基于HPLC在智能電網數據采集中的應用探討

柯海波

(國網攀枝花供電公司，四川 攀枝花 617000)

0 引 言

近年來，隨著人工智能、物聯網及通信技術的高速發展，用電信息采集不斷地為多系統、多專業提供數據和應用支撐，采集數據類型不斷增多，數據采集頻率和采集速率要求也越來越高，前期使用的窄帶載波通信速率慢、路由變化慢、易受干擾、組網進程慢、只能完成抄讀日凍結數據、業務單一等問題凸顯嚴重[1]。為滿足快速增長的通信數據需求，國家電網公司已全面推廣高速電力線載波通信(high speed power line carrier comccnication，HPLC)新技術應用。

1 HPLC技術簡介

HPLC技術是一種高速電力線通信技術，是指利用電力線作為通信介質進行數據傳輸的一種通信技術，采用了正交頻分復用(orthogond frequency division multiplexing,OFDM)技術，相比于窄帶載波技術，寬帶載波技術有更寬的帶寬、更強的抗干擾性、更高的通信速率、更多的業務承載能力以及更穩定的網絡通信業務[2]。

高速電力線載波網絡是一種實時分布式路由網絡，由周期性的信標覆蓋整個網絡，從而驅動所有節點實現組網。主節點上電后，會開始發送信標幀，從節點根據主節點信標幀的頻段，自適應選擇工作頻段發起入網請求。所有入網的節點都需要身份驗證，稱為白名單，只有在白名單的節點才被允許加入網絡。入網動作全部由從節點主動發起，主節點進行確認。只有在網節點，才能進行數據業務通信。組網完成后，重要節點仍需要繼續維持信標發送，并通過一定的周期網絡維護和實時的通信成功率評估、變更路由網絡。

2 基于HPLC在電能數據采集中的新型功能描述

基于HPLC技術，可實現模塊互聯互通、高頻數據采集、停電主動上報、相位拓撲識別、臺區自動識別等功能。

2.1 通信模塊間互聯互通

相對于窄帶載波而言，HPLC高速載波除了通信速率之外，其最大的一個功能就是實現了不同供應商的設備可以相互連接、相互通信，不會影響上層的應用業務，從而解決了窄帶時期無法統一采購、統一調配、統一維護的問題。

2.2 電流電壓高頻數據采集與分析

HPLC數據采集要求將采集頻率從原來的1次/d，提升到1次/h、1次/15 min(15 min曲線)，甚至1次/5 min(5 min曲線)。利用HPLC通訊速率快的特點，可以有效提升智能電能表采集成功率并保證采集數據質量，同時利用高頻數據采集的特性，可以實現對臺區下每一用戶的電能質量分析。通過對智能電能表電壓、電流及電量曲線的大數據比對，可以分析出臺區電能質量不合格用戶的時間特性和空間特性，為線路和臺區改造提供數據支撐。通過高密度的數據采集和大數據分析，還可以實現對用戶智能用電和用電行為的分析，提供用能交互和用能增效的方案，進一步提高用電效率[3]。

從HPLC通信角度，主要是提供并發通信的能力，以此來提升應用層通信速率。主要從兩方面來并發：1)集中器與電能表之間不采用一問一答制，集中器可以同時抄讀多個電能表；2)每幀Q/GDW 1376.2—2013協議可以包含多幀電能表協議。

2.3 臺區停電主動上報

在HPLC子節點通信模塊中(如電能表STA、Ⅱ型采集器)配置超級電容，可實現低壓戶表停電。智能電能表斷電后，通過HPLC通信單元在規定時間內將停電事件信息實時主動上報集中器并且在智能電能表復電后主動上報復電信息，集中器再上報給主站。主站可以根據上報的電能表停電信息，結合系統檔案，及時準確地定位故障類型和故障位置，并通知技術服務人員前往排除故障。由被動搶修變為主動搶修，提高停電故障維修的準確性、及時性，提升客戶服務保障能力。通過選取部分臺區測試，更換HPLC模塊后停電事件主動上報平均時長為37 s，上報準確率可達到100%。

2.4 臺區電能表相位拓撲識別

若供電線路三相負荷不平衡，會增加臺區電力線路的損耗，產生零序電流，影響電氣設備的安全運行。輕則增加線路和配電變壓器的功率損耗，出現局部過熱，加速絕緣老化，降低設備壽命；重則會導致配電變電器或用戶用電設備燒毀等嚴重后果。通過HPLC通信單元配備的過零檢測電路，在正常入網、抄表過程中可實現電能表、采集器相位的智能識別，集中器通過本地通信單元獲取電能表相位信息，為臺區三相不平衡治理提供基礎數據支撐。

基于大數據的相位識別功能：探索通過大數據的方式，分析出臺區內節點間的拓撲關系及采集器下表計的相位信息；針對表計間拓撲關系的識別，由于下游節點的電流總和與上游關口節點的數據具有相關性，可以通過電流數據的高頻采集進行相關分析；針對采集器下表計的相位識別，可以嘗試用集中器的分相電壓曲線與采集器下表計分相電壓的變化趨勢具有相關性的特點，通過電壓數據的高頻采集進行相關分析；針對臺區內所有表計的相位及拓撲關系，可以分析計算臺區及各個分支的線損數據，對各類竊電行為都可識別。

由此通過HPLC相位識別技術，可以實現自動識別臺區電能表相位，提高臺區用戶電能表相位信息的準確性；能自動識別單相、三相電能表零火線接反，消除接線錯誤引起的安全隱患，降低安全風險；為臺區分相負荷平衡、臺區線損和分相線損的計算提供信息支撐，提高供電營銷系統信息化、精益化管理水平[4]。

2.5 臺區戶變關系自動識別

臺區戶變關系是保證臺區線損計算正確的基本要求之一，利用HPLC的臺區自動識別技術，可以準確判斷臺區下智能電能表所屬集中器，有效避免臺區串戶、跨臺區抄表等，提高臺區戶變關系準確性，提高供電公司臺區線損合格率。

臺區戶變關系識別主要用于電力用戶臺區歸屬、戶變關系判斷及相位識別，為梳理臺區戶變關系、線損分析和臺區精細化管理提供真實、準確的基礎數據。在日常線損管控中，通過采集成功率異常和線損合格率低的特征，在數據庫中篩選問題臺區進行臺區識別業務，針對性地根據臺區戶變關系識別進行線損和采集消缺。

HPLC通信模塊實現臺區戶變關系自動識別，主要是利用不同臺區、不同負荷導致的工頻周期差異，通過比對全網絡中節點的工頻周期等數據，準確判斷電能表的供電臺區，給出準確可靠的臺區歸屬，可有效輔助供電企業對計量自動化系統檔案的管理，為線損治理、臺區負載均衡提供準確的依據。

通過HPLC臺區戶變關系自動識別技術，可以解決由于臺區歸屬關系混亂引起的臺區抄表成功率低、臺區線損計算不準確等問題；可以有效替代臺區識別儀，甚至現場停電人工判定臺區歸屬關系的方式，實現自動判定臺區歸屬。

3 HPLC在智能電網數據采集中的實踐應用

HPLC采用OFDM自適應調制方式、并發抄表技術，將給定信道分成若干相互正交的子信道，將高速數據轉成并行低速子數據流，在每個子信道上進行調制，各子信道數據并行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關技術來分開，減少子信道間的相互干擾，即使在信道受嚴重干擾時，也能夠切換到抗干擾能力好、速率高的調制方式進行數據傳輸[5]。

3.1 數據測試方法及場景說明

試點臺區為高層小區，臺區負荷較穩定，峰谷用電明顯，每個臺區變壓器都是在單元樓地下室通過電纜進入電井入戶，現場信號強度穩定且相當，臺區臺戶關系正確，不存在跨臺區抄表的情況。數據采集通過用電信息采集系統對單戶數據進行點抄記錄數據返回時間，取多戶平均值測算數據采集平均響應時間。采集成功率分為日凍結采集成功率和點抄一次采集成功率，均以臺區為單位進行統計。日凍結采集成功率為用電信息采集系統制定抄表任務，對每日0時電能表凍結數據進行多次采集；最后，對臺區下電能表數據采集情況進行統計，點抄一次采集成功率為通過用電信息采集系統手動對臺區下所有電能表進行數據單次隨機采集，統計電能表數據采集情況。臺區線損為臺區損耗電量與臺區供入電量的比值，合格臺區線損標準為0%～ 8%的線損率。

3.2 測試結果分析

所選的攀枝花某高層小區包含10個供電臺區，臺區大小和供電范圍相當，通過測試采集平均響應時間、臺區數據采集成功率、臺區線損合格率及停電上報和相位識別功能進行分析。現場測試數據如表1所示。

表1 高層居民小區測試數據

3.2.1 數據采集平均響應時間

通過對攀枝花某高層居民小區10個裝有窄帶載波模塊的不同臺區的600戶進行系統數據采集測試，數據采集通道均經由集中器4G模塊連接用電信息采集系統主站，窄帶載波模塊系統數據采集平均響應時間為3.38 s，相同臺區更換HPLC模塊后系統數據采集平均響應時間為2.12 s，數據采集平均響應數據提升37.28%。

3.2.2 采集數據質量及成功率

選取攀枝花某高層居民小區10個臺區，共計安裝的600塊智能電能表進行測試。數據采集通道均經由集中器4G模塊連接用電信息采集系統主站，在原窄帶載波通信時，通過采集主站召測測試臺區日凍結數據,平均一次采集成功率僅為83%，電壓、電流、停復電上報、相位識別等功能數據存在采集失敗或錯誤。全部更換為HPLC通信模塊后，平均一次采集成功率達到100%，每個臺區2 min內可以完成一次采集數據的召測，抄表成功率100%，電壓、電流、停復電上報、相位識別等功能應用良好。

3.2.3 臺區線損合格率

選取攀枝花某三供一業老舊改造臺區，結合用電信息采集系統抽取臺區線損不合格臺區10個，開展HPLC模塊在臺區線損中深化應用。在全部更換為HPLC通信模塊后，臺區采集成功率基本穩定在100%，臺區分相線損計算正常。結合用電信息采集系統HPLC深化應用數據分析判斷，通過現場核實其中3個臺區線損由不合格達到合格，3個臺區戶變關系錯誤，1個臺區存在竊電情況。

4 結 語

綜上所述，HPLC技術能夠提高實時性、通訊速率、抗干擾性、可靠性、安全性、穩定性。在建設堅強智能電網過程中，能夠保證實時、高效、安全、穩定、可靠的數據采集要求，有效提升臺區采集成功率及臺區線損合格率，滿足臺區下用戶精細化管理、數字化管理、智能化管理的要求，保證低壓配電網安全穩定運行的水平，搭建用戶與電網溝通橋梁，極大地滿足了用電信息采集需求，實現智能電網的全面可持續發展。