電壓信號(hào)可以作為原始電壓有效值和信號(hào)電壓有效值的疊加，因此調(diào)制設(shè)備實(shí)際上起到了變壓器分接頭的作用。傳統(tǒng)的變壓器分接頭穩(wěn)定性差，操作困難，且無(wú)法通過(guò)移動(dòng)端設(shè)備對(duì)所需要發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。電力電子技術(shù)具有穩(wěn)定性高，功率密度大以及自動(dòng)化的特點(diǎn)，且通過(guò)在電力電子設(shè)備上加裝網(wǎng)絡(luò)模塊，可以在遠(yuǎn)端通過(guò)終端對(duì)所需要發(fā)送的信息進(jìn)行預(yù)設(shè)，符合智能電網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)。本方案使用的調(diào)制設(shè)備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示，調(diào)制設(shè)備被安裝在臺(tái)區(qū)變壓器的低壓側(cè)上，由旁路開(kāi)關(guān)和一組反并聯(lián)的二極管組成。

圖4 調(diào)制設(shè)備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

旁路開(kāi)關(guān)具體實(shí)現(xiàn)時(shí)可以用MOSFET實(shí)現(xiàn)，當(dāng)它閉合導(dǎo)通時(shí)，未經(jīng)調(diào)制的電壓將直接輸送到輸出端;當(dāng)旁路開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電壓將經(jīng)過(guò)一組反并聯(lián)二極管，從而在交流電壓的兩個(gè)方向上引入一個(gè)固定的電壓降，進(jìn)而降低電壓的有效值。通過(guò)增加每一條支路上二極管的數(shù)量可以增加電壓有效值的變化量。如此一來(lái)，可以將旁路開(kāi)關(guān)閉合時(shí)的電壓有效值定義為“1”，而引入電壓降后的電壓有效值定義為“0”，這就構(gòu)成了最大簡(jiǎn)單的二進(jìn)制編碼方案，更復(fù)雜的編碼方案可以被用來(lái)提高編碼方案的抗擾性。曼徹斯特編碼利用跳變作為編碼策略，該方案中將從正常電壓跳變到降低后的電壓看作“0”，從降低后的電壓跳到正常電壓看作“1”。

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室利用智能電能表對(duì)電壓有效值進(jìn)行測(cè)量，并利用一個(gè)控制板模擬集抄系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄與存儲(chǔ)，記錄時(shí)間與集抄系統(tǒng)一致，每15 min一次。板上數(shù)據(jù)可以通過(guò)以太網(wǎng)導(dǎo)出到電腦上進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)解析。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中智能電能表用于測(cè)量電壓有效值并和控制板通過(guò)RS485進(jìn)行通信。調(diào)制設(shè)備上的控制板可以和上位機(jī)通信，從而設(shè)置調(diào)制信號(hào)。為了提高識(shí)別度但又不對(duì)原始電壓造成太大影響，每條支路上使用了兩個(gè)二極管，此時(shí)壓降在2 V左右。

圖5(a)給出了實(shí)驗(yàn)室記錄的未經(jīng)調(diào)制的電壓信號(hào)，記錄時(shí)長(zhǎng)為5 d。圖5(b)給出了加入調(diào)制信號(hào)后的電壓波形，在實(shí)驗(yàn)中利用交替信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，即交替發(fā)送高低電平。 可以明顯看出，加入信號(hào)后記錄的電壓波形明顯產(chǎn)生了變化，相當(dāng)于原始信號(hào)上疊加了一個(gè)微弱的高頻擾動(dòng)。從對(duì)兩組波形進(jìn)行數(shù)字濾波處理的結(jié)果可以看出，原始電壓由于變化緩慢，經(jīng)過(guò)高通濾波后基本都被濾除，而疊加的識(shí)別信號(hào)可以被還原出來(lái)，用于辨識(shí)。

圖5 實(shí)驗(yàn)波形

4 結(jié)束語(yǔ)

以電壓有效值作為載波的新型戶變關(guān)系檢測(cè)方案，用戶側(cè)以現(xiàn)有的智能電能表和集抄系統(tǒng)架構(gòu)作為數(shù)據(jù)接收端，不添加額外設(shè)備，在臺(tái)區(qū)變壓器下僅添加一臺(tái)基于電力電子技術(shù)的信號(hào)調(diào)制設(shè)備。給出的整套方案的實(shí)施細(xì)節(jié)，提出的與集抄系統(tǒng)匹配的時(shí)間窗口調(diào)制技術(shù)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明這套調(diào)制設(shè)備和檢測(cè)方案的有效性。