基于HPLC寬帶電力線載波技術的配電電壓質量在線監測方法研究

余 敏

(國網四川省電力公司自貢供電公司，四川 自貢 643000)

0 引 言

用電負荷的逐年增加致使部分配電網線路無法滿足當前用電需求。在用電高峰期，仍然存在臺區及用戶電壓偏低的現象[1-4]。現有研究表明，臺區及用戶側的電壓偏離會顯著影響電流穩定性，進而引發電力火災及安全事故[3-4]。因而在電力配電工作中，電壓是衡量電能質量的關鍵指標與影響電力設備正常工作的核心因素[5]。同時，配變臺區是供電環節的最后節點，是直接影響用戶供電電壓質量的關鍵。如何加強對臺區低壓用戶電壓質量的監測和管理，提升臺區配電系統穩定性與可靠性，是供電服務“最后一公里”問題的核心[6]，對改善用戶體驗、提升供電公司社會形象具有良好的促進作用[7]。

目前，居民電壓質量監測技術主要通過基于配電線路供電區域分類的典型用戶電壓質量監測完成，存在著自動化程度不高、覆蓋范圍有限、準確率較低的問題，無法精準監測到低電壓用戶，更無法通過系統數據分析低電壓產生的原因。如何在現有系統上擴大采集系統數據覆蓋范圍，提升數據采集質量，對居民配電系統改善及電網安全穩定運行具備重要意義。

智能電表通常裝在產權分界點處，是供電企業到電力用戶的終端智能化設備。同時為了計算線損，智能電表也會裝于配電變壓器的出口側。智能電表的各項計量數據，如用戶側的電壓、電流、功率等，可通過采集系統實現精準采集，進而完成對臺區低壓用戶電壓質量的監測。然而，現有的采集系統下行通信是采用窄帶電力線載波通信技術，頻率范圍為3～500 kHz，相對較窄的帶寬不僅限制了通信服務的傳輸速率，且無法保證通信鏈路抗干擾能力，在實際中一次抄表成功率很難突破90%以上[8]，主要用于自動抄表、線損計算等基本功能。HPLC是一種高速寬帶電力線載波通信技術，頻率范圍為0.5～12 MHz，相比窄帶載波通信速率提升了數十倍，最高可達1 Mbit/s[9-10]，是目前智能電網、能源管理等應用的主要通信手段[11]。寬闊的頻域使得HPLC技術具備傳輸速率高、實時性強、抗干擾能力優異、傳輸可靠率高[12-13]的優勢。同時，現有HPLC模塊均配有過零點檢測單元，可以記錄過零點時刻，從而實現模塊的相位識別及臺區過零周期特征值獲取。隨著用電信息數據量的逐漸增加及智能電網對通信實時性要求的不斷提高，HPLC技術更能適應現在及未來的數據采集和通信要求[14]。

下面，針對現有網絡通信技術的不足，基于HPLC寬帶電力線載波技術，提出了一種配電電壓質量在線監測方案。

1 功能實現準備

1.1 整體架構

方案整體架構如圖1所示。用電信息采集系統主要由主站、通信信道、采集設備3部分組成[15]。

圖1 用電信息采集系統架構

目前國網四川省電力公司采用的通信方式依托于集中器進行收集、傳遞。首先，集中器通過窄帶電力線載波通信模塊采集智能電表數據，而后再通過4G無線公網將數據傳送至采集系統主站。針對現存網絡通信技術的不足，將集中器下行通信模塊和表計通信模塊更換為HPLC寬帶電力線載波模塊，同時將集中器和智能電表更換為滿足Q/GDW 1364—2013及以上功能要求的設備，通過對集中器、模塊和主站進行高頻采集任務配置，完成每15 min一次的臺區側及用戶側智能電表的電壓、電流等相關數據采集[16]，進而實現配電電壓質量的精準在線監測。利用采集到的數據，通過建立系統數據分析模型，還可以實現低電壓產生原因的初步判斷。

1.2 高頻采集任務配置

高頻采集的數據交互方式如圖2所示。2013版的智能電表本身就存儲有每15 min的電壓、電流等凍結數據，智能電表和其STA模塊之間通過DL/T 645—2007或者DL/T 698.45—2017協議進行通信，STA模塊和集中器的CCO下行模塊之間通過HPLC協議進行通信，集中器CCO下行模塊和集中器之間通過Q/GDW 1376.2—2013協議進行通信，多級傳遞將電表的凍結數據傳輸給系統主站。

圖2 高頻采集數據交互

為了實現高頻采集，還需要對集中器、模塊、主站進行高頻采集任務配置。其中，集中器的抄表任務需要從傳統窄帶模式下的路由主動、集中器主動抄表機制向寬帶模式下的并發抄表機制調整。同時，對集中器和表計的采集任務進行合理調度。對集中器而言，需穿插進行短周期任務和長周期任務，以避免出現長周期任務擠占短周期任務的現象。對表計而言，普通表計采集任務和重點表計采集任務也要穿插進行，以避免普通表計擠占重點表計采集任務，造成短周期任務或重點表計任務成功率不高的問題。

在高頻數據采集中，STA模塊和CCO模塊沒有特殊的開發內容，實現基本的并發抄表功能即可。CCO收到集中器的報文后，將其封裝成HPLC協議幀發給STA。CCO端需要有一定的數據緩存能力，來存儲集中器的連續多幀下行數據。STA收到CCO的HPLC應用層協議后解析，若是并發抄表幀且含有多個電表協議報文，則需將多個電表協議報文解析出來后分別與電表進行通信。STA收到電表的應答后進行緩存，當多幀應答收集完成或者超時間到期后，組裝成完整的HPLC應用層報文回復給CCO。CCO收到STA的抄表應答幀后，將抄讀結果發給集中器。

2 系統功能設計

2.1 低電壓監測功能

通過HPLC寬帶載波模塊的高頻采集功能，將智能電表每15 min的電壓、電流等凍結數據采集回主站后，通過主站集中數據分析，結合低壓界定規范，綜合判斷電表的低電壓狀況。依據低電壓出現位置，還可以將低電壓現象分為臺區級低電壓和用戶級低電壓。通過HPLC模塊的相位識別功能，可以判斷低電壓所在的相位，并在系統中進行展示。系統的詳細功能部署界面見圖3、圖4。

圖3 低電壓界面展示

圖4 電壓數據展示

2.2 低電壓原因初步判斷

低電壓的產生具備典型的系統性，影響決策變量多且繁雜。其中，造成該現象的主要原因有3種：三相負荷不平衡、供電半徑過長或者線路線徑過小、公用變壓器負載過重。在具體原因判斷上，可結合本系統提供數據進行初步判斷，再結合現場運行狀況進行綜合考慮[1]。

1)三相負荷不平衡

在實際工作開展過程中，由于工作人員技術水平以及現場施工難度等條件的限制，難以實現將單相負荷均勻分布在三相線路上，從而出現三相負荷分布不平衡。三相負荷不平衡會致使各相電壓幅值不相等，電壓偏低相會出現設備無法正常工作，而電壓偏高相會導致設備過額運行，可能會影響設備的使用壽命[1]。

在三相負荷不平衡問題的監測上，可在監測低電壓的同時同步監測三相負荷不平衡情況，通過采集的配電變壓器出口側量測數據是否出現單相或者兩相低電壓，以及該變壓器的三相電流不平衡度是否持續2 h大于25%來判斷三相負荷不平衡是否是造成低電壓產生的原因。系統功能的部署界面如圖5所示。

圖5 三相不平衡界面展示

根據考核電表的平均電流偏差度計算結果，自動將平均電流偏差度大于10%的相判斷為負荷較重的相位，將平均電流偏差度小于-10%的相判斷為負荷較輕的相位。在系統中可部署一個初步的負荷調整建議，如圖6所示。

圖6 三相不平衡具體數據展示

對于三相負荷不平衡臺區，可以根據系統給出的負荷調整建議，結合每相用戶的負荷情況，通過均勻分配三相負荷，提高臺區的電壓質量。

2)供電半徑過長或線路線徑過小

部分低壓臺區網架由于區域變遷已經較為陳舊，在接入新用戶時，未考慮負荷均勻分布的問題，只考慮接入方便，將接入點設置在線路末端，出現變壓器供電半徑過大的情況。由于線路供電距離較長或者是線路老化，線路末端出現了電壓偏低的情況。同時部分低電壓臺區線路線徑偏小，導致電壓降低、線損率上升，用電設備功率下降。

針對這兩種原因，在監測低電壓的同時，可以同步監測配電變壓器出口側三相電壓。如果某相電壓正常(≥220 V)但個別末端用戶出現低電壓，則可能是由于供電半徑過長或線路線徑過小導致出現低電壓。針對這種情況，可依據系統監測數據，結合PMS檔案臺區低壓線路總長度和使用線徑大小，采用縮短中低壓供電半徑、增加線路補償、更換線徑過小線路或者進行負荷轉移的方式來解決。

3)配電變壓器負載過重

若臺區的負荷增長過快，配電變壓器容量難以滿足臺區負荷需要，變壓器重載或者過載運行，有可能會導致變壓器低壓側出現低電壓。

針對這種原因，可以通過監測變壓器是否持續2 h出現負載率大于80%的情況和配電變壓器出口側的單相或者兩相是否出現低電壓來綜合判斷。對于配電變壓器重過載導致的低電壓，可考慮采用變壓器增容或者對臺區進行拆分、由多臺配電變壓器并行供電的方式解決。

3 結 語

前面研究了HPLC寬帶載波技術在配電電壓質量監測方面的在線監測方案設計與系統應用，解決了以往出現低電壓狀況時無法實現用戶側電壓精準監測的問題。通過更換現有集中器和電表的通信模塊，采用HPLC寬帶載波通信技術，可以實現每15 min采集一次電表的電壓、電流等數據，并傳回系統主站，根據系統提供的低電壓數據，可以精準定位每一戶低電壓用戶，縮短低電壓問題分析治理周期。目前，該功能在四川省自貢市富順縣電力公司得到了推廣應用，為富順地區的低電壓治理提供了數據支撐。在下一步的研究中，可打通采集系統與供服系統的接口，通過采集系統將數據共享給其他專業，綜合提升臺區線損治理、三相不平衡治理、配電變壓器重過載治理的效率。同時，該功能具有進一步優化的潛力。通過計算模型的更新與數據的擴充，可進一步實現低電壓產生原因的精準分析，為低電壓治理提供數據支撐。