基于電力載波通信的低壓配電網拓撲結構辨識方法*

張 磐，高強偉，黃 旭，朱 聰，孫偉卿*

(1.國網天津市電力公司電力科學研究院，天津300384；2.國網天津市電力公司城東供電分公司，天津300250；3.上海理工大學機械工程學院，上海200093)

隨著可再生能源的興起，我國的能源逐漸向低碳化、市場化和數字化發展。 能源互聯網擺脫了傳統能源產業間供需的約束，實現能源、信息、價值之間跨界交換，可以有效解決現階段能源綜合使用效率低、清潔能源消納能力差、供需互動不足等問題[1-2]。

能源互聯網以電力為核心，建立在智能電網建設的基礎上。 然而，某些老城區特別是老舊小區，配電臺區戶變關系混亂、缺失，嚴重影響了智能電網建設進程。 未來配電網管理將從傳統粗放式管理逐漸轉變成精細化管理，而實現精細化管理需要準確的臺區拓撲結構[3]。

在電力系統中，臺區是指一臺變壓器的供電區域，而變壓器與用戶電表之間的對應關系被稱為戶變關系。 目前低壓配網戶變關系的檢驗方法主要分為兩大類。 一是系統自動識別(在線方式)，例如臺區停電識別、基于戶變工頻過零序列相關性分析、基于戶變歷史停電事件記錄相關性判別、基于多信息相關性分析和電壓皮爾遜相關系數法等[4-5]。 在線方式識別的效率高，但是成功率會受到應用場景的限制。 二是人工現場識別(人工方式)，人工方式主要采用臺區識別儀的方法[6-8]。 目前的臺區識別儀大多采用載波通信法和脈沖電流法。 脈沖電流法指臺區識別裝置通過發出高頻脈沖信號來識別臺區用戶，但是此方法需在變壓器出線端安裝電流互感器，在操作上存在安全隱患，且可控制性差。 載波通信法是指臺區識別儀在電力線上發送載波信號，由于變壓器感抗較大，高頻載波在傳輸時不能通過變壓器，因此只能在同臺區里傳輸[9]。 但是在實際應用中當載波信號遇到共高壓、共地、共電纜溝串線等情況時，存在跨變壓器耦合到其他臺區的情況，對臺區的識別結果造成干擾。

綜上所述，本文采用基于電力載波的戶變識別方法，發射端設備在檢測到電流正向過零時立即發送報文，接收端設備接收報文并分析比較過零時間的方式，判斷發射端設備的相位及其分支線，完成用戶的相位識別和臺區識別。

1 技術原理

電力線載波(Power Line Carrier，PLC)通信是利用低壓配電線作為信息傳輸媒介進行語音或數據傳輸的一種特殊通信方式[10]。

我國使用的工頻交流電三相之間的相位差是120°，三相交流電信號單向過零點的時間差為T/3。利用這一點，假設已知A 相的相位，處于B 相或C 相的待測設備能夠記錄A 相單向(例如正向)過零的時刻與自身所處相線下一次單向(與A 相對應，正向)過零時刻的時間差，就可以識別所在相線的相位。 本文使用基于載波通信的報文發送接收的方法來對戶變關系和相位進行判別。

1.1 通信協議

通信報文是用來確定戶變關系以及判定相位的關鍵。 通信報文具有較為統一的格式，這減少了對計時器的結果的干擾，并且方便了本文戶變識別與電力相位識別的實現。

通信報文分成6 個部分:同步頭、報文長度、發送端地址、發送端相位、報文校驗和結束符，各個部分的大小如圖1 所示。 同步頭表示有效報文開始，識別到同步頭后處理器模塊便讓計時器開始計時；報文長度指發送端地址至結束符中間所有字節數之和；發送端地址以及發送端相位用來判斷待測端所屬的分支線以及相位；報文校驗的內容是對發送端地址與發送端相位加起來的5 個字節通過異或運算后獲得的結果。 接收端的處理器模塊識別到結束符后將之前接收到的字節重新進行報文檢驗，得到的結果若與之前接收到的報文校驗相同則可以判定接收到正確的報文內容，隨后進入到相位識別的步驟。這種形式構成，明確了各部分的職能，有效減少了其他信號的干擾，提高了接收報文的準確性。

圖1 報文組成

1.2 發送/接收端硬件組成

發送端與接收端內部結構相似，均含有處理器模塊、載波通信模塊、單向過零檢測電路模塊、計時模塊等部分，如圖2 所示。

圖2 發送接收端模塊構成

各個模塊功能如下:

(1)系統電源。 電源電壓為220 V，額定頻率為50 Hz。

(2)計時模塊。 當已知相位的電流正向過零，發送端開始發送報文，接收端識別到同步頭后計時器便立刻開始計時；當接收端確認收到完整正確的報文后，計時器收到處理器模塊的命令停止計時，同時把開始與結束的時刻上傳到處理器模塊上，以此得到時間差。 計時精度為0.1 ms。

(3)處理器模塊。 處理器處理的內容具有多樣性。 一方面，處理器需要對接收到的數據進行初步的分析，過濾掉無效數據，然后對數據進行精準的計算。 同時處理器還需要處理過零檢測模塊的過零信息和控制載波的發送等內容[11]。 這里選用AVR 單片機，內嵌長壽命EEPROM 能長期保存關鍵數據，避免斷電丟失。 片內大容量RAM 滿足一般場合使用的同時，能更有效地支持高級語言開發系統程序。

(4)單方向過零檢測模塊。 單方向過零檢測指一個周期中，只選取電流信號的一個過零點來獲知相位信息。 當正弦信號在過零點時，其導數可以取到極大值，能夠有效保證相位測量的準確度[12]。 要求延遲時間小于0.5 μs。

(5)載波通信模塊。 載波調制的基本原理是:在發送時，先把數字信號設置成高頻信號，通過功率放大后耦合到電力線上，隨后通過電力線路傳輸到接收端，接收端中的耦合電路將高頻信號接收，最后由解調電路將其還原為數字信號[13]。 如圖3 所示，載波通信模塊可以分為以下幾個部分[14]:

①信號耦合電路。 將需要發送的信號耦合到電力線路上，或從電力線上接收信號，將強電與弱電部分分隔開；

②帶通濾波電路。 消除有效信號頻帶之外的干擾；

③信號發送電路。 把待發送的信號放大到合適的功率；

④載波處理芯片。 用于調制和解調信號，并對數據幀做進一步處理，如通信幀識別轉發；

⑤路由處理芯片。 用于管理和維護路由信息。

此處選用UT-6204-PLC 電力載波通信模塊，波特率默認115 200 bit/s。

圖3 載波模塊原理框圖

1.3 現場臺區拓撲結構

現有的用電信息采集終端對于上文所述的發送接收端適用。 現場檢測與采集系統框架如圖4 所示:在配變臺區配變側、分支箱、表箱分別安裝配變終端、分支監測單元、末端終端，自動識別變壓器-分支箱-用戶之間關系，由配變終端將“臺區-分支箱-用戶”三級關系上傳到用電信息系統，經系統自行匹配后將“臺區-分支箱-用戶”異常關系推送到供電服務指揮系統。 發送接收端可以便捷地安裝在這些終端上，接著可以用本文提到的方法對異常和未知的臺區進行檢測。

圖4 現場檢測與采集系統框圖

2 實現方法

2.1 發送端工作流程

發送端部署在相線和分支線都已知的終端上，通過載波模塊把存有自身相位與地址信息的報文耦合到電力線上。 當發送端電流單向過零時報文開始發送，持續時間為Tm。

因為電力相位識別是動態的過程，所以以TS為周期，當和上一次發送開始的時間間隔大于TS后，發送端準備重新發送報文。 此時處理器模塊控制單向過零檢測模塊檢測下一次單向過零時間。 記t0為下一次正向過零的時刻，此時單向過零檢測模塊停止檢測，處理器模塊控制載波通信模塊重新發送報文，同時計時模塊記錄報文開始與結束發送的時間間隔Tm。

載波通信速率不高，發送端發送報文的持續時間Tm遠遠大于工頻周期T，Tm＝L/V，L 是報文的總發送位數，V 是載波通信的速率，其中TS＞Tm＞T。

2.2 接收端工作流程

接收端部署在分支線與相位未知仍需判別的終端上。 接收端是利用自身的載波通信模塊來接收電力線上的載波信息，然后處理器將接收到的這些載波信息還原成報文。 因為發送端與接收端中間會發生跨相耦合，所以即使兩者不處在同一相位，接收端依舊能夠接收到發送端發出的報文。 但與此同時，跨相耦合也會對接收端實際接收報文的時間造成干擾。 一般通信距離越短，干擾越大，所造成誤差的也越大，在實際操作時需要對距離進行嚴格的控制。

為了保證能夠收到電力線上連續有效的載波數據，需要讓接收端的載波通信模塊一直處于接收模式，以此實現電力相位以及臺區分支線的動態識別。載波通信模塊將接收到的所有有效數據送到處理器模塊中。 當發送端的載波開始發送后，接收端的處理器模塊將從電力線上連續檢測到的32 位數據與同步頭比較，若完全相同，則判定是發送端發送出的報文，隨后通知載波模塊繼續接收后面的數據。 假如與同步頭不一樣，則將其判定為其他干擾信號。這種方法對防止誤判，減少干擾，減少對戶變識別的影響具有顯著的效果。 然后處理器把所有的有效數據合并為字節，還原出完整的報文。

接收端的處理器模塊在識別到報文的結束符后，命令計時模塊開始計時，并且讓單方向過零檢測模塊檢測所處相線下一個單向過零時刻。 當單向過零檢測模塊檢測到下個單向過零時刻后計時模塊停止計時，并將單向過零時刻t1發送至處理器模塊，處理器模塊計算出接收端收到結束符時刻與下一個單向過零時刻之間的時間差TZ。

2.3 相位判別方法

當不考慮各個模塊之間的交互時間以及信號傳輸時間時，可以近似認為發送端的發送時刻為t0＝t1-TZ-Tm，記時間段Tk＝TZ+Tm，因為三相交流電信號單向過零點的時間差為T/3，因此計算接收端單向過零點的時間差ΔT ＝(Tz+Tm)%T，通過計算后的結果可以判斷接收端所處相位，公式中的%表示取余。 假設發送端位于A 相:假如Tk是工頻電流周期T 的整數倍(ΔT＝Tk%T≈0)，則判定接收端位于A 相；如果ΔT近似為T/3，則判定接收端位于B 相:如果ΔT 近似為2T/3，則判定接收端位于C 相。

但是實際操作時，如果不考慮各個模塊之間的交互和信號傳輸時間，會對計時結果產生干擾，對最后判定結果產生影響，所以現在把判別點拓展成一個區間:當0≤ΔT≤T/6 或5T/6≤ΔT≤T，接收端與發送端同相位；T/6≤ΔT≤T/2，接收端延遲發送端1 個相位；T/2≤ΔT≤5T/6，接收端延遲發送端2 個相位。 具體流程如下:

(1)根據自然停上電發生(例如計劃停電，故障停電等)事件獲取上電時間，按時間歸類獲得準確的戶變關系；

(2)采集任務調度系統依據終端上報的停上電事件，定期對臺區的停電事件分析，生成搜表任務，篩選出需要分析的混淆臺區；

(3)對于混淆臺區發送端在電流單向過零時開始發送報文，報文存儲著發送端的相位與地址信息，報文發送持續時間為Tm；

(4)接收端記錄接收到報文結束符的時刻與自身所處相位下一個單向過零時刻之間的間隔TZ；

(5)接收端的處理器計算ΔT ＝(TZ+Tm)%T，通過ΔT 和發送端的相位進行相位識別，通過地址信息進行戶變關系識別。

2.4 時序分析

假設發送端位于A 相，如圖5 所示，記t0時刻A相一次正向過零，此時發送端的載波模塊開始發送報文，經過Tm時間，報文發送結束。 接收端在待測區域的A 相識別到結束符后過了TZA時間到達下一次過零時刻t1A；待測區域的B 相識別到結束符后過了TZB時間到達下一次過零時刻t1B；待測區域的C 相識別到結束符后過了TZC時間到達下一次過零時刻t1C。

圖5 時序圖

3 仿真與分析

3.1 模型搭建

為了驗證相位識別方法的可實現性，現基于PSCAD 進行模擬仿真。 其仿真模型如圖6 所示，模擬低壓臺區用戶，電壓經過三相雙圈變壓器后降低為0.4 kV，從配電變壓器低壓側開始，往下依次為JP 柜、分支箱、光力柜和用戶電表。 以配電變壓器低壓側A 相為發送端，以電流I1、I2、I3、I4所在相位為接收端，模擬待測臺區用戶1、2、3、4。

圖6 低壓臺區仿真模型

3.2 仿真分析

PSCAD 仿真時，一般設置仿真時間為0.3 s～0.5 s，繪圖步長一般設為10 μs，故設置仿真時間為0.5 s，繪圖步長為10 μs。 經過實際仿真測試，控制電路中的過零檢測模塊在計算步長設為10 μs 時的過零記錄最為完整，故將計算步長設為10 μs，其控制模塊如圖7 所示。

圖7 控制模塊

用Mono-stable 模塊來模擬報文的發送，報文發送持續時間Tm＝L/V，故將脈沖持續時間設置為0.2 s，表示報文的發送持續時間Tm為0.2 s，其波形如圖8 所示，用信號O3表示報文的發送，1 表示處于發送狀態，0表示停止發送。 在t0＝0.055 2 s A 相正向過零的時刻開始發送報文。 記變壓器二次側A 相電流為Ia，其周期T 為0.021 4 s。

圖8 模擬報文發送波形

信號O4、O5、O6、O7分別表示接收端的用戶1、2、3、4 在收到發送端發出的結束符的時刻與下一次單向過零時刻之間的時間差TZ，1 表示正處于收到結束符與下一個正向過零之間的時刻。 如圖9 所示，由圖可知收到最后一個字符與下次第一次正向過零的時間間隔TZ1＝0.012 9 s，TZ2＝0.018 4 s，TZ3＝0.004 6 s，TZ4＝0.005 5 s。

將結果代入ΔT ＝(Tz+Tm)%T 中即可得到ΔT，得到的結果與最后判別的結果如表1 所示。 最后判別的結果為接收端用戶1 屬于A 相，接收端用戶2 屬于B 相，接收端用戶3 屬于C 相，接收端用戶4 屬于C 相，而得到的結果也與事實相符。 結果證明此方法用來判別相位是準確且有效的。

圖9 接收端Tz 波形

表1 判別結果

4 結論

本文提出了一種基于電力載波通信的戶變關系識別與相位識別技術，此方法可以應用于現有的用電信息采集設備上。 現有采集終端的硬件組成部分包括了發送接收端所需的模塊，所以此方法的成本相對較低，操作也較為簡便，只需完成軟件上的嵌入和部署工作。發送端的功能可以通過軟件部署到載波集中器等設備中實現，接收端的功能可以通過軟件部署到載波采集器或者載波智能電表等設備中來實現。 最后通過PSCAD 仿真軟件模擬臺區進行仿真分析，實現了臺區的相位識別。 本次仿真僅考慮了同一臺區的用戶，對于不同臺區的用戶的相位識別還有待研究。