臺區智能監測系統相位識別技術的研究與實現

（北京國電通網絡技術有限公司，北京 100192）

0 引 言

目前我國配電網設備數量大、分布廣，運行環境復雜。針對線路故障類型、故障停電范圍、保險跌落或開關跳閘位置等缺少行之有效的監測和預判手段。由于工作人員對現場情況不了解，誤判時有發生，導致維修方案不合理、搶修力量配置失當，延長了故障排除時間，影響了供電質量，造成了較大的經濟損失和社會影響。為了實現三相負載平衡治理、停電故障準確定位、線損精益計算，需要對線路相位進行準確識別。本文基于LoRa無線通信、過零檢測電路實現相位識別技術的研究，并搭建智能監測系統，完成對低壓配電臺區用戶的相位識別[1-2]。

1 相位識別理論基礎

我國工頻三相電力供電系統周期T為20 ms，相位差為120°，在時間上三相交流電信號的正向過零點（或反向過零點）相差約6.67 ms，如圖1所示。

圖1 三相過零時序圖

在低壓配電臺區中，正確識別智能電表所在相位，只需監測智能電表監測單元端的工頻電壓過零點與臺區集中器參考相線工頻過零點的相位時間差值，即可獲得相對相位信息，實現相位精確識別[3]。

2 LoRa無線通信

LoRa是一種超長距離、低功耗的數據傳輸技術，與其他通信方式相比，LoRa無線通信利用先進的擴頻技術和編碼方案，具有良好的抗干擾性。

基于LoRa遠程調制解調器的SX1276收發器可用于超長距離擴頻通信，抗干擾性強，可最大限度降低電流消耗，接收電流小于14 mA，睡眠電流小于2 μA。接收靈敏度可達-148 dBm，工作頻段在401～510 MHz范圍內，發射功率最大可達19 dBm，有效通信距離可達5 km。SX1276解決了傳統設計方案無法同時兼顧距離、抗干擾和功耗等問題，是滿足超長距離擴頻通信和高可靠性要求的最佳選擇。圖2所示為LoRa無線通信方案。

圖2 LoRa無線通信方案

LoRa與MCU之間利用SPI通信，DIO通過軟件配置可作為MCU發送與接收的中斷監控引腳。正是因為有這樣的硬件工作機制，當發送中斷和接收中斷發生時，MCU可精確捕捉接收幀的接收完成時刻及發送幀的發送完成時刻。當MCU定時器時鐘節拍設定為100 μs時，可以保證相位識別精確度為0.1 ms。圖3所示為LoRa無線通信的相位識別幀接收及發送工作流程。

圖3 數據幀接收及發送工作流程

圖4所示為通過LoRa無線通信技術進行數據幀發送與接收的通信情況，實驗結果可表明發送中斷及接收中斷間的時間差及其穩定性情況。

由圖4（a）可知，相位識別幀發送完成時刻與接收完成時刻之間的時間差值約為560 μs。由圖4（b）可看出，相位識別幀發送端時間固定，在時間固定情況下接收時間的誤差范圍才具有可參考性。由圖4（c）可看出相位識別幀接收時間誤差在3.88 μs以內，相對發送完成與接收完成的時間差，小范圍的計時誤差對相位識別基本無影響，可忽略不計[4-6]。

圖4 數據幀發送與接收的通信情況

3 過零檢測電路

臺區集中器和智能電表監測單元內置過零檢測電路，對三相過零點進行檢測判斷，提取每相過零點的時間標簽，通過私有協議及算法進行相位計算，從而獲得智能電表監測單元的相別信息。

圖5是可對220 V/50 Hz信號進行檢測的過零檢測電路，通過過零檢測電路捕獲電壓的反向過零發生時間點，實現反向過零點檢測，TZA給主控制芯片提供過零信號。由圖6的檢測結果可看出，反向過零周期為20 ms，符合工頻三相電力供電系統周期規則，檢測靈敏度較高，可利用高阻抗和低噪聲的過零時隙實現數據的可靠通信。

圖5 過零檢測電路

圖6 過零檢測電路檢測結果

4 相位識別

利用LoRa無線通信技術可實現臺區集中器與智能電表監測單元間數據幀的接收和發送。

4.1 對時

臺區集中器開始工作，從向智能電表監測單元發送完“相位識別起始幀”開始計時，而智能電表監測單元從其接收完“相位識別起始幀”后開始計時，兩者各自開始工作后的時間基準不同，所以要對臺區集中器及智能電表監測單元進行對時。通過對時這一過程得到固定長度數據幀的單向傳輸時間T0，以此將臺區集中器及智能電表監測單元的時間基準調一致，保證進行過零檢測后計算待識別相位時的結果準確性。

臺區集中器及智能電表監測單元進入相位識別工作狀態后，臺區集中器發送“固定長度對時幀”，智能電表監測單元接收到對時幀，待MCU處理完緊急指令后，對此幀進行分析與處理，返回“相同長度的對時應答幀”。因此，智能電表監測單元接收完對時幀與發送完對時應答幀之間有延時，記為Tdelay。

“相同長度的對時應答幀”中包含臺區集中器發送完成對時幀的時刻TMT、智能電表監測單元接收完成對時幀的時刻TSR。臺區集中器發送“讀取智能電表監測單元發送完對時應答幀的時刻”命令幀至智能電表監測單元，智能電表監測單元返回包含其發送完對時應答幀時刻TST的應答幀。臺區集中器接收完對時應答幀的時刻為TMR。由此可計算智能電表監測單元接收完成對時幀與發送完成對時應答幀之間的延時時間為：Tdelay=TST-TSR。

圖7 臺區集中器與智能電表監測單元對時示意圖

表1 相位識別對時數據 100 μs

通過對試驗采集到的相位識別對時數據進行多次計算，求平均值后得出的固定長度數據幀單向傳輸時間為500 μs。

4.2 過零檢測

臺區集中器向智能電表監測單元發送“固定長度過零檢測幀”，并記錄此后臺區集中器A相每個過零點的時刻。智能電表監測單元接收到固定長度的過零檢測幀，待智能電表監測單元相位過零點事件發生后，立即向臺區集中器回發“固定長度應答幀”，發送完成此應答幀的時間為TST0，將智能電表監測單元相位過零點時刻記為TSZD，兩時刻間的延時時間為Tdelay0=TST0-TSZD。臺區集中器收到應答幀后，記錄接收完成固定長度應答幀的時刻為TMR0。通過得到的固定長度數據幀的單向傳輸時間T0，可計算智能電表監測單元相對于臺區集中器的過零點時間為TSZDM=TMR0-T0-Tdelay0，將此時間與記錄的A相每個過零點時間對周期取余后進行比較。表2為試驗采集到的相位識別過零檢測數據，圖8為智能電表監測單元過零檢測流程。

表2 相位識別過零檢測數據 100 μs

圖8 智能電表監測單元過零檢測示意圖

4.3 相位計算方法

用于計算智能電表監測單元所處相位的三相過零時序圖如圖9所示。

圖9 用于計算智能電表監測單元所處相位的三相過零時序圖

對試驗采集數據進行計算與分析后，得到的臺區集中器與智能電表監測單元過零時間之間的差值TDiffer。根據三相交流電信號的正向過零點（或反向過零點）相差6.67 ms，計算得到智能電表監測單元所處的相位。因存在模塊間的交互時延及電信號的傳輸時延，所以將相位的判別點擴充到區間，根據此差值所落區間來判斷智能電表監測單元所處的相位：

對時幀和過零檢測幀采用相同長度的時間幀，以保證固定長度數據幀的單向傳輸時間T0的通用性。通過以上設計，可以精確實現相位識別，對停電故障準確定位具有關鍵作用。

5 智能監測系統

在智能電表相位識別的應用場景中，待測相位裝置是安裝在電表箱中的智能電表監測單元，其與電表通過同一單相電源線連接。智能電表監測單元的安裝位置和安裝方式不受限制。以臺區集中器的A相工頻過零點為參考過零點，實現對智能電表監測單元所在相位的識別。智能監測系統結構如圖10所示。

圖10 智能監測系統

臺區集中器可通過LoRa無線通信依次識別多個智能電表監測單元的相位，當臺區集中器與智能電表監測單元之間無法完成通信時，通過已識別出相位的智能電表監測單元與未實現和臺區集中器通信的智能電表監測單元間的通信，以被識別出的智能電表監測單元相位為參考相位，完成智能電表監測單元間的相位識別。

6 結 語

本文采用LoRa無線通信技術結合過零檢測電路完成相位識別方法設計，以LoRa無線通信過程中固定發送中斷時刻，多次獲取到的接收中斷時間浮動區間來說明此種通信方式時間誤差極小，具有較高的可靠性及穩定性和良好的抗干擾性。利用過零檢測電路檢測到波形，說明其檢測靈敏度極高，完全符合工頻三相電力供電系統周期規則。通過試驗采集到的通信過程中數據幀的傳輸時間等數據計算分析試驗設備所在相線。由試驗結果可知，本文設計的相位識別方法具有很高的相位識別準確率。

在相位識別方法的基礎上搭建智能監測系統，實現低壓配電臺區用戶相位的準確識別，對智能電表監測單元及電表等的停電故障實現準確、快速定位，提高配電運維管理水平；改變以往“停電用戶報修”的被動形式，實現故障的快速排除，提高用戶用電滿意度；為三相負載不平衡治理、降低線損等業務提供支撐，有效抑制三相不平衡，正確分析三相不平衡與線損的關系，實現線損精確計算與精益化管理。