基于能源控制器的低壓配網臺區拓撲識別技術研究

于振超 朱德良 苗興 張珊珊 張碩

摘 ?要：隨著泛在電力物聯網戰略的有序推進，能源控制器能夠實現臺區的物聯管理和智能感知，是電力物聯網建設的重要組成部分。臺區拓撲識別是基于工頻畸變和特征電流的技術，結合寬帶載波通信即可實現自動繪制出各級分支、表箱、電表的供電關系圖，從而識別出該臺區下有多少個設備節點以及各設備節點的上級供電節點。再通過理論數據的支撐和實驗模擬環境論證進一步證明該種方案現場運行的可行性，并做出復雜環境兼容性優化。

關鍵詞：泛在電力物聯網;能源控制器;臺區拓撲識別;工頻畸變;特征電流

中圖分類號：TM933.4;TN929.5 ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）13-0159-04

Research on Topology Recognition Technology of Low Voltage Distribution Network Station Area Based on Energy Controller

YU Zhenchao， ZHU Deliang， MIAO Xing， ZHANG Shanshan， ZHANG Shuo

（CET Shandong Electronics Co.， Ltd.， Jinan ?250101， China）

Abstract： With the orderly advancement of the ubiquitous power internet of things strategy， the energy controller can realize the internet of things management and intelligent perception in the station area， which is an important part of the construction of the power internet of things. Station area topology identification is a technology based on power frequency distortion and characteristic current， combined with broadband carrier communication， it can automatically draw the power supply relationship diagrams of branches， meter boxes， and meters at all levels， so as to identify the number of equipment nodes under the station area and the superior power supply node of each device node. The support of theoretical data and the demonstration of the experimental simulation environment further prove the feasibility of the on-site operation of this kind of scheme， and make the optimization of the compatibility of the complex environment.

Keywords： ubiquitous power internet of things; energy controller; station area topology identification; power frequency distortion; characteristic current

0 ?引 ?言

隨著國家電網公司加快打造具有全球競爭力的世界一流能源互聯網企業的目標引導下，正在加大“云、管、邊、端”設備從上到下的部署新產品的研發工作。能源控制器集配電臺區供用電信息采集、電能表或采集終端數據收集、設備狀態監測及通訊組網、就地化分析決策、協同計算等功能于一體的智能化終端設備，硬件采用平臺化設計，支持邊緣計算框架，軟件上采用容器化設計，硬件與軟件實現了最大限度地解耦，能夠以軟件定義的方式實現功能靈活擴展。基于能源控制器與端設備通過寬帶載波進行通信，結合能源控制器自帶工頻畸變特征電流技術可以實現整個低壓配電臺區的拓撲識別功能。

能源控制器是臺區拓撲識別系統中的關鍵核心設備，其既需要與主站系統進行交互，獲取主站下發的拓撲識別特征參數及拓撲識別啟動命令、響應主站召測終端的拓撲識別結果;還需要下行控制檔案設備發送特征信號，讀取識別設備的識別結果等功能。此外，終端自身還需要具有信號識別功能和精準對時功能。

1 ?研發背景

通常在低壓配電臺區中電壓器側的終端CCO模塊與末端設備（電表、量測開關、智能表箱等）STA之間只是單純的高速寬帶電力線載波通信（HPLC），如果需要在能源控制器側J僅通過HPLC來實現戶邊識別和分支識別進而形成低壓拓撲是比較困難的。而且一個小區會有多臺變壓器供電，HPLC的通信技術，由于使用的通信頻段較高0.7 MHz-12 MHz，在共高壓、共電纜溝、共零線的情況下，非常容易跨變壓器串擾，實際應用中，通常一個小區只要安裝1臺集中器，就可以和小區下所有HPLC節點通信，有時甚至會跨小區串擾。通過HPLC自身技術實現的臺區識別功能，在上述環境下，識別效果并不是很理想，存在識別時間長（幾小時甚至幾天），準確率差（各芯片廠家HPLC混裝后，準確率更差），識別結果長時間不能穩定下來。

如果能有一種技術，提前將CCO的主節點地址通過電力線進行廣播，而且只有當前臺區下的所有STA能收到，則每個STA就可以有目的的入各自的CCO，從而解決戶變識別的問題。所以需要尋找一種識別速度快、準確率100%，而且性價比高的技術，來解決戶變識別，滿足戶變識別的技術，必須滿足以下兩個條件：（1）識別信號不允許跨臺區;（2）識別信號在臺區內無死角，可直達任何節點。

2 ?方案設計

2.1 ?一種基于工頻畸變技術的戶變識別原理

基于HPLC技術的STA模塊，均有過零檢測電路，假設某相電壓波形的周期為T，前后周期做差為deltaT。當有工頻畸變信號發生時，deltaT會變化，通過檢測deltaT的峰值，就可以獲取到相應的信號。如果把CCO的主節點地址按照某種規則調制成畸變信號，則STA按相同的規則，是可以解調出主節點地址的，從而提前知道自己應該入哪個CCO，所以實現了快速臺區識別。如圖1所示。

安裝在0.4 kV變壓器二次側的工頻畸變發射裝置，如圖1（b）所示：在過零點前30度打開可控硅。在打開可控硅后會在過零點有ic產生，從而在過零點產生V（t），從而讓過零的周期發生變化。

某相電壓工頻周期發生變化，會引起整個臺區下該相電壓的工頻周期均在同一時刻發生變化，確保該臺區下所有STA節點均可以檢測到該信號。

工頻畸變發射雖然可以引起當前變壓器下電壓頻率發生變化，但沒法透過變壓器進入10 kv，并傳遞到另外一個變壓器，引起另外一個變壓器的電壓頻率發生變化，所以基于工頻畸變技術，可以滿足戶變識別的兩個要求。

2.2 ?一種特征電流的分支識別技術原理

為保證臺區實現完整的拓撲結構，ECU型智能融合終端需具備特征電流識別功能，能源控制器應一直處于采樣檢測狀態，實時采集電力線上的電流信號，解析并識別特征電流信息，若識別到特征電流信號，則將特征電流大小、相位和識別時間保存在終端本地。

計量節點以電阻投切方式在線路零火線之間產生滿足一定頻域規律的特征電流信號，在有供電關系的線路的上級節點出，進行電流通道高速采樣，并進行DFT分析，可以識別下級節點產生的特征信號并記錄識別到的特征信號的時間標簽，待當前臺區下所有歸屬節點都執行一次特征電流發射后，臺區管理終端將所有節點保存的時間戳記錄都讀走，并對時間戳進行對比分析，從而實現供電關系上下級的識別。

信號發送：開關通斷的方式會在線路產生圍繞開關頻率正負50 Hz偏移的電流信號，以5 000/6=833.3 Hz頻率通斷開關（1.2 ms為一個周期，通400 us，斷800 us），發送電流信號峰值為420 mA（220 V電壓下），在電路上會產生頻率為783.3 Hz和883.3 Hz的電流信號。通過檢測此兩點信號的有無，進行識別。具體為16位二進制編碼：1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1。其中，碼位0時，無特征電流發送，碼位1時，有特征電流發送。圖2和圖3為相應示意圖。

單次發送時間為9.6 s，即每位編碼發送時間長度為0.6 s。單次發送總體時間偏差±40 ms，每位編碼允許發送時間偏差為±15 ms。信號識別：在接收端，對電流取樣信號進行AD轉換，采用滑動DFT，實時提取線路上的電流信號，計算783 Hz和883 Hz頻域分量幅值，用二者的和作為判斷標準，進行解碼。電流波形解碼圖，能清晰地看到1010 1010 1110 1001的，也就是0xAAE9，當啟動某個節點發射特征電流，只有具有供電關系的所有源節點才能收到特征信號，從而實現了分支識別。

3 ?實驗論證與應用

3.1 ?實驗論證

上文將拓撲識別的技術得到了理論證實，后面需要將能源控制器與端設備以及戶表進行模擬，通過大量的實驗數據來證實確實能夠形成拓撲識別的方案。實驗需要能源控制器、分支測開關以及分支測的表箱、電能表，通過模擬現場的安裝環境，在能源控制器的CCO與末端的STA完成載波組網后，進行拓撲識別的讀取。根據兩個分支測的模擬環境進行搭建形成如圖4所示的電路架構圖。

在公司實驗室進行能源控制器與開關和單相表的組合方案的拓撲識別驗證，試驗結果與實際供電關系完全一致，準確率全部100%。經過組網后能源控制器將通過HPLC下行采集到開關和電表的信息進行了匯總，能源控制器中臺區狀態管理應用算法，經過算法分析后通過上行模塊通信將分支狀態和戶表狀態組幀發送給主站接收軟件，主站接收軟件將接收到的幀，做解幀處理后顯示出該臺區的拓撲識別狀態，如圖5所示。

3.2 ?應用方案

針對分支箱不裝智能斷路器的臺區，通過現場的簡單改造即可實現拓撲功能，主要有以下兩種解決方案。

方案1：若所有分支開關均安裝智能斷路器，表箱內安裝量測開關的臺區，表箱內量測開關通過485口和電能表進行通信，實現箱表關系識別，則電表內的模塊，除升級軟件，其他無須改動，既可以實現變壓器、分支箱、表箱、戶表關系的拓撲識別，確保已招標的模塊不浪費。

方案2：量測開關與電能表無485連接，則要求將電能表內的HPLC模塊，更換成能接受工頻畸變信號，也能發射特征電流的HPLC模塊。

4 ?結 ?論

經過實驗論證和現場應用方案的設計，可以證實利用工頻畸變和特征電流的拓撲識別技術在能源控制器應用方面取得了很好的效果。主要有以下優點：

利用工頻畸變技術，快速實現戶變識別，確保只有物理歸屬關系的STA才能正確入網到CCO，由于采用廣播方式，使得無論多大的臺區，識別時間是固定的，每相廣播一次一共需要3分鐘;由于在對每個節點進行特征電流點名前，已經準確的知道了一共需要點名的節點個數，所以能源控制器自身無須具備特征電流信號接收功能，簡化了能源控制器的技術難度，而且克服了純特征電流技術在一個小區有多個變壓器的情況下，不能并行識別的致命缺陷;工頻畸變+特征電流相結合的識別技術，識別過程中，無須主站參與分析和控制，每個臺區可以獨立完成，同一個小區下多個臺區可以并發進行，簡化了開發用采主站擴展功能的難度，更方便在各省推廣應用;已經批量安裝在現場的各家HPLC模塊，可以通過軟件升級的方式實現性能一致的戶變識別功能，實現存量臺區無須增加投資即解決問題。

雖然工頻畸變會對電能質量產生影響，但由于在發射過程中，會引起整個電網電壓工頻周期的變化，以一個工頻周期20 ms來計算，變化量是10～20 us。由于每個畸變脈沖間隔在400 ms以上，一共發射40個脈沖，且一般都是初次安裝的時候發射一次，所以雖然有影響，但影響極小。而且畸變電路不工作時，不會污染電能質量，也不會消耗能源控制器電流。

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作者簡介：于振超（1992—），男，漢族，山東濟南人，工程師，碩士研究生，研究方向：無線通信、嵌入式。